高原多年凍土區域的公路路基變形問題及控制

木沙·如孜

(新疆交通建設管理局項目執行二處，新疆 烏魯木齊 830000)

1 凍土的定義與特點

凍土指的是含有水分的較為松散的巖石與土體，當氣溫低于0 ℃時，路面的土體當中開始形成冰。冰的出現是路面土體出現凍結的關鍵標志，簡單來講含有冰的土是“凍土”，不含冰的土是“寒土”。由此，可以說凍土就是內部含有冰的巖土，在0 ℃以下環境中，其有著常見巖石的特性，自身的強度不亞于混凝土。未出現凍水的數量情況和巖土的礦物質數量、成分，以及凍土的溫度相關。同時存在水與冰情況，讓多年凍土有著獨特的性質。

路面土體出現凍結的標志就是土體內部的水凍結為冰的整個過程。土體內部孔隙當中水凍結時存在著的物理反應過程與化學反映過程。比如，土體中的水出現遷移，礦物質之間的水膠轉變成冰膠，水凍結體積出現膨脹等等。空氣、水、冰以及礦物質是凍土組成的基礎成分，詳細的說凍土的形成是由土體中的礦物質顆粒、空氣以及水蒸氣、土體中的冰夾層以及膠結冰、土體中的強結合水以及弱結合水四部分組成體系。這四項基礎成分決定著土體的物理化學性質、內在結構以及力學特質等。

2 公路路基的實地考察

2.1 路面情況調查

在進行多年凍土區域公路的實地考察當中，發現一段公路路面的變形及損壞程度非常明顯，這和公路路面自身的熱平衡有著一定關系。通過對比，可看出公路路基的表面出現有突起和沉陷的情況現象，公路路基的柔性面損傷程度要比剛性面更加嚴重，這說明凍土區域的凍融情況極大程度對柔性路面產生了影響。

2.2 鉆芯取樣

在實地現場，總共鉆取24個芯樣，在剛性公路路面上鉆取了四個。通過探究發現，大多公路的剛性路基并沒有形成了板體性，最大的原因是因為凍土區域的氣候條件導致公路的剛性基層出現了比較大的干縮情況或者溫縮情況。

2.3 彎沉情況

采用貝克曼梁方法來檢測凍土區域公路的彎沉狀況，然后運用國家規定標準汽車對公路路面展開測試。通過測試發現，公路路面中段彎沉問題要比兩側更加嚴重，與此同時，公路路面陽坡出現彎沉的深度要比陰坡更深。這說明公路路面出現彎沉主要因為車輛的荷載。

3 公路路基變形情況研究

3.1 凍土融沉的性質與特點

在公路路基的自重壓密影響和作用之下，凍土區域的公路路基段出現向外排水的情況，并且出現固結和下沉問題，此過程其實就是凍土自身的融沉性質。凍土融沉性質是致使凍土區域多年公路路基變形的關鍵因素，同時也是凍土區域公路建設工程當中十分顯著的特點。依據多年來對凍土區域的公路路面調查得知，不論何樣的路面土質，在其自由排水較為充足狀況之下，凍土的融沉指數與其含水量之間呈現正比關系；假如含水情況一樣時，粗粒土的融沉性最小，而粉質黏土的融沉性最強。在增加公路路面的荷載以及壓密的作用下，溶解之后凍土面積因為內部空隙間的水向外排出，從而出現了壓縮，在水殆盡前，凍土中夾層土體出現下沉的速度非常緩慢，且凍土公路路基的整體下沉速度也將非常緩慢。

3.2 凍土季節性的融化層凍脹特性

多年凍土區域在季節更迭當中將出現凍結膨脹的情況，此情況就是凍土土體自身的凍脹特性。此情況主要來自凍土土體當中的含水情況、土體的顆粒成分以及礦物成分、土體的凍結條件等。凍土土體的凍脹特性和其水量上升的情況之間呈現正比關系，和溫度情況之間呈現反比，凍土的溫度越低，其凍脹性就更高。因為凍土土體結構的疏密程度不同，所以其自身的凍脹程度就不一樣，凍土土體之間層的凍脹特性最明顯也最強，反之下層凍脹特性最弱。土體2/3以上的凍結程度稱之為強凍脹地帶。凍土土體自身的凍脹特性與自身的密度有著不可分割的關系，土體的密度越高，自身的凍結程度就隨之上升，但當土體自身的密度到達了1.68～1.8 g/cm的時候，土體的密度越高，凍脹程度反而下降。土體自身的凍脹特性和增加的荷載之間呈現反比情況，其隨著增加的荷載而降低。

3.3 公路路基的凍融過程

因為受之凍脹性、間隙中水份遷移以及路面融沉等多項原因影響，凍土區域的凍融時長會因此出現改變，此物理力學不斷影響和作用到凍土公路路面之上，致使公路路基自身的性能逐漸降低。多年凍土的公路依據變化可以劃分成四個時期，其一穩定的凍結時期、其二穩定的融化時期、其三不穩定的凍結時期、其四不穩定的融化時期。

公路路基就造型來分析其是線形的建筑物，因此依據平面的非穩態相變溫度場的相關方程式來展開分析，研究結果表明，其溫度場的出現伴隨著時間的改變而出現改變，并且是因為水量在各個層次的公路路基土體當中分布不平衡而導致的。新疆帕米爾地區公路建設施工多年之后的每月凍融分布圖。能夠看出，凍土公路路基的溫度場分布并不均勻。

4 多年凍土區域公路路基變形的控制策略

(1)環境氣溫的變化致使公路路基內部的溫度場出現改變，這是導致公路路基出現損害和變形的重要前提，因為公路線路走向影響，以及太陽輻射影響，公路路基有著陽坡和陰坡的不同，所以公路路基自身內部溫度的不均衡是導致公路路基溫度場不對稱的重要原因，且其不對稱問題導致多年凍土區域公路人為上限也呈現不對稱，最終使得公路路基出現損害和變形。

(2)從公路路基的溫度梯度當中能夠看到溫度梯度中通常在坡腳出現最大值，此表明坡腳對于溫度改變更加敏感，凍土區域公路路基在融化階段與凍結接單，路基的溫度場朝著Y方向出現改變，且由于深度不的逐漸加深，其溫度改變對公路路基的影響會隨之下降。

(3)經過上述分析能夠得出，不管是土體凍結的過程還是土體融化的過程，公路坡腳的溫度梯度數據較大，所以融化的深度也較大，公路坡腳的應力致使路基出現縱向的裂縫。不管是在熔化階段或是凍結階段，公路路基內部的應力和坡腳的應力數值差距比較大，應力之間的差距導致土體出現剪切力，最后致使坡腳出現裂縫。公路路基的縱向應力差異是導致公路路基裂開的關鍵原因。

(4)公路路基的損害變形發展規律和公路路基的溫度場緊密相關，應該根據各個地段的公路路基分析其自身的溫度場改變規律，進而運用有效的策略來把控公路路基的變形，起到提升路基穩定性的作用。

5 結 語

土體的物理特性、化學特性，以及調查地區地下水分布狀況、地區氣候等等都是影響土體出現凍脹的關鍵因素，要想有效控制凍土危害就要做到理論分析與實際調查相聯系，找到土體結構對于土體凍脹帶來影響的規律，然后進行總結，此對于未來進行多年凍土區域公路路基設計；對當前凍土區域公路養護、檢查；對凍土區域公路路基防凍策略以及設計理論等有著重要的指導意義和價值。