多年凍土路基病害原因與整治措施
2012-01-31 來源：中國百科網(wǎng)
1、研究背景及內(nèi)容
全球多年凍土的分布面積約占陸地面積的23%，主要分布在俄羅斯、加拿大、中國和美國的阿拉斯加等地，其中我國的多年凍土分布面積高達(dá)215萬km2，約占世界多年凍土分布面積的10%，占我國國土面積的22.4%，是世界上第三大凍土大國，而我國的多年凍土主要分布在青藏高原、大小興安嶺、祁連山、天山和阿爾泰山等高山、高緯度地區(qū)。
多年凍土是一種特殊土類。其特殊性主要表現(xiàn)在它的性質(zhì)與溫度密切相關(guān)。常規(guī)土類性質(zhì)主要受顆粒的礦物和機(jī)械成分、密度和含水量控制，多半表現(xiàn)為靜態(tài)特性。多年凍土的性質(zhì)除受上述因素控制以外，同時它的性質(zhì)隨溫度和時間都在變化，表現(xiàn)為動態(tài)特性。所以，凍土是一處對溫度十分敏感且性質(zhì)不穩(wěn)定的土體。
隨著全球氣候的逐漸變暖和人類活動加強(qiáng)，多年凍土上限呈現(xiàn)出下降的趨勢，多年凍土也在不斷退化，對路基路面的穩(wěn)定也造成了極大威脅。關(guān)鍵的是凍土在凍結(jié)、融化時具有特殊的物理、力學(xué)性質(zhì)變化。土壤凍結(jié)時最重要的物理過程是水分的遷移和重分布，而凍土融化時最重要的是物理力學(xué)變化是結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度的急劇衰減。從而在凍融循環(huán)中不斷地改變著土層的形態(tài)結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致工程建筑物基礎(chǔ)的反復(fù)變化與破壞。在大多數(shù)情況下，病害的發(fā)生發(fā)展過程與變化結(jié)果具有單向、不可逆的規(guī)律。
凍土地區(qū)筑路工作中的問題除了一般寒區(qū)道路中常見的路基凍脹、翻漿路面凍融松散低溫開裂外，還有凍土地區(qū)特有的道路病害——路基熱融沉降、邊坡熱融滑塌。
2、多年凍土路基病害
2.1 熱融沉降（陷）
因氣候轉(zhuǎn)暖，或森林砍伐與火災(zāi)，或修建工程構(gòu)、建筑物，特別是采暖型的建筑，破壞了原來地面的植被和熱力動態(tài)，使其凍結(jié)與融化深度加大。導(dǎo)致地下冰或富冰土層融化，于是在上覆土層自重及建筑物荷載作用下，地基土便出現(xiàn)沉降或深陷現(xiàn)象，從而使建筑物無法正常運(yùn)行，甚至破壞。這是多年凍土區(qū)各種建筑物遭受凍害的主要原因。
2.2 融凍滑塌
在地下冰發(fā)育的斜坡上，由于路塹工程或挖方取土，或河流侵蝕坡腳，使地下冰層或富冰土層外露，而不斷融化，造成上覆植被或土層失去支撐而不斷下滑。
2.3 冰丘、冰椎、延溜冰
在季節(jié)融化層中含有豐富的地下水層時，冬季地表凍結(jié)過程中，隨著地表凍土層增厚，由于下臥多年凍土層隔水，季節(jié)融化層中的地下水流受阻而承壓。當(dāng)該孔隙水的壓力足夠大時，在地表較薄弱處即被不斷增加的受壓孔隙水頂托而逐漸隆起，形成丘狀體，稱之為冰丘；當(dāng)?shù)乇韺硬蛔阋猿惺芩畨毫r，空腔水與孔隙水便破土而出，在地表漫延，并凍結(jié)成冰椎。
延溜冰的產(chǎn)生主要由于公路上側(cè)土壤中的過飽和水分、泉水、溝溪中的水，在移動過程中，水流被下降的氣溫自下而上逐層凍結(jié)，水源不斷供給，形成較大面積的冰覆蓋層。延溜冰沿公路長度分布少則幾米，多達(dá)幾百米，冰的厚度有幾厘米到幾米。它一般發(fā)生在冬季或初春，持續(xù)的時間較長。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，延溜冰多發(fā)生于林區(qū)、山嶺、坡地、溝谷，以及泉眼、河流附近，受氣溫、地形、凍深及水分條件影響。
