黑龍江省多年凍土區(qū)路基病害形成機(jī)理

王 銳 于曉坤 王 者

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

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黑龍江省多年凍土區(qū)路基病害形成機(jī)理

王 銳1于曉坤1王 者2

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

以黑龍江省凍土區(qū)公路工程為例，對(duì)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(jìn)行了機(jī)理分析，旨在為黑龍江省多年凍土地區(qū)道路的養(yǎng)護(hù)與維修提供理論參考。

凍土地區(qū)，病害機(jī)理，路堤邊坡

黑龍江省北部是我國最寒冷的地區(qū)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(xù)形式分布。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和中俄貿(mào)易的增加，黑龍江省地區(qū)公路建設(shè)里程也隨之增長。與此同時(shí)，大量公路也相繼進(jìn)入養(yǎng)護(hù)與維修階段，其養(yǎng)護(hù)與維修工作被提升到非常重要地位。在凍土地區(qū)修筑道路工程，上覆路基改變了原有多年凍土的熱力學(xué)平衡，多年凍土開始?jí)嚎s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?jí)嚎s，導(dǎo)致多年凍土區(qū)路基的不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)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(duì)凍土路基強(qiáng)度、穩(wěn)定性帶來嚴(yán)重的影響。這些病害不僅會(huì)破壞道路結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，還會(huì)對(duì)行車安全產(chǎn)生一定的影響?；诖?，針對(duì)凍土區(qū)路基常見的道路病害進(jìn)行機(jī)理分析，為黑龍江省多年凍土地區(qū)道路的養(yǎng)護(hù)與維修提供理論參考。

1 縱向裂縫機(jī)理分析

在多年凍土區(qū)修筑公路，凍土不可避免的會(huì)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(shí)度較大，導(dǎo)熱性能強(qiáng)，熱量會(huì)沿土層較薄的路基坡腳方向向下、向里傳導(dǎo)，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(xué)性質(zhì)，凍土開始融化壓縮，其強(qiáng)度明顯降低，邊坡穩(wěn)定性下降；隨著熱量的傳遞，邊坡處熱量不斷向路基中心擴(kuò)散，隨著時(shí)間的推移，在其上土壓力的作用下，被擠壓產(chǎn)生較大的形變，且路基兩側(cè)下陷深度大于路中部位，導(dǎo)致路基在邊緣處被拉裂，導(dǎo)致縱向開裂病害的發(fā)生。

2 路基融沉機(jī)理分析

路基融沉也是凍土地區(qū)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(shì)，同時(shí)在工程施工過程中，人為的使外部熱量進(jìn)入地基，影響多年凍土的熱平衡，使得多年凍土開始融化，導(dǎo)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(xué)性質(zhì)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(chǎn)生壓縮變形，路基整體失去穩(wěn)定性，路基產(chǎn)生融沉現(xiàn)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(shí)，凍土區(qū)路基融沉病害尤其的明顯。同時(shí)在施工過程中，由于路基填土不均勻也是導(dǎo)致融沉病害的主要原因之一。路基融沉病害會(huì)導(dǎo)致路面的不平整，不僅導(dǎo)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(jī)理分析

在黑龍江大小興安嶺丘陵地區(qū)或山前緩坡地段，通常地下有發(fā)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(yán)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(xì)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(qiáng)度與穩(wěn)定性；同時(shí)在外界大氣溫度大幅度升降的影響下，其遭受的凍融循環(huán)破壞較為嚴(yán)重，在反復(fù)凍融作用下，最終使路基產(chǎn)生了邊坡凍融疏松破壞，致使路基邊坡產(chǎn)生滑塌失穩(wěn)破壞。

4 凍脹機(jī)理分析

土中水凍結(jié)時(shí)相變成冰，體積增大9%，當(dāng)土中水體積膨脹足以引起土顆粒之間相對(duì)位移時(shí)就形成土的體積膨脹，稱為土的凍脹[3]。夏季，由于路基改變?cè)卸嗄陜鐾恋臒崃W(xué)狀態(tài)，凍土上限處的凍土開始融化，產(chǎn)生融化夾層。融化夾層下部是凍土，是一個(gè)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(tài)。冬季，隨著氣溫的降低，自由水開始凍結(jié)，同時(shí)在毛細(xì)孔隙存在的條件下，自由水開始向凍結(jié)區(qū)遷移集聚，當(dāng)?shù)鼗馏w因凍脹而產(chǎn)生的凍脹力大于上部土體自重時(shí)，多年凍土路基在地基凍脹力的作用下而隆起，由于地質(zhì)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(fā)生不均勻凍脹，進(jìn)而導(dǎo)致路基變形開裂等病害。

5 冰丘機(jī)理分析

在多年凍土區(qū)修建公路，由于道路設(shè)計(jì)與地質(zhì)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(shì)必會(huì)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(yán)重影響路基運(yùn)營期間的穩(wěn)定性。主要表現(xiàn)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(tài)，降低路基的強(qiáng)度，影響路基的穩(wěn)定性。而進(jìn)入冬季，隨著大氣溫度的不斷降低，自由水開始凍結(jié)，由于路基土體處于中濕和過濕狀態(tài)，路基將產(chǎn)生不均勻凍脹；同時(shí)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(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國公路里程逐漸增加，大量公路也相繼進(jìn)入養(yǎng)護(hù)與維修階段，其養(yǎng)護(hù)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(qū)之一，地下形成多年凍土，在多年凍土地區(qū)修筑公路，勢(shì)必會(huì)改變?cè)袃鐾翢崞胶鉅顟B(tài)，導(dǎo)致各種道路病害發(fā)生?；诖?，針對(duì)多年凍土區(qū)路基運(yùn)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(jìn)行機(jī)理分析，旨在為黑龍江省多年凍土地區(qū)道路的養(yǎng)護(hù)與維修提供理論參考。

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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(jí)工程師; 王 者(1998- )，男，在讀本科生

U416.1

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