多年冻土路基病害原因与整治措施
2012-01-31 来源：中国百科网
1、研究背景及内容
全球多年冻土的分布面积约占陆地面积的23%，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地，其中我国的多年冻土分布面积高达215万km2，约占世界多年冻土分布面积的10%，占我国国土面积的22.4%，是世界上第三大冻土大国，而我国的多年冻土主要分布在青藏高原、大小兴安岭、祁连山、天山和阿尔泰山等高山、高纬度地区。
多年冻土是一种特殊土类。其特殊性主要表现在它的性质与温度密切相关。常规土类性质主要受颗粒的矿物和机械成分、密度和含水量控制，多半表现为静态特性。多年冻土的性质除受上述因素控制以外，同时它的性质随温度和时间都在变化，表现为动态特性。所以，冻土是一处对温度十分敏感且性质不稳定的土体。
随着全球气候的逐渐变暖和人类活动加强，多年冻土上限呈现出下降的趋势，多年冻土也在不断退化，对路基路面的稳定也造成了极大威胁。关键的是冻土在冻结、融化时具有特殊的物理、力学性质变化。土壤冻结时最重要的物理过程是水分的迁移和重分布，而冻土融化时最重要的是物理力学变化是结构、强度的急剧衰减。从而在冻融循环中不断地改变着土层的形态结构和物理力学性质，导致工程建筑物基础的反复变化与破坏。在大多数情况下，病害的发生发展过程与变化结果具有单向、不可逆的规律。
冻土地区筑路工作中的问题除了一般寒区道路中常见的路基冻胀、翻浆路面冻融松散低温开裂外，还有冻土地区特有的道路病害——路基热融沉降、边坡热融滑塌。
2、多年冻土路基病害
2.1 热融沉降（陷）
因气候转暖，或森林砍伐与火灾，或修建工程构、建筑物，特别是采暖型的建筑，破坏了原来地面的植被和热力动态，使其冻结与融化深度加大。导致地下冰或富冰土层融化，于是在上覆土层自重及建筑物荷载作用下，地基土便出现沉降或深陷现象，从而使建筑物无法正常运行，甚至破坏。这是多年冻土区各种建筑物遭受冻害的主要原因。
2.2 融冻滑塌
在地下冰发育的斜坡上，由于路堑工程或挖方取土，或河流侵蚀坡脚，使地下冰层或富冰土层外露，而不断融化，造成上覆植被或土层失去支撑而不断下滑。
2.3 冰丘、冰椎、延溜冰
在季节融化层中含有丰富的地下水层时，冬季地表冻结过程中，随着地表冻土层增厚，由于下卧多年冻土层隔水，季节融化层中的地下水流受阻而承压。当该孔隙水的压力足够大时，在地表较薄弱处即被不断增加的受压孔隙水顶托而逐渐隆起，形成丘状体，称之为冰丘；当地表层不足以承受水压力时，空腔水与孔隙水便破土而出，在地表漫延，并冻结成冰椎。
延溜冰的产生主要由于公路上侧土壤中的过饱和水分、泉水、沟溪中的水，在移动过程中，水流被下降的气温自下而上逐层冻结，水源不断供给，形成较大面积的冰覆盖层。延溜冰沿公路长度分布少则几米，多达几百米，冰的厚度有几厘米到几米。它一般发生在冬季或初春，持续的时间较长。根据调查发现，延溜冰多发生于林区、山岭、坡地、沟谷，以及泉眼、河流附近，受气温、地形、冻深及水分条件影响。
2.4 季节融化层的冻胀
冻胀是冻土区筑路时需要考虑的另一重要病害现象，在多年冻土地区，处于不良地质、水文条件下的路段，路基土冻结过程中会发生水分迁移现象。水分不仅向冻结锋面迁移，而且在冻结中凝结成冰，由于冰的密度略小于水，故在冻结的过程中伴随着体积的膨胀，从而造成路基土的冻胀。冻胀的发生是需要两个必要条件的，一是有充足的水分补给源，二是有水分补给的通道。
冻胀本身不仅引起道路破坏，还可引起桥梁、涵洞基础的冻害。这种病害在冻土地区早期修建的桥梁、涵洞工程中尤为突出，由于当时的工程技术人员认识和掌握冻土的自然规律以及未能及时采取防护措施致使桥梁、涵洞发生破坏。主要表现为基础上抬、倾斜造成桥梁拱起，涵洞断裂，甚至失效等破坏。
3、多年冻土路基的病害成因分析
3.1 融化盘的形成
特别是高温冻土区融化盘的形成是导致路基病害的主要原因之一。由于黑色路面吸热，造成路基下冻土的正积温增加，路基下冻土上限因各种因素增深，致使路基以下冻土的上限在横断面上形成一种“盘状”的凹陷部分，即融化盘。