2.4 季節(jié)融化層的凍脹
凍脹是凍土區(qū)筑路時需要考慮的另一重要病害現(xiàn)象，在多年凍土地區(qū)，處于不良地質(zhì)、水文條件下的路段，路基土凍結(jié)過程中會發(fā)生水分遷移現(xiàn)象。水分不僅向凍結(jié)鋒面遷移，而且在凍結(jié)中凝結(jié)成冰，由于冰的密度略小于水，故在凍結(jié)的過程中伴隨著體積的膨脹，從而造成路基土的凍脹。凍脹的發(fā)生是需要兩個必要條件的，一是有充足的水分補(bǔ)給源，二是有水分補(bǔ)給的通道。
凍脹本身不僅引起道路破壞，還可引起橋梁、涵洞基礎(chǔ)的凍害。這種病害在凍土地區(qū)早期修建的橋梁、涵洞工程中尤為突出，由于當(dāng)時的工程技術(shù)人員認(rèn)識和掌握凍土的自然規(guī)律以及未能及時采取防護(hù)措施致使橋梁、涵洞發(fā)生破壞。主要表現(xiàn)為基礎(chǔ)上抬、傾斜造成橋梁拱起，涵洞斷裂，甚至失效等破壞。
3、多年凍土路基的病害成因分析
3.1 融化盤的形成
特別是高溫凍土區(qū)融化盤的形成是導(dǎo)致路基病害的主要原因之一。由于黑色路面吸熱，造成路基下凍土的正積溫增加，路基下凍土上限因各種因素增深，致使路基以下凍土的上限在橫斷面上形成一種“盤狀”的凹陷部分，即融化盤。
融化盤的出現(xiàn)和存在，不僅促進(jìn)了路基下融化盤內(nèi)水的自然匯集和蓄水，使融化盤上下的土體含水量或含冰量增大，而且使人為上限由初始的淺盤逐漸變成深盤狀。水的存在，使每年積累的能量在融化盤內(nèi)部夏季土體融化但冬季不能被凍結(jié)，這就出現(xiàn)了融化不凍核，也稱為融化夾層、不銜接層。融化夾層是一層含水量大、土的固結(jié)程度小、模量低的軟弱結(jié)構(gòu)層，這對路基的穩(wěn)定性影響很大。
3.2 偏移的融化盤導(dǎo)致路基不均勻沉降、縱向開裂
由于路基陰陽面使路基兩側(cè)路肩下的地溫分布產(chǎn)生較大的差異，溫度場的不對稱又使得路基底部最大融深位置發(fā)生偏移，引起路基在橫斷面方向產(chǎn)生滑移、不均勻沉降和縱向開裂。
3.3 路基及路基下融化盤內(nèi)含水量狀態(tài)變化對路基穩(wěn)定性的影響
在大多數(shù)路基兩側(cè)破壞較為嚴(yán)重的路段，路基、地基的含水量較高，融化盤內(nèi)含水量發(fā)生變化，使路基產(chǎn)生較大的融沉變形，甚至在有些未整治路段能夠形成反拱變形。在路基較高的路段，由于路側(cè)地勢低洼積水等，導(dǎo)致路基產(chǎn)生不均勻下沉或縱向開裂。
3.4 不規(guī)范施工導(dǎo)致路基產(chǎn)生縱向開裂
路基施工中，個別施工單位對路基特別是加寬部分不挖臺階，直接傾倒填料，直至與舊路面齊平時才開始碾壓，壓實(shí)厚度達(dá)到1米多甚至2米多。不規(guī)范的施工方法無法保證路基加寬部分的壓實(shí)度，導(dǎo)致新舊路基的填土結(jié)合較差，從而造成路基的縱向開裂。
3.5 路基或地基含水量過高
含水量過高是導(dǎo)致路基翻漿的主要原因。在多年凍土區(qū)，路基施工季節(jié)也多是高原的雨季，由于路基填料過濕，土質(zhì)含泥量較大，施工路面時未做徹底處理，將含水量大的土質(zhì)覆蓋于路面基層之下，隨行車荷載的作用， 路基產(chǎn)生翻漿。另外，在季節(jié)凍土區(qū)和多年凍土區(qū)中的融區(qū)公路，由于路基偏低，地下水、地表水侵入路基，在重型車輛荷載、凍脹及融沉的反復(fù)作用下，路基便會產(chǎn)生翻漿。
4、路基病害處治措施技術(shù)研究
