探討凍土地區(qū)路基病害治理技術(shù)

嚴(yán) 峻

（貴州路橋集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550001）

0 引言

受周期性凍融影響，高原公路建設(shè)難度大，后期翻漿、熱熔垮塌病害集中，嚴(yán)重影響公路路基和路面穩(wěn)定性，且極易引發(fā)行車安全隱患[1]?；诟咴瓋鐾镣翆訉?duì)高原公路的重要影響，以及高原公路對(duì)高原居民出行的重要性，該文結(jié)合高原凍土土層特征，對(duì)高原公路建設(shè)的幾種典型病害展開研究，以期找出更具針對(duì)性和實(shí)踐性的病害預(yù)防和治理措施。

1 高原公路凍土特征及分類

1.1 高原公路凍土特征

高原凍土土層是在高原高寒地區(qū)特有的一種地質(zhì)類型，地下冰層分布廣泛[2]。受周期性氣候變化影響，地下冰層周期性凍融，使凍土土層力學(xué)性能呈現(xiàn)出周期性變化，凍融臨界凍土土層流變和壓縮特征明顯。

穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，凍土土層結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能穩(wěn)定，基本不會(huì)成為致災(zāi)主體。當(dāng)凍土土層發(fā)生水熱交換時(shí)，地下冰層出現(xiàn)熱熔作用，凍土土層穩(wěn)態(tài)狀態(tài)發(fā)生破壞，引起土層結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的急劇變化，導(dǎo)致大規(guī)模的凍融侵蝕病害，成為致災(zāi)主體。

1.2 高原公路凍土分類

受高原地區(qū)氣候和地理環(huán)境影響，地下冰層廣泛分布在各型地貌和土層結(jié)構(gòu)中，成為大面積連續(xù)分布的凍土層[3]。根據(jù)凍土土層分布特點(diǎn)，可將高原公路凍土分為以下三類：

（1）大面積連續(xù)分布的多年凍土。高原地區(qū)氣候寒冷，地下冰層深度多達(dá)5 m 以上，且分布廣泛，形成大面積連續(xù)分布的凍土土層；建筑物或構(gòu)筑物地基、公路路基等，隨地下冰層周期性凍融，常出現(xiàn)凍脹、融沉、變形、翻漿等病害。

（2）島狀離散分布凍土。主要分布在4 600～4 800 m海拔的高原區(qū)域，受氣候和地形地貌影響，凍土土層深度分布范圍變化較大。

（3）季節(jié)性凍土。地下凍土土層厚度多在2.0～3.5 m左右，凍土土層隨季節(jié)更替，存在明顯的周期性凍融，基本無(wú)多年凍土，少部分復(fù)雜地形地貌地區(qū)存在河岸坍塌、沼澤化濕地等不良地質(zhì)，多數(shù)區(qū)域工程地質(zhì)條件良好。

2 高原公路凍土病害的影響

凍土病害對(duì)高原公路建設(shè)與后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)均會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，結(jié)合以往的工程實(shí)踐和相關(guān)文獻(xiàn)資料，凍土病害可造成道路翻漿、熱熔坍塌、融凍泥流等多種病害現(xiàn)象[4]。

2.1 道路翻漿

道路翻漿是高原公路常見的病害類型之一，多分布于地表水與地下水流通不暢的碎石細(xì)粒土堆積的山前和山澗低洼地帶。凍土土層融化期，因地表與地下水流通不暢，土層中的細(xì)粒土處于充水飽和或過(guò)飽和狀態(tài)，土層承載能力下降，在車流荷載反復(fù)作用下，公路路基土層變得松軟，路基土被擠出路面，引起高原公路翻漿病害。

2.2 熱融滑塌

熱熔滑塌是高原山地丘陵和緩坡地帶常見的地質(zhì)病害，由于山地丘陵邊坡或者緩坡地帶的土層含冰量較大，受氣候變暖或施工熱源影響，凍土層不均勻融化，出現(xiàn)熱熔垮塌病害，主要表現(xiàn)為坍塌沉陷和牽引滑動(dòng)兩種病害現(xiàn)象：

