黑龍江省多年凍土區路基病害形成機理

王 銳 于曉坤 王 者

(1.東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040; 2.黑龍江工程學院土木與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050)

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黑龍江省多年凍土區路基病害形成機理

王 銳1于曉坤1王 者2

(1.東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040; 2.黑龍江工程學院土木與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050)

以黑龍江省凍土區公路工程為例，對縱向開裂、路基融沉、邊坡凍融松散、凍脹和冰丘等常見病害進行了機理分析，旨在為黑龍江省多年凍土地區道路的養護與維修提供理論參考。

凍土地區，病害機理，路堤邊坡

黑龍江省北部是我國最寒冷的地區之一，在年平均氣溫低于0 ℃的條件下，地下形成多年凍土，凍土主要以島狀和連續形式分布。隨著我國經濟的發展和中俄貿易的增加，黑龍江省地區公路建設里程也隨之增長。與此同時，大量公路也相繼進入養護與維修階段，其養護與維修工作被提升到非常重要地位。在凍土地區修筑道路工程，上覆路基改變了原有多年凍土的熱力學平衡，多年凍土開始壓縮融化，凍土上限下移，融化后的凍土在上覆壓力的作用下亦開始壓縮，導致多年凍土區路基的不良地質現象的發生，其常見病害有：縱向開裂、路基融沉、邊坡凍融松散、凍脹和冰丘等病害，將對凍土路基強度、穩定性帶來嚴重的影響。這些病害不僅會破壞道路結構整體穩定性，還會對行車安全產生一定的影響。基于此，針對凍土區路基常見的道路病害進行機理分析，為黑龍江省多年凍土地區道路的養護與維修提供理論參考。

1 縱向裂縫機理分析

在多年凍土區修筑公路，凍土不可避免的會受到施工的干擾破壞，如清除地表上部的腐殖土，或因填筑路基的土體材料砂礫含量較多，密實度較大，導熱性能強，熱量會沿土層較薄的路基坡腳方向向下、向里傳導，使路基坡腳下的凍土層融化，深度大于路基底面融化深度，這使得邊坡處地基下凍土首先失去原有凍土的物理力學性質，凍土開始融化壓縮，其強度明顯降低，邊坡穩定性下降；隨著熱量的傳遞，邊坡處熱量不斷向路基中心擴散，隨著時間的推移，在其上土壓力的作用下，被擠壓產生較大的形變，且路基兩側下陷深度大于路中部位，導致路基在邊緣處被拉裂，導致縱向開裂病害的發生。

2 路基融沉機理分析

路基融沉也是凍土地區路基的主要病害，在全球氣候變暖的影響下，我國多年凍土整體呈退化趨勢，同時在工程施工過程中，人為的使外部熱量進入地基，影響多年凍土的熱平衡，使得多年凍土開始融化，導致路基下伏凍土上限下降，使得凍土上限處凍土失去原有的承載力，其力學性質降低，形成融化夾層，在上部路基土體自重和車輛沖擊荷載的影響下，融化夾層產生壓縮變形，路基整體失去穩定性，路基產生融沉現象。特別是在地基下多年凍土含冰量較高，凍土類型為富冰凍土、飽冰凍土和含土冰層時，凍土區路基融沉病害尤其的明顯。同時在施工過程中，由于路基填土不均勻也是導致融沉病害的主要原因之一。路基融沉病害會導致路面的不平整，不僅導致了通行能力的下降，更給行車的安全和舒適帶來了一定程度的影響。

3 邊坡凍融疏松機理分析

在黑龍江大小興安嶺丘陵地區或山前緩坡地段，通常地下有發育良好的地下冰，由于路堤邊坡空隙率較大，其遭受雨水的沖刷較嚴重，而雨水和地下徑流容易匯集在邊坡坡腳處，路基邊坡坡腳長期浸泡在水中，在毛細孔隙存在的條件下，坡腳自由水不斷向路基邊坡侵入，降低路基邊坡的強度與穩定性；同時在外界大氣溫度大幅度升降的影響下，其遭受的凍融循環破壞較為嚴重，在反復凍融作用下，最終使路基產生了邊坡凍融疏松破壞，致使路基邊坡產生滑塌失穩破壞。