4.1 排水系統(tǒng)（排水物、截水溝、擋水埝）
它起引導(dǎo)和控制地表水徑流的作用，以防止和排除路基（堤、塹）兩側(cè)積水、滲透，最大程度地減輕路基土體在凍融過程中的各種物理力學(xué)性質(zhì)的變化。
然而，設(shè)置地表排水系統(tǒng)就要破壞自然地表，如果不準(zhǔn)確掌握地質(zhì)條件，就可能改變和破壞多年凍土的生存狀態(tài)，反而引起新的病害。
4.2 保溫護(hù)道
保溫護(hù)道也是整治路基病害的一種常用措施。作用是加強(qiáng)對路基邊坡、坡腳處凍土的保護(hù)厚度，減少氣溫對多年凍土的影響程度和范圍；同時也起到防止路基坡腳積存水體和滲入的作用。
但是，對護(hù)道的填筑材料、斷面結(jié)構(gòu)形式和尺寸及防滲水能力要有周密的考慮和設(shè)計(jì)。然而，過去填筑的保溫護(hù)道明顯存在不足，多數(shù)已起不到保溫作用而失效。過去也曾采用過片石護(hù)道，但實(shí)踐證明，在多年凍土地區(qū)采用片石護(hù)道非但不能約束路基底的下沉側(cè)擠，反而加速了基底的融化下沉。它只能在不破壞凍土原則的情況下采用。
對路堤和路塹邊坡的坍塌和熱融滑坍病害的工程措施，常用的有護(hù)道及具有支撐作用的護(hù)坡。護(hù)道主要適用于較高的路堤，可用成臺階式，主要針對由于季節(jié)性凍融界及過陡情況下的邊坡坍塌變形。而對于邊坡變形所采用的片石護(hù)坡則有過深刻的教訓(xùn)即不具支撐作用的、較薄的無結(jié)構(gòu)片石擴(kuò)坡不能抵御凍融變形的破壞，反而加劇邊坡變形的程度。
4.3 換土
換土是整治路基凍害的一種常用而且有效的措施。它的關(guān)鍵是在病害地段挖除不良土層，換填與周圍無病害地段相同或性質(zhì)相近的土體。其作用是使一定范圍內(nèi)的土體在凍融特性方面取得一致，消除差異導(dǎo)致的病害。因此，只有在查明土層特性和工程量不大的情況下才采用。目前，這種情況已不是很多。
4.4 凍結(jié)溝、積冰溝
凍結(jié)溝、積冰溝主要適用威脅路基安全的冰錐、水丘和凍脹丘，是一種被動的防治措施。在查明地質(zhì)及水文條件后，可采用地下保溫滲溝或盲溝予以有效的根治，并且有較好的范例。但對其出水口要有必要的處理，遠(yuǎn)離路基或加以保溫，防止凍結(jié)。
4.5 XPS、EPS保溫板。
XPS、EPS保溫板是一種強(qiáng)度很高、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水率小的聚苯乙烯泡沫板，它的作用是減緩和阻礙熱量的傳遞。將它埋設(shè)在路基下或護(hù)道內(nèi)可大大減少暖季時外部熱源向地下傳入，進(jìn)而減少多年凍土上限的年變化幅度和病害程度。但在冬季時也阻礙了地層內(nèi)熱量 向外界的散發(fā)，不利于多年凍土的恢復(fù)。所以，保溫板是一項(xiàng)中性土的措施，由于它的保溫性能好，仍在保護(hù)凍土的工程中廣泛應(yīng)用，但要配合其他措施合理組合。
4.6排水溝式軟管滲溝 。
是一種有剛性骨架的柔性排水滲溝，地表做成排水溝形式，溝底埋設(shè)滲水軟管，軟管直徑為 200mm?？梢苑乐挂话闩潘疁弦装l(fā)生的淤塞和凍融變形的破壞，大大延長和保證排水溝的正常工作。
4.7 通風(fēng)路基
通風(fēng)路堤使用在多年凍土地區(qū)有條件的地方，用碎石或塊石填筑路基，利用填石路基的通風(fēng)透氣性，實(shí)現(xiàn)保護(hù)凍土路基的作用。寒季，冷、暖空氣在路基中產(chǎn)生對流，冷空氣下降，侵入地表；暖季，熱空氣受下部冷空氣的阻隔，難以下滲，每年地基吸入的冷量大于熱量，因而起到保護(hù)凍土的作用，該措施適用于高溫不穩(wěn)定的多年凍土地區(qū)。
