冻土路基

冻土路基序言地球上冻土面积约3710万平方公里，占陆地面积的25%。我国多年冻土面积约251万平方公里，位居世界第三。公路是多年冻土开发与建设的先驱，解决多年冻土地区路基稳定性技术问题，对多年冻土区的开发与建设，确保多年冻土地区公路交通基础建设的顺利实施，加快中西部经济建设，推动中西部国民经济，有十分重要的意义。冻土类型冻土按其冻结状态时间的长短可分为多年冻土、季节冻土和瞬时冻土三类。冻结状态持续三年以上的冻土为多年冻土。每年冬季冻结，夏季全部融化，冻结状态持续时间大于一个月，每年周期性冻结的冻土为季节性冻土。瞬时冻土是指冬季冻结状态仅持续几个小时至数日的冻土，其冻结深度为数厘米至数毫米。其他病害路基沉陷翻浆冰锥、冻胀丘冻胀冻土路基病害类型道路冻胀所谓的道路冻胀，主要是冬季在路基土中沿着温度的降低方向生成了冰晶体形状的霜柱，使路面产生隆起的一种现象。隧道侧墙的破坏主要由于土中霜柱的作用使土体沿冷却方向的横向产生冻胀，从而使隧道的侧壁，向冷空气侵入的隧道中心轴方向推移，因而沿着侧墙部分的水平方向产生了作用力。坡面上的冻胀作用是沿着垂直方向发生的。冻胀作用使道路产生的破坏状态在中央部分冻胀量最大，因而沿路面中心线的纵断方向上产生纵向裂缝。这种冻胀破坏与冬季期间道路除雪情况以及路面施工接缝情况有密切关系。施工时在路面中心如果有接缝，则接缝处水平方向的抗拉强度比路面其他部分要小。防止道路冻胀的方法道路的冻害防止措施，当前主要采用置换法、隔温法及稳定土的处治方法等。一般情况下，所采取的措施从经济性、施工方便及可靠性方面考虑，主要采取非冻胀敏感的粒状材料置换冬季期间最大冻结深度约70%范围的置换法。但是，由于材质良好的置换材料造价较高，因而采用了隔温法等一些特殊的防止措施。隔温法为了防止道路的冻胀破坏，在采用隔温材料时，要选择传导率小的材料，才能有好的隔温性能。材料的隔温性能要持久，承载能力要高，耐水性好，并且应该经济廉价。比如聚苯乙烯薄板。在道路路面中采用的隔温法，目的主要是控制冻结作用侵入到冻胀性路基土的深度。采用这种方法，要非常注意在隔温层上垫层的施工工艺问题。避免垫层材料和在机械压实过程中，对隔温材料造成破坏。关于寒冷地区，对道路路面防冻的调查研究，在此仅提出一点浅见，道路冻胀对我国北方的公路已经造成了一定的影响。因此，我们应该对道路冻胀进行深入的研究，提高其抗冻胀性能，延长公路的使用寿命和年限。冰锥涎流冰又叫冰锥，是地下水溢出地表而形成的冰体。涎流冰多形成于山前坡地，由于公路从山前穿过，阻挡了地下水的流通，随着水头压力的增加，在地表的薄弱处将溢出水流。在寒冷气候条件下，溢出的水冻结成冰，即为涎流冰。涎流冰多为冻结层上水冻结所致，绝大部分都是季节性的。在寒季形成，在暖季消融。涎流冰多是由于地下水通道受到公路工程的影响所致。因此，如果在修建公路的同时，没有在可能出现地下水径流的位置设置好排水通道，往往会在公路的上坡侧形成涎流冰。当涎流冰的规模较大时，涎流冰可能会漫到公路路面，严重影响行车；即使涎流冰的规模不大，也会由于冻融变化，对公路路基的稳定性构成威胁。冰锥的形成对道路的危害(1)冬季冰体上路，阻碍交通，威胁交通全；(2)冬季冰锥形成过程中产生的冻胀现象会对护面墙、涵洞翼墙等附属构筑物产生破坏；(3)春季冰体融化的过程中在护面墙上留下剥蚀的痕迹，同时路面上的冰体融化会浸泡路基、产生严重的翻浆病害，破坏路面和路基结构．防治原则及方法(1)以防为主，治理为辅、加强养护相结合．(2)选线时尽量绕避冰锥易发地带．道路通过寒区时，勘察设计阶段应进行冬季野外调研和线路历史的冰锥资料．(3)防治措施选择应符合环保要求，避免引发地质灾害，减少对环境影响。(4)对自然条件下形成的冰锥建议将采用提高路基、加深上边坡边沟、加大桥涵静空的方法处理．(5)路基工程宁填勿挖，避免因施工挖方切断地下含水层形成涎流冰．对小型堑坡冰锥，建议采用适当超挖边坡的方法处理(不违背环保要求的前提下)．