多年凍土區公路路基病害分析與處治措施研究

文 / 魏志遠

引言

凍土主要是指內部含有冰，且溫度在0℃以下的土巖，內部包含由冰夾層和膠結冰構成的塑性冰包裹體、液態水和薄膜狀結合水構成的未凍水、氣態成分，整體表現為多相非均勻顆粒結構，一般可以將凍土分為多年凍土和季節性凍土兩大類。多年凍土主要分布于中國、美國、俄羅斯、加拿大等區域。凍土面積占據了我國國土面積的30%以上，分布于青藏高原地區、大興安嶺等。隨著我國基礎建設的不斷擴增，凍土區資源的利用開發活動已經不斷加劇，如輸油管線、鐵路隧道、南水北調、青藏鐵路等工程。但是凍土結構的復雜地質特性對于我國的寒區經濟建設造成了極大的阻滯，其中路基病害是多年凍土公路中常見的形式，技術人員需要對多年凍土公路路基病害進行原因分析，制定針對性的處治措施，為將來的多年凍土區域基礎建設提供技術依據。

一、凍土工程地質特性

凍土工程地質主要具備以下三個特性：首先是凍脹融沉性。凍土結構具備熱脹冷縮的性質，凍土內部的水一旦發生結冰現象，就會造成凍土結構的膨脹；當凍土內部的水從固相轉變為液相時，凍土又會發生下沉。其次是凍土表現為熱穩定性，多年凍土熱穩定性重要指標是凍土土體溫度，一般采取年平均地溫進行表示。多年凍土的蓄冷量隨著年平均氣溫的降低而增大，繼而表現為較高的熱穩定性；多年凍土的蓄冷量隨著年平均氣溫的升高而降低，此時表現為較差的熱穩定性。凍土對于外界環境具備較高的敏感性。多年凍土結構中埋深較淺的高含冰量凍土往往發育較為完整，其對于外界氣溫的變化敏感性強，如果周圍氣溫增加，會對凍土造成熱侵蝕；植被退化、人為干擾等生態環境的破壞也會導致凍土過多的吸收太陽輻射而造成凍土地溫的變化，最終引起凍土的熱穩定性喪失。

二、多年凍土路基主要病害形式

多年凍土路基沉陷是常見的病害形式。多年凍土結構中存在的高含冰量凍土和厚層地下冰往往伴隨著天然上限附近的細粒土。考慮到這部分結構埋深較淺，極容易受到生態、水文地質條件、氣候、人為干擾等因素的影響發生融化，會造成天然上限下降，凍土結構在自重作用下產生融沉現象。公路建設中的路基開挖、路堤修筑等活動對凍土結構中的保護層會造成破壞，如果此時路基高度欠缺、排水設施不完善，就易造成路基沉陷。一些融區附近的多年凍土具備外界環境的高敏感性，路基不均勻變形在交界處極易發生，繼而影響凍區公路行車的安全和運營。相關數據研究資料表明，新疆高速公路沿線附近大面積出現了路基不均勻變形，局部路段的沉陷深度超過了30cm，當路基不均勻變形病害發展到一定程度時，便會表現為波浪病害。波浪病害和凍土特征之間具備較為明顯的關聯。圖1結果表明，多年凍土含冰量和地溫、波浪病害之間的關系基本上和多年凍土地溫和含冰量、路基沉陷病害之間的關系保持一致，這表明路基波浪的形成主要歸因于路基不均勻變形。值得注意的是，波浪變形并不一定只發生在寒區，公路施工中選取的路基填料質量欠缺也會造成路基在較大溫差變化下的凍脹融沉。

路基滑坡也常常出現在多年凍土區。公路路前的施工開挖會導致凍土暴露于空氣當中或埋深變淺，凍土內部的固相開始融化，強度快速下降，如果此時沒有額外的防護措施，便會造成公路路前的邊坡失穩、下滑。在一些具備較厚深度地下冰的凍土區域，公路路基的施工也會破壞既有的凍土熱力平衡現狀，引發熱融滑坍。這種現象主要發生于一些高度欠缺的低填方區域。除此之外，路基凍脹、翻漿等現象也經常出現。路基結構中的水分在低溫環境下結冰膨脹，造成路基的凍脹不均勻，引發路基變形開裂，隨著溫度升高，路基中的冰體出現融化，造成水分過多，且滲流困難時，路基則會在外力作用下造成坍滑、路面冒泥翻漿等災害。路基裂縫的產生則主要是在一些陰陽坡中凍土人為上限橫向失穩、路基溫度場不對稱，繼而引發不均勻沉降，此時路基路肩部位、表面等結構經常出現縱向裂縫，其寬度一般在10mm左右，長度可以達到幾十米，對路基整體穩定性具有較大威脅。