融化盘的出现和存在，不仅促进了路基下融化盘内水的自然汇集和蓄水，使融化盘上下的土体含水量或含冰量增大，而且使人为上限由初始的浅盘逐渐变成深盘状。水的存在，使每年积累的能量在融化盘内部夏季土体融化但冬季不能被冻结，这就出现了融化不冻核，也称为融化夹层、不衔接层。融化夹层是一层含水量大、土的固结程度小、模量低的软弱结构层，这对路基的稳定性影响很大。
3.2 偏移的融化盘导致路基不均匀沉降、纵向开裂
由于路基阴阳面使路基两侧路肩下的地温分布产生较大的差异，温度场的不对称又使得路基底部最大融深位置发生偏移，引起路基在横断面方向产生滑移、不均匀沉降和纵向开裂。
3.3 路基及路基下融化盘内含水量状态变化对路基稳定性的影响
在大多数路基两侧破坏较为严重的路段，路基、地基的含水量较高，融化盘内含水量发生变化，使路基产生较大的融沉变形，甚至在有些未整治路段能够形成反拱变形。在路基较高的路段，由于路侧地势低洼积水等，导致路基产生不均匀下沉或纵向开裂。
3.4 不规范施工导致路基产生纵向开裂
路基施工中，个别施工单位对路基特别是加宽部分不挖台阶，直接倾倒填料，直至与旧路面齐平时才开始碾压，压实厚度达到1米多甚至2米多。不规范的施工方法无法保证路基加宽部分的压实度，导致新旧路基的填土结合较差，从而造成路基的纵向开裂。
3.5 路基或地基含水量过高
含水量过高是导致路基翻浆的主要原因。在多年冻土区，路基施工季节也多是高原的雨季，由于路基填料过湿，土质含泥量较大，施工路面时未做彻底处理，将含水量大的土质覆盖于路面基层之下，随行车荷载的作用， 路基产生翻浆。另外，在季节冻土区和多年冻土区中的融区公路，由于路基偏低，地下水、地表水侵入路基，在重型车辆荷载、冻胀及融沉的反复作用下，路基便会产生翻浆。
4、路基病害处治措施技术研究
4.1 排水系统（排水物、截水沟、挡水埝）
它起引导和控制地表水径流的作用，以防止和排除路基（堤、堑）两侧积水、渗透，最大程度地减轻路基土体在冻融过程中的各种物理力学性质的变化。
然而，设置地表排水系统就要破坏自然地表，如果不准确掌握地质条件，就可能改变和破坏多年冻土的生存状态，反而引起新的病害。
4.2 保温护道
保温护道也是整治路基病害的一种常用措施。作用是加强对路基边坡、坡脚处冻土的保护厚度，减少气温对多年冻土的影响程度和范围；同时也起到防止路基坡脚积存水体和渗入的作用。
但是，对护道的填筑材料、断面结构形式和尺寸及防渗水能力要有周密的考虑和设计。然而，过去填筑的保温护道明显存在不足，多数已起不到保温作用而失效。过去也曾采用过片石护道，但实践证明，在多年冻土地区采用片石护道非但不能约束路基底的下沉侧挤，反而加速了基底的融化下沉。它只能在不破坏冻土原则的情况下采用。
对路堤和路堑边坡的坍塌和热融滑坍病害的工程措施，常用的有护道及具有支撑作用的护坡。护道主要适用于较高的路堤，可用成台阶式，主要针对由于季节性冻融界及过陡情况下的边坡坍塌变形。而对于边坡变形所采用的片石护坡则有过深刻的教训即不具支撑作用的、较薄的无结构片石扩坡不能抵御冻融变形的破坏，反而加剧边坡变形的程度。
4.3 换土
换土是整治路基冻害的一种常用而且有效的措施。它的关键是在病害地段挖除不良土层，换填与周围无病害地段相同或性质相近的土体。其作用是使一定范围内的土体在冻融特性方面取得一致，消除差异导致的病害。因此，只有在查明土层特性和工程量不大的情况下才采用。目前，这种情况已不是很多。
4.4 冻结沟、积冰沟
冻结沟、积冰沟主要适用威胁路基安全的冰锥、水丘和冻胀丘，是一种被动的防治措施。在查明地质及水文条件后，可采用地下保温渗沟或盲沟予以有效的根治，并且有较好的范例。但对其出水口要有必要的处理，远离路基或加以保温，防止冻结。
4.5 XPS、EPS保温板。
XPS、EPS保温板是一种强度很高、导热系数小、吸水率小的聚苯乙烯泡沫板，它的作用是减缓和阻碍热量的传递。将它埋设在路基下或护道内可大大减少暖季时外部热源向地下传入，进而减少多年冻土上限的年变化幅度和病害程度。但在冬季时也阻碍了地层内热量 向外界的散发，不利于多年冻土的恢复。所以，保温板是一项中性土的措施，由于它的保温性能好，仍在保护冻土的工程中广泛应用，但要配合其他措施合理组合。
4.6排水沟式软管渗沟 。
是一种有刚性骨架的柔性排水渗沟，地表做成排水沟形式，沟底埋设渗水软管，软管直径为 200mm。可以防止一般排水沟易发生的淤塞和冻融变形的破坏，大大延长和保证排水沟的正常工作。