(6)对潜水涎流冰，由于它一般是大面积渗水，不像泉水涎流冰那么集中，并且随每年气温的变化、最初冻结时间的迟早、潜水量的大小，在一定范围内变换位置出现，在干旱或夏季勘测时不易发现，在秋末降水较多的年份应该加强冬季的养护巡视．(7)采取保温、隔水方法处理冰锥时，尽可选择性能好，施工方便的材料，可减少对环境的影响．冻胀丘与涎流冰类似，冻胀丘也是在承压水的作用下形成的。当地下径流的通道因某种原因（地下水出口冻结或者是新修建筑物）被阻挡以后，如果地表土层已经发生冻结或者表土层较厚，地下水无法溢出地表，将在地下发生冻结。在外来水源的补给作用下，地下冰体不断增厚，当地下空间被冰体充满后，地表将在冻胀作用下向上隆起，形成冻胀丘。冻胀丘按其存在的时间分为季节性冻胀丘和多年生冻胀丘。危害冻胀丘对公路的危害体现在它的聚水作用。对于季节性冻胀丘，暖季的融水会危及路基的稳定；对于多年生冻胀丘，由于冻胀丘年复一年的增长，表土所承受的拉应力越来越大，冻胀丘将开裂，水流溢出侵蚀路基。在青藏公路多年冻土段，甚至还曾经发生过冻胀丘爆炸，地下水喷涌而出的例子。在有些情况下，冻胀丘甚至可能就发生在路基的下部，直接危害路基的稳定和行车安全。青海省某公路的冻胀丘翻浆路基水分条件是引起路面冻胀和翻浆的决定性因素。当路基土中含水量超过起始冻胀含水量时，路面便会有不均匀冻胀发生，特别是当地下水位较高时，由于地下水位的补给将使路基产生更大的不均匀冻胀。路基土冻结后，由于水分迁移和聚冰作用，使土体含水量显著增大，春季融化时往往处于饱和状态，这时土颗粒间水膜厚度增大，土颗粒间的摩阻力消失，土壤的强度指标显著降低，造成道路翻浆。翻浆分类(1)地下水类翻浆(2)地表水类翻浆(3)土体水类翻浆(4)气态水类翻浆翻浆的防治1做好路基排水良好的路基排水可防止地面水或地下水侵入路基，使土基保持干燥，减少冻结过程中水分聚流的来源。路基范围内的地面水、地下水都应通过顺畅的途径迅速引离路基，以防水分停滞浸湿路基。为此，应重视排水沟渠的设计，注意沟渠排水纵坡和出水口的设计，在一个路段内重视排水系统的设计，使排水沟渠与桥涵组成一个完整的通畅排水系统。2提高路基填土高度提高路基填土高度是一种简便易行、效果显著且比较经济的常用措施是提高路基、路面强度和稳定性，减薄路面，降低造价的重要途径。同时也提高了路基填土高度，增大路基边缘至地下水或地面水位间的距离，从而减小了冻结过程中水向路基上部迁移的数量，使冻胀减弱，翻浆的程度和可能性变小。路线通过农田地区，为了少占农田，应与路面设计综合考虑，以确定合理的填土高度。在潮湿的重冻区内的粉性土地段，不能单靠提高路基填土高度来保证路基路面的稳定性，要和其他措施，如砂垫层、石灰土基层等配合使3设置隔离层隔离层设在路基中一定深度处，其目的在于防止水分进入路基上部，从而保持土基干燥，起防治冻胀与翻浆的作用。隔离层包括透水性隔离层、不透水隔离层。4换土采用水稳定好，冰冻稳定性好，强度高的粗颗粒土换填路基上部，可以提高土基的强度和稳定性。5注意路槽排水在冻胀与翻浆严重地段，应注意做好路槽排水，通常采用砂垫层和横向盲沟等措施。6加强路面结构在冻胀和翻浆地段，常使用整体性好的石灰土、煤渣、石灰土、水泥稳定砂砾等半刚性结层，以加强路面结构。冻胀与翻浆的关系冻胀与翻浆是统一过程的两个阶段。都是在夏、秋季地面水下渗或地下水位升高的基础上，在冬季负气温的作用下，发生水分迁移，使路基上层水分增多，并冻结成冰而形成。冻胀发生在冬季，是路基上层显著聚冰的直接反映；翻浆虽发生在春季，也是在冬季路基上层聚冰的基础上，化冻时土基水分过多，强度急剧下降，并经行车作用而形成。冻胀与翻浆具有一致性的同时又有差异性。一般情况下，冻胀大的路段，土基聚冰多，春融期水分多，容易翻浆或翻浆较重；反之，冻胀小或不冻胀的路段，土基聚冰少，春融期水分少，不易翻浆或不翻浆，这是冻胀与翻浆的一致性。