（1）坍塌沉陷多發(fā)于巖性單一且地勢(shì)較為平緩的地形帶，一般地表坡度范圍約在3°～8°，病害發(fā)展緩慢。

（2）牽引滑動(dòng)多發(fā)于地下冰層厚度較大，且分布廣泛的山地丘陵邊坡或緩坡地帶，一般地表坡度范圍約在6°～16°，自然發(fā)生情況較少。

2.3 融凍泥流

根據(jù)融凍泥流的分布深度不同，可劃分為表層泥流和深層泥流兩種類型：

（1）表層泥流多分布于周期性凍融帶，以帶狀或島狀分布在融化層上部，一般多小規(guī)模分布，泥流流動(dòng)速度較快。

（2）深層泥流多分布于排水不暢，坡度小于10°的緩坡地帶，地下凍土土層分布較深，分布范圍較大；每到暖季來(lái)臨，表層凍土土層融化，深層凍土土層仍然處于凍結(jié)狀態(tài)，形成滑動(dòng)面，導(dǎo)致深層泥流現(xiàn)象。

2.4 縱向裂縫

縱向裂縫是與行車方向基本平行，并伴有少量支縫的長(zhǎng)直裂縫，寬為幾厘米至幾十厘米，長(zhǎng)度從幾米到幾十米不等，多發(fā)生在距路邊緣3～5 m 的行車道內(nèi)、緊急停車帶或路肩部位。75%以上的縱向裂縫發(fā)生在路基高度大于2.5 m 的路段，且陽(yáng)坡路段多于陰坡路段。

2.5 路基不均勻變形

根據(jù)橫向、縱向不均勻變形產(chǎn)生成因不同，可分為以下類型：

（1）因高原公路路線走向變化，不同路段受太陽(yáng)光照差異影響，產(chǎn)生光照差異明顯的陰陽(yáng)坡；陽(yáng)坡面光照條件較好，溫度相對(duì)較高，凍土土層融化深度較深；陰坡面光照條件較差，溫度相對(duì)較低，土層融化深度較淺，陰陽(yáng)坡土層凍融狀態(tài)不對(duì)稱，導(dǎo)致橫向不均勻變形[5]。

（2）受周期性凍融影響，凍結(jié)期3 個(gè)月時(shí)間內(nèi)，凍土土層水分結(jié)冰膨脹，路基出現(xiàn)凍脹變形；在融化期9個(gè)月時(shí)間內(nèi)，凍土土層融化，力學(xué)性能和承載力減弱，路基受車輛和自身荷載作用，發(fā)生不均勻沉降變形，引發(fā)路基橫向變形。

（3）因地形和地質(zhì)條件不同，路基開挖回填高度存在差異，引起填土強(qiáng)度差異，使不同路段路基承載能力不同，在車輛荷載作用下，導(dǎo)致路基出現(xiàn)縱向不均勻形變。

（4）路基兩側(cè)坡腳位置，因排水不暢造成坡腳積水，積水向地表以下滲透，造成路基承載力下降，同時(shí)會(huì)與地表下土層或冰層產(chǎn)生水熱傳遞效應(yīng)，進(jìn)一步影響凍土土層路基穩(wěn)定性，導(dǎo)致路基出現(xiàn)縱向不均勻變形。

2.6 邊坡疏松

邊坡疏松是高原公路路基的一種典型病害形式，主要表現(xiàn)為邊坡土體松散，降雨過(guò)后，邊坡上會(huì)有小型的沖溝。邊坡疏松將導(dǎo)致邊坡局部垮塌、路基寬度變窄等破壞。

3 凍土病害的防治

根據(jù)以往高原公路凍土病害防治施工實(shí)踐，針對(duì)不同類型的凍土，應(yīng)采取不同的凍土病害預(yù)防和處治措施。結(jié)合高原地區(qū)氣候和季節(jié)特點(diǎn)，最佳施工時(shí)間為每年的4—10 月。

