1、冻土地区路基病害与防治冻土的成因冻土的基本概念凡含有水的松散岩石和土体，当温度降低到其冻结温度时，土中孔隙水便冻结变成冰，且伴随析冰(晶)体的产生，胶结了土的颗粒。各种土体中的冰析作用，将伴随着一系列非常复杂的物理、化学及力学性质的改变。水分迁移，孔隙溶液浓度的增大和土体不均匀变形，以及引起应力、应变的改变，都在改变着冻土的性质。孔隙水结晶，松散土颗粒被胶结和外来冰侵入体的“冰劈” 作用是土体性质变化的一个重要条件。另外，由于固体土颗粒表面自由能量的作用，使冻土中的水分不能完全冻结成冰，而总是含有一定量的未冻水。随着冻土温度变化，未冻水一冰之比例也在改变，而温度指标是引起冻土性质变化的基本条件
2、。因此，把具有负温度及冰，且胶结着松散岩石固体颗粒的土(岩) ，称为冻土(岩)。冻土温度状态随地区及存在条件的差异而发生变化。它主要取决于大气温度、海拔高度、地形、地质和水文地质及植被等条件。此外，环境条件的改变和人类的工程建筑活动也可直接影响其所在地段(区)的冻土温度状态。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，这种冻土的冻结深度为数厘米至 1-2m。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。多年冻土的
3、成因冻结状态持续三年以上的土层(土壤、土和岩石) 称为多年冻土。地球表面发生着包括一切传热形式：辐射、对流和传导的复杂热交换过程。尽管地表发生的热交换过程十分复杂，但最后都可归结为使地表吸热或散热。冷半年的时候( 寒季) ，地表散发热量使土逐渐冷却。一般来说，当土的温度降至 0以下时，土中水就会冻结，形成冻土。如果该处地表一年中的吸热量等于或大于散热量，而热半年时(暖季)，在冷半年形成的冻土就会全部融化，这类冻土就是季节性冻土。反之，如果该处地表一年中的吸热量小于散热量，则冷半年形成的冻土在热半年就不会全部融化，而残留一部分。如果长时期的保持每年散热大于吸热这一条件，则年复一年，就能形成相当厚
4、度的多年冻土。冻土区不良地质现象及路基病害冻土区不良工程地质现象冻土是一种特殊的土体。其成分、组构、热物理及物理力学性质均有着不同于一般土的许多特点。冻土区的活动层中每年都发生着季节融化和冻结，并伴生有各种冻土现象，因此，在冻土地区筑路时产生了一系列特殊的工程地质问题和路基路面病害。在冻土区筑路必须考虑的工程地质问题有融沉、冻胀和不良冻土现象等。(1)融沉融沉，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
5、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。路堤修筑后改变了表面的水热交换条件，并引起基底土层压缩等一系列变化。这些变化在一定条件下使上限(指多年冻土上限，为多年冻土层的顶面，也是地表以下位置最深的冻融土层的界面)下降。而路堤本身的存在则增加了热阻，是有利于上限上升的因素。当路堤很低时，热阻小，使上限上升的因素弱于使上限下降的因素，因而世根下降。随着路堤高度的增加，使上限上升因素的作用也随之增强。当这一因素的作用增加至等于或大于使上限下降因素的