但在有些情况下，冻胀大的路段并不翻浆，这可能是由于聚冰层位于土基下部或路面较厚等的缘故；而有时冻胀小或不冻胀的路段反而翻浆，其原因可能是聚冰层虽薄但位于土基上部、聚冰下挤没有表现为冻胀、路面过薄或结构不合理等，这是冻胀与翻浆的差异性。路基沉陷路基热融沉陷病害是多年冻土地区最主要的病害类型，是多年冻土地区和季节冻土区、非冻土地区公路病害最根本的差别。路基纵向的不均匀沉陷可以产生波浪病害，而横向的不均匀沉陷又可以诱发路基纵向裂缝。在高含冰量的多年冻土区，尤其是在采用沥青路面的路段，往往由于冻土保护措施不够，路基下的多年冻土发生融化，最终导致路面波浪病害；在阴阳坡差异显著的多年冻土路段，同样由于路基两侧下部冻土的不均匀融化，结果导致路基内部和路面出现纵向裂缝。路基沉陷的特点多年冻土地区的路基沉陷病害几乎全部发生在高含冰量路段，采用沥青路面公路的沉陷病害要比浅色混凝土或者砂砾路面公路的沉陷病害严重。除了多年冻土的含冰量对公路沉陷病害有决定作用以外，多年冻土的年平均地温也对路基沉陷变形量有重要影响。在不稳定和极不稳定多年冻土区，公路沉陷病害的发生率要大大高于基本稳定和稳定带。另外，多年冻土地区的路基沉陷病害在每年的10月份，即冻土达到最大融化深度时，沉陷病害最严重。随着寒季的到来，活动层回冻，基土冻胀，路基沉陷变形减小。因此，多年冻土地区的路基沉陷变形具有年度周期变化的特点。波浪多年冻土区公路纵向裂缝病害根据对青藏公路路基纵向裂缝病害的分析，此种类型病害与多年冻土的路基高度和道路走向具有较好关系。在多年冻土地区，随着路基高度的增加，路基纵向裂缝病害率不断增加，当路基高度大于3m以后，纵向裂缝病害率高达36.62%，而低于1m以下的低路基无一例纵向裂缝病害发生。裂缝产生原因对发生纵向裂缝病害路段走向的分析，则是从路基左右边坡所接受的太阳辐射差异角度进行的。由于公路的走向不同，路基左右边坡接受的辐射量不同。考虑到辐射与地表温度、下伏多年冻土温度变化之间的正相关关系，左右坡面接受到的辐射差异越大，左右边坡下的冻土地温差异也就越大，阴阳坡现象也就越明显。接受辐射量大的坡面，其下伏冻土的温度要高于阴坡下的冻土温度。阳坡下的冻土由于较早开始融化，产生融沉和融化压缩变形，而此时阴坡冻土还可能没有融化或者融化较少，因此路基的阳坡以及阳坡侧的路肩和路面的沉陷变形量要大于阴坡的沉陷变形量，下伏冻土的横向不均匀变形传递到路基后，导致了路基路面的不均匀变形，从而诱发路基产生纵向裂缝。纵向长宽裂缝整治措施根据青藏公路裂缝治理，总结出以下方法：(1)恢复路基两侧冻土环境;(2)采用路基阳面设置热棒、遮阳板和碎石坡面及增设防水保温护道等等人工制冷措施治理路基向裂缝;(3)依路基现状和路基路面整体强度状况对路高度作适当调整;(4)加强排水与防护工程;(5)加强施工质量管理。其他病害融沉，也称融化下层，指土中过剩冰融化所产生的水排出以及土体的融化固结引起的局部地面的向下运动，是自然(如气候转暖)或人为因素(如砍伐与焚烧树木、房屋采暖)改变了地面的温度状况，引起季节融化深度加大，使地下冰或多年冻土层发生局部融化所致。在多年冻土上限附近的细粒土和有一定量细粒土充填的粗粒土中往往存在厚层地下冰，由于其埋藏浅，所以很容易受各种人为活动的影响而融化。由厚层地下冰融化而产生的融沉是引起多年冻土区路基变形和破坏的主要原因。多年冻土地区公路病害防治的目从根本上来说就是消除多年冻土地区的路基沉陷、路面波浪和纵向裂缝等典型病害，减轻或者消除多年冻土地区公路病害给公路行车安全带来的诸多隐患，提高多年冻土地区的公路运输能力。防治原则（1）要重视公路沿线多年冻土勘察，提高冻土勘察的质量，正确、详细地划分沿线多年冻土的地温分区、含冰类型、冻土上限等关键指标，采用合理的冻土路基设计原则；（2）多年冻土区路基设计尽量遵循“宁填勿挖”的原则，尽可能减少对多年冻土环境的扰动；（3）对于三级和三级以下多年冻土区的公路而言，优先考虑砂