3.1 保護(hù)多年凍土

針對(duì)連續(xù)分布，且融化層深度分布較淺的凍土土層，應(yīng)通過(guò)抬高路基高度的方法，保護(hù)多年凍土土層，削弱施工熱源、氣候周期變暖對(duì)多年凍土涂層影響，治理措施如下：

（1）在多年凍土土層上，增設(shè)保溫效果優(yōu)異的黏土層，然后再鋪筑砂墊層，使多年凍土土層保持穩(wěn)定；針對(duì)翻漿病害集中路段，應(yīng)將周期性凍融層挖除，再填筑砂礫填層，改善路基透水性，減少周期性凍融對(duì)路基的不良影響。

（2）永凍區(qū)路段，應(yīng)根據(jù)路段所處凍土土層分布厚度、土層土質(zhì)構(gòu)成、水文環(huán)境和降水等因素，采用最小填土高度、臨界高度法，合理確定填土高度，確保路基頂面長(zhǎng)期保持干燥狀態(tài)，減少降水、周期性凍融對(duì)路基的不利影響。

（3）加密綜合排水工程，由于水的比熱容較大、導(dǎo)熱性能較強(qiáng)，因此，針對(duì)路邊積水這一“熱源”，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的防護(hù)措施，在邊溝、截水溝等易積水位置，設(shè)置加密排水設(shè)施，隔絕降水、融水等水害的“熱源”效應(yīng)，減少融沉現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時(shí)提高排水設(shè)施的排水效果，避免路基邊溝、坡腳等位置積水。

（4）在周期性凍融區(qū)，為減少凍土層周期性凍融對(duì)路基的不良影響，可在路基合適位置，鋪設(shè)土工布、涂膜編織袋等隔水密封材料，避免冬季地下水升至路基頂部造成凍脹和融化，影響路基穩(wěn)定性和整體性。

3.2 熱融滑塌防治

高原公路滑坡病害治理，應(yīng)以預(yù)防為主，采取防治結(jié)合的治理措施。對(duì)已發(fā)生滑坡病害的路段進(jìn)行治理時(shí)，應(yīng)遵循一次根治，不留后患的治理原則，預(yù)防和治理措施如下：

（1）增強(qiáng)滑坡抗滑力，根據(jù)滑坡坡度、土層土體結(jié)構(gòu)等因素，綜合采用壓腳、擋墻、抗滑樁、錨索等加固措施。

（2）通過(guò)削坡、減載等方法，降低滑坡自重、載荷，減小滑坡下滑力。

（3）設(shè)置完善的排水設(shè)施，避免邊坡、邊溝等部位積水，減少降水、積水等對(duì)路基的侵蝕和周期性凍融帶路基的不良影響[6]。

3.3 融凍泥流防治

高原公路是泥流病害的高發(fā)地區(qū)，為保障道路行車安全和道路交通能力，應(yīng)采取有效的融凍泥流預(yù)防和治理措施：

（1）在泥流和泥石流病害高發(fā)區(qū)域，通過(guò)適當(dāng)提高路段高程，繞過(guò)山脊區(qū)域，或者在泥石流地段，合理布置穿越線路，使線路橫向通過(guò)病害高發(fā)地段，減輕泥流病害對(duì)道路的不良影響。

（2）在溶洞泥流高發(fā)區(qū)域，根據(jù)地形地貌特點(diǎn)，合理采用橋梁跨越或隧道穿越等方案。

（3）根據(jù)路段所處地質(zhì)條件，合理預(yù)測(cè)泥流病害發(fā)生概率、位置和規(guī)模，合理設(shè)置排泄、調(diào)治和攔蓄設(shè)施，達(dá)到減小病害規(guī)模，降低病害發(fā)生概率，起到引流、攔截的作用。