4.7 通风路基
通风路堤使用在多年冻土地区有条件的地方，用碎石或块石填筑路基，利用填石路基的通风透气性，实现保护冻土路基的作用。寒季，冷、暖空气在路基中产生对流，冷空气下降，侵入地表；暖季，热空气受下部冷空气的阻隔，难以下渗，每年地基吸入的冷量大于热量，因而起到保护冻土的作用，该措施适用于高温不稳定的多年冻土地区。
对于冻土区地基土质较好和承载力较高的段落，可以考虑埋设通风管，通风管直径一般为20cm～50cm，为电镀的金属螺纹管，水平埋设在路堤坡脚下，通风管的进出口都有垂直于地面的钢管或桩与之连接，一般高出地面50cm～100cm， 通风管埋设于路基体中，增加了路基体与空气的接触面，通过空气在通风管中的流动，使通风管周围路基体的温度与气温趋于一致，减少路基体传入地基的热量，增加路基体传入地基的冷量，保持多年冻土层及路基基底下季节活动层的冻结状态，维持路基体的稳定。
4.8 热棒
热棒是一种利用气液相变原理传输热量的传热元件。它是由一根密封的金属管与里面充装的工质组成。管的上部装有散热叶片，称之冷凝段，置于大气中；管的下部埋于地基多年冻土中，称之为蒸发段。当蒸发段与冷凝段之间存在温差（冷凝段温度低于蒸发段温度）时，蒸发段的液体工质吸热蒸发成为蒸气，在压差作用下，蒸气沿管内孔隙上升至冷凝段，与较冷的管壁接触，放出汽化潜热，冷凝成为液体，在重力作用下，冷凝液体工质沿管壁回流蒸发段再吸热蒸发。如此往复循环，将地层中的热量传送至大气中，从而降低了多年冻土的地温，防止多年冻土发生融化，保证了地基的稳定性。
工作在地基中的热棒只可能单向传热，即将地基中的热量传向大气，而不用担心它会将大气中热量向下传到地基。热棒的特点：①无需外加动力。②传热效率高。③无运动部件，运行无噪声。④单向传热，暖及自动停止工作，故又称二极管。⑤工作安全可靠，使用寿命 30年以上。⑥ 结构坚固，不易损坏，无需 日常维修养护。⑦无有害物质，符合环保要求。⑧启动温差小，蒸发器与冷凝器之间只要有很小的温差即可启动热棒。
5、多年冻土区路基冻害整治原则
5.1 确定整治方案的总原则
根据地区特点，查明多年冻土的特性，测取气温、地温及水文条件等资料，并调查已有的不良物理地质现象，来选择和确定防治多年冻土路基特殊病害方案的总原则：一是保护多年冻土；二是破坏多年冻土。
保护多年冻土，是采用具有保温隔热作用的措施，在消除引起病害因素的同时，而不引起多年冻土状况的改变或恢复被破坏了的冻土状态，来保证路基 的安全。它适用于年平均气温和地温较低（一般低于-1.5℃和 -1.0℃），多年冻土层较厚（大于10m），为富冰冻土或厚层地下冰，并较少受人为活动干扰的情况下。宜于在大片连续多年冻土区内采用。
破坏多年冻土是路基和建筑物在正常使用过程中，允许冻土融化或控制融化范围、速度，而不产生不允许的变形和新的病害，保证路基和建筑物有足够的强度和稳定性。它适用于年平均气温和地温较高 （一般高于 -1.2℃和 -0.5℃），多年冻土层较薄 （约 5—7m），且含水量较小或弱融沉性土层，多在岛状冻土区内采用。
5.2 综合整治
多年冻土区的路基病害是不良物理地质现象和特殊病害多种自然因素（包括人为活动）长期、互相作用的结果。在整治病害中，应尽可能采取多种、配套的整治措施，有主有辅，使他们的作用互相配合和补充，消除其中的不利作用，才能达到较长远的预期效果。
5.3 保护环境
多年冻土区路基施工，应重视多年冻土区自然环境和生态环境的保护，减少对多年冻土环境的人为破坏。贯彻“预防为主，保护优先，开发与保护并重”的原则。
6、结语
关于多年冻土路基的研究目前已经取得了长足的进步，但是在许多方面仍然有待进一步的深入。多年冻土物理力学性质的特殊性必然导致其产生热融沉降、热融滑塌、冻胀、冰丘、冰椎等路基病害。整治这些路基病害的优化综合措施，是传统的排水设计和热棒、保温护道、保温板、通风路基、排水沟式软管渗沟等新技术、新材料的有效结合，其中的关键技术是设计合理的断面结构形式和新材料新技术的应用，目的是杜绝地表水对路基基底的渗入所带来的单向热交换作用，恢复和形成基底最佳的人为上限形态，达到彻底根治病害的目的。