三、多年凍土地區公路路基病害影響因素

公路路基在多年凍土區的病害主要受外因、內因兩大因素影響。內因是年平均地溫較高區域內高含冰量凍土的存在，外因則是太陽輻射、氣候變化、人為干擾等活動導致凍土受到影響。內因導致的土體凍脹融沉主要與凍土內的溫度、應力、水分密切相關。凍土由氣體、未凍水、土顆粒、冰晶等多相材料構成，其力學特性具備多介質的綜合影響，在外界荷載作用下，其內部各組份分別承受不同荷載，隨著作用時間的不斷延長，凍土內部的應力隨著組分的變化而不斷發生重組，隨著夾層的解凍，凍土會發生融沉變形，而氣溫一旦下降，凍土結冰則會造成凍脹病害。

外因中的土基質松散特性也會影響土體凍脹強度。寒區多年凍土路基的土結構一般為粉質粘土、粉質土、砂質土，其中毛細水上升速度在粘性土等顆粒粒徑較小的土體中十分明顯，較高的毛細水上升水位會引發嚴重的凍脹危害。對于砂質土，因其毛細水現象較少，空隙率大等特點，極難形成凍土病害。水分在路基凍土病害發展中起重要推進作用。這主要歸因于水分在路基中隨時間不斷遷移，凍土區存在充分的水源是路基翻漿和凍脹的主要原因，路基內部含水量的提升即會造成地下水位不斷提升，繼而引發路基的病害。另外，凍脹和翻漿并不一定只在一定的凍結深度和冰凍之下才能夠發展，如果外界溫度足夠低，過高的冰凍速率也會造成凍脹、翻漿的形成。路面破壞形式是路基病害的主要表現，公路路面鋪裝對于路基破壞具有重要影響，一般路面黑色瀝青的施工在遇見較高的太陽輻射情況下，即會造成溫度驟升，路基會出現融化沉陷。在一些交通流量較大的區域，如果重車比例較大，路面翻漿病害則會愈加明顯。

四、多年凍土公路路基病害處治技術

對于多年凍土地區的公路路基病害防治技術主要有常見的高溫路基、保溫板路基、通風路基、熱棒路基、保溫護道等。不同的處治技術具有不同的應用特點，針對性的選擇合適的路基病害防治技術具有十分重要的社會現實意義。保溫隔熱層路基主要是在一定的路基施工高度下，采取新型工業特性的施工材料，有效避免環境熱量的向下倒入，擴大路基的熱阻的一種結構形式，該路基形式能夠延緩凍土過快的發生融沉，達到保護凍土的作用，公路施工中經常采取聚苯烯塑料泡沫板作為路基的填充材料，并且需要適當提升路基的修筑高度。

此外，通過優化路基內部、邊界的換熱對流情況來改善路基的穩定性也可以開展以下措施。首先是采取人工冷卻裝置-熱棒，利用儀器內部液氣相的循環來實現路基內部熱量的排出，最終達到路基的冷卻目的。在嚴寒季節可以將熱棒對空氣中的冷量進行采集，對多年凍土進行傳輸冷凍，提升穩定性；在熱季，環境溫度往往高于凍土溫度，此時利用熱棒的液氣平衡系統吸收環境熱量，保證過多熱量難以有效到達凍土內部，保證其結構完整性。路基結構的碎石通風化設置能夠充分發揮路基的透氣性，碎石路基內部存在著較大的孔隙結構，這加強了冷熱空氣之間的自由對流和熱量交換，以此實現凍土上限的熱平衡，也可以在路基內部隔一定的距離設置相應尺寸的圓管來構造通風管路堤，實現地基的冷卻。

改善公路界面反射率來降低太陽輻射的吸收，實現凍土地溫的保護，此時可以采取遮陽板來對路堤進行必要的遮擋。這能夠避免路堤堤身和路基直接面臨太陽輻射，達到凍土的保護。在遮陽板上一般涂刷一些高反射性的油漆，這樣能夠提升反射率。

結語

盡管我國對于多年凍土路基的研究已經相對豐富，但是如何更有效地進行凍土的防治仍就需要多方努力。在寒區多年凍土的處治上，技術人員需要充分結合當地工程地質特性，對周圍氣候環境、地質水文條件、人工干擾等多因素進行分析，繼而針對性提出優化措施，確保凍土寒區公路建設的穩定安全。