6、作用时，就会导致路堤下上限不变或上升。这样，在一定条件下就存在这样一个路堤高度，当实际路堤高度大于这一路基高度时，上限将上升；而小于这一高度时，上限将下降。这一高度叫使原上限不变的最小路堤高度。当采用保护冻土原则在冻土区筑路时，必须保证使实际路堤高度大于这一最小路堤高度。但路堤高度并非越高越有利于保护冻土。在高温冻土区，当夏季施工的路堤其高度超过一定值时，会在堤身内形成融土核(采暖建筑物下，多年冻结地基土的一部分发生融化，形如盆状，故称融化盘) ，造成地下冰的融化，而使路堤下沉。路堤建成后改变了地表和地下水的径流条件。当排水措施不当时会产生路堤过水和堤侧积水现象。其结果往往是地下冰融化，路基下
7、沉甚至发生突陷。多年冻土区的公路设计和施工通常采用保护冻土原则，尽量避免挖方和零断面。采用沥青路面时，由于黑面的吸热和封水作用，其下的人为上限值较大。因此，在冻土区修筑沥青路面时必须对采用保护冻土原则的可能性和经济合理性进行论证。(2)冻胀冻胀是冻土区筑路时需要考虑的另一个重要问题。一般情况下，在低温冻土区，活动层厚度一般较小，且存在双向冻结，冻结速度较快，故冻胀相对较轻。而在高温冻土区，活动层厚度一般较大，冻结速度也较低，如存在粉质土和足够的水分则冻胀严重。由于路基填筑材料的不均匀，或不同岩性和水文地质条件地段路基过渡处理不当，可能引起不均匀冻胀，使线路在乎纵断面上失去平顺性。用粉质土和黏性
8、土填筑的路基，由于冻结时的水分迁移可能在上部聚冰而引起翻浆。为了防止冻胀可用粗粒料作为路基填筑材料，但这在实际工程中很难全部做到。这时可以采用黏性土作为路基的填筑材料，但必须作好验算，并辅以相应的防止冻胀措施。另外在冻土区设计刚性建筑结构物(如挡墙、涵洞) 时，要充分考虑水平冻胀力的作用。在不可能绕避时则必须做好排水措施，防止线路附近冰锥和冻胀丘的发生。(3)融冻泥流和滑塌融冻泥流和滑塌多发生在有厚层地下冰分布的斜坡上。它可以由工程施工、挖方取土等人为活动引起，也可以由自然因素(如河流侵蚀坡脚、气温升高) 引起。由融冻泥流和滑塌形成的稀泥物质向下流动，可能掩埋道路，壅塞桥涵，加速路基的软化湿陷
9、。当线路通过越岭地段时，要特别注意这些问题。(4)冰锥、冻胀丘冰锥俗称涎流冰，指水多次溢出地表冻结而所形成的地面冰体。分布于多年冻土和季节冻土区。其形成条件为：具有不冻的水源、水的通道、水的驱动力和严寒的气候条件。按其水源分为河冰锥、湖冰锥和采冰锥。绝大部分冰锥是季节性的。工程建筑时，若建筑物拦截了地下水的通道，又未处理好排泄通道时，也会在建筑物附近形成冰锥，从而危害建筑物。由土的差异冻胀作用所形成的丘状地形，总称冻胀丘。冰锥和冻胀丘是多年冻土区道路工程中最经常遇到的不良冻土现象。在青藏公路沿线就分布有大小冰锥和冻胀丘100 多处。值得注意的是由于筑路而产生的水文地质条件的变化(堤身和基底土的
10、压密，上限上升，挖方拦截地下水通道等)往往在线路附近诱发新的冰锥和冻胀丘。冻胀丘形成钟产生巨大的隆胀力，使道路变形；冰锥在冬季可能覆盖路面，中断交通，而在夏季造成道路翻浆和路基沉陷，需要认真对待。因此，在选线、选址时均应注意水文地质调查，尽量绕避已有的冰锥、冻胀丘，以及线路修筑后可能产生新的冰锥和冻胀丘的地段。(5)热融湖塘和沼泽化湿地热融湖塘在青藏公路沿线分布较广，在楚玛尔河高平原上尤为集中。一般热融湖塘下仍有多年冻土存在。公路通过热融湖塘时要注意路基冻胀和沉陷的不均匀及边坡陷裂等问题，同时湖塘积水也容易引起路基湿软，加剧冻胀和沉陷。沼泽化湿地地段一般厚层地下冰发育，线路通过时应注意上部草炭
