多年凍土區(qū)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(nèi)部含有冰，且溫度在0℃以下的土巖，內(nèi)部包含由冰夾層和膠結(jié)冰構(gòu)成的塑性冰包裹體、液態(tài)水和薄膜狀結(jié)合水構(gòu)成的未凍水、氣態(tài)成分，整體表現(xiàn)為多相非均勻顆粒結(jié)構(gòu)，一般可以將凍土分為多年凍土和季節(jié)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(qū)域。凍土面積占據(jù)了我國國土面積的30%以上，分布于青藏高原地區(qū)、大興安嶺等。隨著我國基礎(chǔ)建設的不斷擴增，凍土區(qū)資源的利用開發(fā)活動已經(jīng)不斷加劇，如輸油管線、鐵路隧道、南水北調(diào)、青藏鐵路等工程。但是凍土結(jié)構(gòu)的復雜地質(zhì)特性對于我國的寒區(qū)經(jīng)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(shù)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(qū)域基礎(chǔ)建設提供技術(shù)依據(jù)。

一、凍土工程地質(zhì)特性

凍土工程地質(zhì)主要具備以下三個特性：首先是凍脹融沉性。凍土結(jié)構(gòu)具備熱脹冷縮的性質(zhì)，凍土內(nèi)部的水一旦發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，就會造成凍土結(jié)構(gòu)的膨脹；當凍土內(nèi)部的水從固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合鄷r，凍土又會發(fā)生下沉。其次是凍土表現(xiàn)為熱穩(wěn)定性，多年凍土熱穩(wěn)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(xiàn)為較高的熱穩(wěn)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(xiàn)為較差的熱穩(wěn)定性。凍土對于外界環(huán)境具備較高的敏感性。多年凍土結(jié)構(gòu)中埋深較淺的高含冰量凍土往往發(fā)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(tài)環(huán)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(wěn)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(jié)構(gòu)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?？紤]到這部分結(jié)構(gòu)埋深較淺，極容易受到生態(tài)、水文地質(zhì)條件、氣候、人為干擾等因素的影響發(fā)生融化，會造成天然上限下降，凍土結(jié)構(gòu)在自重作用下產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。公路建設中的路基開挖、路堤修筑等活動對凍土結(jié)構(gòu)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(qū)附近的多年凍土具備外界環(huán)境的高敏感性，路基不均勻變形在交界處極易發(fā)生，繼而影響凍區(qū)公路行車的安全和運營。相關(guān)數(shù)據(jù)研究資料表明，新疆高速公路沿線附近大面積出現(xiàn)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(fā)展到一定程度時，便會表現(xiàn)為波浪病害。波浪病害和凍土特征之間具備較為明顯的關(guān)聯(lián)。圖1結(jié)果表明，多年凍土含冰量和地溫、波浪病害之間的關(guān)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(guān)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(fā)生在寒區(qū)，公路施工中選取的路基填料質(zhì)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(xiàn)在多年凍土區(qū)。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(nèi)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(wěn)、下滑。在一些具備較厚深度地下冰的凍土區(qū)域，公路路基的施工也會破壞既有的凍土熱力平衡現(xiàn)狀，引發(fā)熱融滑坍。這種現(xiàn)象主要發(fā)生于一些高度欠缺的低填方區(qū)域。除此之外，路基凍脹、翻漿等現(xiàn)象也經(jīng)常出現(xiàn)。路基結(jié)構(gòu)中的水分在低溫環(huán)境下結(jié)冰膨脹，造成路基的凍脹不均勻，引發(fā)路基變形開裂，隨著溫度升高，路基中的冰體出現(xiàn)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(chǎn)生則主要是在一些陰陽坡中凍土人為上限橫向失穩(wěn)、路基溫度場不對稱，繼而引發(fā)不均勻沉降，此時路基路肩部位、表面等結(jié)構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)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(wěn)定性具有較大威脅。

三、多年凍土地區(qū)公路路基病害影響因素

公路路基在多年凍土區(qū)的病害主要受外因、內(nèi)因兩大因素影響。內(nèi)因是年平均地溫較高區(qū)域內(nèi)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(nèi)因?qū)е碌耐馏w凍脹融沉主要與凍土內(nèi)的溫度、應力、水分密切相關(guān)。凍土由氣體、未凍水、土顆粒、冰晶等多相材料構(gòu)成，其力學特性具備多介質(zhì)的綜合影響，在外界荷載作用下，其內(nèi)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(nèi)部的應力隨著組分的變化而不斷發(fā)生重組，隨著夾層的解凍，凍土會發(fā)生融沉變形，而氣溫一旦下降，凍土結(jié)冰則會造成凍脹病害。

外因中的土基質(zhì)松散特性也會影響土體凍脹強度。寒區(qū)多年凍土路基的土結(jié)構(gòu)一般為粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)土、砂質(zhì)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(fā)嚴重的凍脹危害。對于砂質(zhì)土，因其毛細水現(xiàn)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(fā)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(qū)存在充分的水源是路基翻漿和凍脹的主要原因，路基內(nèi)部含水量的提升即會造成地下水位不斷提升，繼而引發(fā)路基的病害。另外，凍脹和翻漿并不一定只在一定的凍結(jié)深度和冰凍之下才能夠發(fā)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(xiàn)，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(xiàn)融化沉陷。在一些交通流量較大的區(qū)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(shù)

對于多年凍土地區(qū)的公路路基病害防治技術(shù)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(shù)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(shù)具有十分重要的社會現(xiàn)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(yè)特性的施工材料，有效避免環(huán)境熱量的向下倒入，擴大路基的熱阻的一種結(jié)構(gòu)形式，該路基形式能夠延緩凍土過快的發(fā)生融沉，達到保護凍土的作用，公路施工中經(jīng)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(yōu)化路基內(nèi)部、邊界的換熱對流情況來改善路基的穩(wěn)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(nèi)部液氣相的循環(huán)來實現(xiàn)路基內(nèi)部熱量的排出，最終達到路基的冷卻目的。在嚴寒季節(jié)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(wěn)定性；在熱季，環(huán)境溫度往往高于凍土溫度，此時利用熱棒的液氣平衡系統(tǒng)吸收環(huán)境熱量，保證過多熱量難以有效到達凍土內(nèi)部，保證其結(jié)構(gòu)完整性。路基結(jié)構(gòu)的碎石通風化設置能夠充分發(fā)揮路基的透氣性，碎石路基內(nèi)部存在著較大的孔隙結(jié)構(gòu)，這加強了冷熱空氣之間的自由對流和熱量交換，以此實現(xiàn)凍土上限的熱平衡，也可以在路基內(nèi)部隔一定的距離設置相應尺寸的圓管來構(gòu)造通風管路堤，實現(xiàn)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(xiàn)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(jié)語

盡管我國對于多年凍土路基的研究已經(jīng)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(qū)多年凍土的處治上，技術(shù)人員需要充分結(jié)合當?shù)毓こ痰刭|(zhì)特性，對周圍氣候環(huán)境、地質(zhì)水文條件、人工干擾等多因素進行分析，繼而針對性提出優(yōu)化措施，確保凍土寒區(qū)公路建設的穩(wěn)定安全。