3.4 路基縱向裂縫的處治措施

針對(duì)路基縱向裂縫發(fā)育嚴(yán)重處，提出柔性枕梁結(jié)合凸榫式土工膜袋綜合處治縱向裂縫的措施，如圖1 所示。

圖1 柔性枕梁結(jié)合凸榫式土工膜袋綜合處治縱向裂縫（單位：cm）

（1）柔性枕梁既有在平面上抗拉強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，又有在豎直方向上抗折性能好等特點(diǎn)，能起到橋聯(lián)裂縫的作用。

（2）采用凸榫式土工膜袋來(lái)加強(qiáng)抗裂效果，利用高壓注漿機(jī)把適當(dāng)配比的水泥漿灌入多孔的土工膜袋中，使得在膜袋袋孔附近形成凸榫結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)與土體之間的摩阻力，防止縱向裂縫擴(kuò)張。

3.5 防治凍土路基變形的熱棒技術(shù)

熱棒技術(shù)作為一種高原公路路基變形治理的重要手段，通過(guò)液體的氣液相變效應(yīng)，可有效降低路基溫度，防止凍土土層退化[7]，其工藝原理和主要作用如下：

（1）工藝原理：熱棒技術(shù)原理圖如圖2，熱棒的本質(zhì)是由一根密封金屬管和熱敏工質(zhì)制作而成的一種散熱元件，下部為蒸發(fā)段，其中的液體工質(zhì)，受熱氣化上升，升至上部冷凝段時(shí)，與溫度較低的管壁接觸，蒸汽熱量被管壁吸收，并重新液化，在重力作用下重新回流至蒸發(fā)段，上部蒸發(fā)段有散熱葉片，使溫度始終保持在較低狀態(tài)；如此循環(huán)往復(fù)，不斷帶走土層中的熱量，防止多年凍土土層融化失穩(wěn)，提高路基穩(wěn)固性。

圖2 熱棒工作原理示意圖

（2）凍土區(qū)熱棒作用主要有3 點(diǎn)：

1）降低凍土土層溫度，防止凍土土層融化；

2）提高凍土土層凍結(jié)強(qiáng)度，保證凍土土層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高土層承載能力；

3）降低基礎(chǔ)凍脹作用，增強(qiáng)樁基抗凍脹穩(wěn)定性。

3.6 邊坡疏松處治技術(shù)

特殊的氣候條件致使大氣降水的滲入、溫度周期變化產(chǎn)生的凍結(jié)與融化致使邊坡疏松嚴(yán)重。隨著邊坡部分土體強(qiáng)度下降，瞬時(shí)強(qiáng)降雨后，坡面上會(huì)形成沖溝，當(dāng)車輛荷載作用時(shí)就容易發(fā)生滑塌現(xiàn)象。鑒于此，采用在邊坡挖除重填過(guò)程中拌入土壤固化劑進(jìn)行回填的處治措施。

4 結(jié)論

該文結(jié)合高原公路凍土類型，研究了不同凍土類型下的高原凍土病害對(duì)道路的影響，探討了針對(duì)高原公路凍土病害的預(yù)防和治理措施，結(jié)論如下：

（1）可采用柔性枕梁結(jié)合凸榫式土工膜袋技術(shù)，綜合處治縱向裂縫。

（2）凍土病害的防治，應(yīng)采取預(yù)防為主的事前防治措施，適當(dāng)采用熱棒技術(shù)，保持多年凍土土層穩(wěn)定，避免多年凍土土層融化失穩(wěn)。

（3）熱融滑塌防治，可通過(guò)增強(qiáng)滑坡抗滑力，減小滑坡下滑力以及優(yōu)化排水設(shè)施等方式進(jìn)行預(yù)防。

（4）融凍泥流防治，可結(jié)合地形地貌特點(diǎn)，合理設(shè)置排泄、調(diào)治和攔蓄設(shè)施，減小病害規(guī)模，降低病害發(fā)生概率；或采用橋梁跨越或隧道穿越等防治方案。

（5）邊坡出現(xiàn)松散、沖溝病害，可采用土壤固化劑，進(jìn)行邊坡挖除重填加固治理。