11、和泥炭层的压缩问题，在这类地段筑路时要特别注意保护植被，作好排水和保证足够的路堤高度，必要时可加设保温护道。(6)其他不良工程地质现象从环境保护的角度看，多年冻土特别是高含冰量冻土对地表的扰动十分敏感。地表的一些不大的改变，如雪盖和植被的变化都会引起多年冻土重大的不可逆的变化，从而产生严重的后果。低温和短的生长季节也造成了冻土区植被一旦被破坏后恢复缓慢的特点。因此在冻土区筑路要特别注意保护环境。从工程的角度看，保护好环境对保护冻土，确保路基的稳定性也是十分必要的。例如路基下保存植被，不仅有利于保护冻土，而且这些植被能起到毛细隔断层的作用，使路基上中部冻结层上水形成的水分积聚有所减小。因此，在高
12、含冰量冻土地段，不仅在路基下面，而且从路中心起算的两侧 30-100m 内必须保存植被。那种就近取土、取草皮，甚至用推土机直接在路堤两侧推土的做法是不可取的。冻土地区的路基病害及原因1.冻土地区的路基病害类型铁路和公路的路基，在冻结期间将产生不均匀冻胀，导致路面高低不平，这对铁路和高速公路危害更大，轻者给行车带来障碍，重者造成行车事故。路基的不均匀冻胀还将导致公路的路面，特别是混凝土刚性路面产生裂缝，这种裂缝多呈纵向分布，且经冻融反复作用而不断加宽，严重时使路面呈破碎状。在季节性冻土地区水文地质条件不良地段，冬季路基土体由于冰冻作用，使其含水量增大，春天化冻时路基中水分不能及时排出，形成潮湿软
13、弱状态。由于行车荷载的反复作用，使路面发生裂纹、鼓包、车辙、“弹簧”土冒泥翻浆等现象。道路翻浆地段路面变形特点和破坏形式通常可分为以下三种类型：路面龟裂、湿润、轻微弹簧；大片裂纹，路面松散，局部鼓包，车辙较浅；车辙较深，翻浆冒泥。2.路基病害的原因由于负温作用，路基开始冻结时，水分由下层向冻结锋面(冻土与非冻土之间可移动的接触界，称为冻结锋面)集聚，形成冰晶体、冰夹层。随着路基下部和路肩土体中水分向路基中部集聚，使路面下部形成较厚的聚冰层，从而使路基土产生冻胀，使路面拱胀不平或产生裂缝。春季时，随着气温升高，路基土开始融化，这时路面路面下的土体又比路肩土融化的快，使路基下形成凹形残留冻核，凹曲
14、线冻土核为一不透水层，使其上部已融化土中的水分不能排除，从而造成翻浆病害。道路的不均匀冻胀和翻浆严重程度如何，还与路基的土质、水分和温度条件有关。一般粗颗的砂砾土填筑的路基，由于很少产生水分迁移和聚冰作用，且具有良好的排水条件，冻胀性很小，不足以构成危害。融化时，承载能力降低不大，也不会产生翻浆现象。但是当路基为亚砂土，且有地下水补给条件下，会产生严重的聚冰现象，冬季路面产生大的冻胀变形，春季融化时水分多处于饱和状态，又不能及时排出，在这种情况下，往往形成流砂和泥浆。黏土在不良水文地质条件下，如地下水位高，路基两旁积水时，路面也能产生较大的不均匀冻胀和春季的翻浆。路基水分条件是引起路面冻胀和翻
15、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。按不同的水文地质条件，道路翻浆可分为以下几种类型。(1)地下水类翻浆在地势低洼、积水难以排出、地下水位埋深又浅的地区，路基填土高度不大时，冻结期由于地下水补给使土体含水量增大，春季引起道路翻浆；在丘陵区或山区的挖方和半填半挖地段，由于开挖使路基顶面接近地下水位或者路堑边坡切