4 凍脹機理分析

土中水凍結時相變成冰，體積增大9%，當土中水體積膨脹足以引起土顆粒之間相對位移時就形成土的體積膨脹，稱為土的凍脹[3]。夏季，由于路基改變原有多年凍土的熱力學狀態，凍土上限處的凍土開始融化，產生融化夾層。融化夾層下部是凍土，是一個封閉的界面，凍土融化后的自由水無法通過滲流而排出，融化夾層底部處于飽和狀態。冬季，隨著氣溫的降低，自由水開始凍結，同時在毛細孔隙存在的條件下，自由水開始向凍結區遷移集聚，當地基土體因凍脹而產生的凍脹力大于上部土體自重時，多年凍土路基在地基凍脹力的作用下而隆起，由于地質條件的不同，不同斷面的地基土的含水率的不同，使得路基發生不均勻凍脹，進而導致路基變形開裂等病害。

5 冰丘機理分析

在多年凍土區修建公路，由于道路設計與地質條件因素的影響，不可避免要開挖路塹。由于部分路段開挖路塹較深，勢必會造成地下水露頭，使得坡面不斷的有水滲出或涌出。水的存在嚴重影響路基運營期間的穩定性。主要表現為：在夏季，路塹邊坡不斷涌出的地下水使該段路基長期處于中濕和過濕的狀態，降低路基的強度，影響路基的穩定性。而進入冬季，隨著大氣溫度的不斷降低，自由水開始凍結，由于路基土體處于中濕和過濕狀態，路基將產生不均勻凍脹；同時在地下水不斷涌出的條件下，路塹邊坡和道路表面將覆蓋大量的冰，影響道路的正常使用。

6 結語

隨著我國經濟的快速發展，我國公路里程逐漸增加，大量公路也相繼進入養護與維修階段，其養護與維修工作被提升到非常重要地位。黑龍江省北部是我國最寒冷的地區之一，地下形成多年凍土，在多年凍土地區修筑公路，勢必會改變原有凍土熱平衡狀態，導致各種道路病害發生。基于此，針對多年凍土區路基運營工程中常見病害有：縱向開裂、路基融沉、邊坡凍融松散、凍脹和冰丘等病害進行機理分析，旨在為黑龍江省多年凍土地區道路的養護與維修提供理論參考。

[1] 徐學燕,邱明國.高等土力學[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2008.

[2] 張 偉.多年凍土路基施工技術研究與應用[J].黑龍江交通科技,2004(2):30-31.

[3] 董鑒峰.漠河地區多年凍土物理力學性質研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2010.

[4] 劉世偉,張建明.高溫凍土物理力學特性研究現狀[J].冰川凍土,2012,2(1):120-129.

[5] 張 英,邴 慧.含鹽凍土物理力學性質研究現狀與進展[J].冰川凍土,2013,12(6):1527-1535.

[6] 冷毅飛.中俄石油管道多年凍土物理力學性質試驗研究及溫度場數值分析[D].吉林:吉林大學,2011.

On formation of diseases on roadbed in many-year frozen soil areas in Heilongjiang Province

Wang Rui1Yu Xiaokun1Wang Zhe2

(1.College of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China; 2.College of Civil Engineering and Architectural Engineering, Heilongjiang Engineering College, Harbin 150050, China)

Taking the road projects in frozen soil areas of Heilongjiang Province as the example, the paper analyzes the mechanism for the diseases including the longitudinal craze, roadbed melting and settlement, loose frozen of slopes, frost heave and ice mounds, so as to provide some theoretic reference for the maintenance of the roads in frozen soil areas in Heilongjiang Province.

frozen soil area, disease mechanism, embankment slope

1009-6825(2017)16-0148-02

2017-03-24

王 銳(1988- )，男，碩士，助理工程師; 于曉坤(1971- )，女，碩士，高級工程師; 王 者(1998- )，男，在讀本科生

U416.1

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