16、断含水层且排水不畅时春季产生翻浆；在半山腰的填方路堤，有时压住含水层或泉眼，使水分渗入路基，冬季引起路基冻胀，春季化冻时产生翻浆，一般称为两肋翻浆；城市道路有时因地下管道漏水，路基含有水量增加，将导致道路翻浆。(2)地表水类翻浆由于降雨、灌溉等使路基两旁积水，而又不能及时排出，渗水使路基含水量增加，又由于冻结过程中的水分迁移作用，使路面下土层含水量增加，春季融化时产生翻浆；由于养护不良、路基边沟堵塞、路面出现车辙、局部洼坑、两侧路肩高于路面等情况使路面或边沟长期积水，渗入路基后使土体含水量增大，春季将引起局部翻浆。(3)土体水类翻浆土体水类翻浆主要是由于施工中遇雨，路基填土含水量大或填筑大块冻
17、土造成，这种翻浆往往发生在桥头或高填方路基处。(4)气态水类翻浆气态水类翻浆多发生在黑色路面下，黑色路面下的水汽由于蒸发受到阻碍，而在其下面集聚。由于黑色路面导温性强，温差变化大，冬季聚流严重，春季则易引起翻浆。道路工程的冻害，是寒冷气候条件下所特有的现象，因此气候也是影响道路冻害的主要因素之一。一般气候变化是指气候的冷热、持续时间及降雨多少和降雨持续时间等。此外，道路翻浆还与车量荷载的大小和通车次数等有关。交通量越大，车量越重，越易引起或加重翻浆。由上述冻土地区路基病害原因分析可以看出，产生路基冻胀和翻浆的原因很复杂，有时是多种因素综合作用的结果。多年冻土地段路基施工及控制1.冻土路基施工注
18、意事项(1)针对不同的冻土条件，确定相应的施工季节和施工工艺。施工季节应尽量避开降雨集中、热融作用最活跃的七八月份，宜安排在夏末或秋初，并做好防护，防止地表水流人或渗入基底和边坡，路基地面防护范围应符合设计要求。(2)对于按保护冻土原则设计的路基，应尽量减少对多年冻土的扰动和破坏，以利于热平衡状态的恢复；尽量减少大气降水的浸润、渗入及冻结层以上水的危害。(3)路堑开挖。在冻土地区应尽量减少路堑长度，宜尽快开挖成形，不能断断续续施工，并及时做好其附属工程。在施工中少刷或不刷边坡。跨年作业有利于路堑稳定，最好在秋末开挖成形，来年暖季回填。(4)路基排水。排水沟设置应与路基坡脚有一定距离，尽量减少排
19、水沟对路基基底冻土的热作用，尽量加快地表水在排水沟的过水速度，减少排水沟积水时间。在路基施工过程中，要注意临时排水设施的修建。(5)环境保护。路基工程中的取土、弃土、填方、挖方等必然要对多年冻土地区植被、地表水、层上水造成一定影响。为此，要严禁推土机大面积推土填筑路基，任意开辟施工便道，随意就近弃土，随意铲除草皮等做法，要优化路基工程设计、做好施工组织设计、合理安排各道工序的衔接，对冻土环境要进行实时监测。.2.遵循的原则.首先，在有可能出现多年冻土的地段要详细地调查冻土的类型、分布情况、地面水和地下水的水位及流向、冻土的上限下限，并采样检验土质的含水量，将多年冻土加以正确分类，同时施工中遵循
20、以下原则：(1)冻土温度低、稳定，宜于采取保护多年冻土的原则，冻土温度高，不稳定，融沉又不大时，可考虑采取破坏多年冻土的原则(融化原则) 。(2)在厚层地下冰地段，一般应采取保护多年冻土的原则；在少冰冻土和多冰冻土地段，一般可采取破坏多年冻土的原则(融化原则) 。(3)在富冰冻地段，含水量较大，或公路等级较高时，宜采取保护多年冻土原则；当含水量较小，或公路等级较低时，也可采用破坏多年冻土原则( 融化原则) 施工。所谓破坏多年冻土是指施工中(尤其是挖方路堑) 可以将多年冻土的一部分挖出，回填含水量适中的材料，施工中允许多年冻土少量融化，但回填应及时。而保护原则是指将原路面表面有机物杂质清除后，不
21、破坏季节冻融层或少破坏季节冻融层，但一定不得破坏季节冻融层下的多年冻土，而直接用适当的材料回填路基，这样避免多年冻土被暴露，减少外界环境对多年冻土融化的影响。3.路堤施工(1)基地处理如果厚填方基底为含冰过多的细粒土，且地下冰层不厚，可挖除并用渗水性土回填压实，再填路基，这种方法可用于面积不大、冻土层厚度不深的岛状冻土区，回填材料以砂砾和风化砂为宜。当基底为排水困难的低洼沼泽地段时，基底部应设置毛细水隔离层，低液限黏土最好，其厚度宜在扣除路堤沉降后高出原地面水面 0.5m 以上。当隔离层铺设完毕之后，在其上铺反滤层(如：砂砾、中砂 )，若低洼沼泽地段生长有塔头草，可利用为保温层，另外多年冻土的
22、施工最好提前进行，并预加沉降，使得在路面结构修筑之前路基沉降趋于稳定。(2)回填材料选用保温隔水性均好的细粒土，不准采用冻土块或草皮层及沼泽底含草根的湿土填筑路基。(3)碾压碾压时要控制含水量，不能超过最佳含水量 2 个百分点。成型后路床强度应符合设计要求，用不小于 20t 的压路机或等效碾压机械碾压 2-4 遍，确保表面无轮迹和弹软现象。(4)排水保持路基及周围冻土处于冻结状态，排水沟、边沟距坡角应足够远，含冰量大的冻土段，两侧不得出现积水。少冰地段，为防止破坏热流平衡，排水沟与坡角距离应大于 2m，对于沼泽段应大于 8m，饱冰冻土及含土冰层段则不宜修排水沟和截水沟，宜在距坡角 6m外修挡水
23、堰，将两侧汇水挡在路基范围以外，减小因水流带来的热融影响。(5)侧向保护对于填高不大的多年冻土宜设置具有保湿功能的护坡道和护脚，沿线两侧 20m 内的厚地面植被应加以保护。4.路堑施工路堑施工的原则与路堤大致相同，但要注意以下几点：(1)对于地下水位较高，出现渗水情况的地段，要注意施工中及时设置防渗结构，减小渗水的出现，路堑坡顶避免设置截水沟或排水沟，宜修筑挡土堰，距坡脚距离不小于 6m。(2)土质边坡加固铺砌厚度应满足保温层要求。如用草皮铺砌应水平叠砌，错缝嵌紧，缝隙用黏土或草皮填塞严密，连成整体，草皮要及时铺填。(3)饱水冻土、含冰层等含水量很大的多年冻土路堑段，为防止开挖后基底冻胀翻浆，
24、可根据设计要求换填足够厚度的渗水性土，如：中砂、砂砾等。5.冻土路基施工控制(1)路基填料检测填料的物理性质和指标。主要是确定冻土的土质、温度和总含水量、土颗粒密度、天然重度、未冻水含量等指标，以确定冻土的工程分类和有关性质。(2)路基压实应采用快捷、简单、高效的检测手段和方法，以便于机械化快速施工的要求，检测仪器还应适应低温环境。压实系数 K 作为路基压实控制的一个参数，在施工现场常常会与强度指标相矛盾，如当填料的含水量较高时，尽管通过增加碾压遍数可得到较大的压实系数，但承载板试验指标却很小。轻型动力触探作为一种原位测试手段，不仅可以确定基床土表层的承载力，而且还能确定某一深度处土的强度，具有反映指标合理、数据直观可靠、易于操作掌握、检测速度快等优点。建议冻土路基的压实标准以地基系数 K30 或轻型动力触探 N10 控制为主，填土压实度 K 和相对密度作为辅助控制标准。压实过程中，还要注意控制填料的未冻水含量和总含水量，填料中的未冻水冰处于动平衡状态，当冻土中未冻水含量减少，则冻土的强度增加，压缩性降低，变形量减少。因此应尽量使路基填料的含水量接近最佳含水量。6.结语随着公路的大发展，高等级公路向北延伸，多年冻土不良地质问题将成为黑龙江省北部公各建设中一项比较突出的工程技术问题，为此学习和了解多年冻土知识，研究并掌握多年冻土止理技术，对保证工程质量和节省造价将具有重要意义。