對于凍土區(qū)地基土質(zhì)較好和承載力較高的段落，可以考慮埋設(shè)通風(fēng)管，通風(fēng)管直徑一般為20cm～50cm，為電鍍的金屬螺紋管，水平埋設(shè)在路堤坡腳下，通風(fēng)管的進(jìn)出口都有垂直于地面的鋼管或樁與之連接，一般高出地面50cm～100cm， 通風(fēng)管埋設(shè)于路基體中，增加了路基體與空氣的接觸面，通過空氣在通風(fēng)管中的流動，使通風(fēng)管周圍路基體的溫度與氣溫趨于一致，減少路基體傳入地基的熱量，增加路基體傳入地基的冷量，保持多年凍土層及路基基底下季節(jié)活動層的凍結(jié)狀態(tài)，維持路基體的穩(wěn)定。
4.8 熱棒
熱棒是一種利用氣液相變原理傳輸熱量的傳熱元件。它是由一根密封的金屬管與里面充裝的工質(zhì)組成。管的上部裝有散熱葉片，稱之冷凝段，置于大氣中；管的下部埋于地基多年凍土中，稱之為蒸發(fā)段。當(dāng)蒸發(fā)段與冷凝段之間存在溫差（冷凝段溫度低于蒸發(fā)段溫度）時，蒸發(fā)段的液體工質(zhì)吸熱蒸發(fā)成為蒸氣，在壓差作用下，蒸氣沿管內(nèi)孔隙上升至冷凝段，與較冷的管壁接觸，放出汽化潛熱，冷凝成為液體，在重力作用下，冷凝液體工質(zhì)沿管壁回流蒸發(fā)段再吸熱蒸發(fā)。如此往復(fù)循環(huán)，將地層中的熱量傳送至大氣中，從而降低了多年凍土的地溫，防止多年凍土發(fā)生融化，保證了地基的穩(wěn)定性。
工作在地基中的熱棒只可能單向傳熱，即將地基中的熱量傳向大氣，而不用擔(dān)心它會將大氣中熱量向下傳到地基。熱棒的特點(diǎn)：①無需外加動力。②傳熱效率高。③無運(yùn)動部件，運(yùn)行無噪聲。④單向傳熱，暖及自動停止工作，故又稱二極管。⑤工作安全可靠，使用壽命 30年以上。⑥ 結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，不易損壞，無需 日常維修養(yǎng)護(hù)。⑦無有害物質(zhì)，符合環(huán)保要求。⑧啟動溫差小，蒸發(fā)器與冷凝器之間只要有很小的溫差即可啟動熱棒。
5、多年凍土區(qū)路基凍害整治原則
5.1 確定整治方案的總原則
根據(jù)地區(qū)特點(diǎn)，查明多年凍土的特性，測取氣溫、地溫及水文條件等資料，并調(diào)查已有的不良物理地質(zhì)現(xiàn)象，來選擇和確定防治多年凍土路基特殊病害方案的總原則：一是保護(hù)多年凍土；二是破壞多年凍土。
保護(hù)多年凍土，是采用具有保溫隔熱作用的措施，在消除引起病害因素的同時，而不引起多年凍土狀況的改變或恢復(fù)被破壞了的凍土狀態(tài)，來保證路基 的安全。它適用于年平均氣溫和地溫較低（一般低于-1.5℃和 -1.0℃），多年凍土層較厚（大于10m），為富冰凍土或厚層地下冰，并較少受人為活動干擾的情況下。宜于在大片連續(xù)多年凍土區(qū)內(nèi)采用。
破壞多年凍土是路基和建筑物在正常使用過程中，允許凍土融化或控制融化范圍、速度，而不產(chǎn)生不允許的變形和新的病害，保證路基和建筑物有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。它適用于年平均氣溫和地溫較高 （一般高于 -1.2℃和 -0.5℃），多年凍土層較薄 （約 5—7m），且含水量較小或弱融沉性土層，多在島狀凍土區(qū)內(nèi)采用。
5.2 綜合整治
多年凍土區(qū)的路基病害是不良物理地質(zhì)現(xiàn)象和特殊病害多種自然因素（包括人為活動）長期、互相作用的結(jié)果。在整治病害中，應(yīng)盡可能采取多種、配套的整治措施，有主有輔，使他們的作用互相配合和補(bǔ)充，消除其中的不利作用，才能達(dá)到較長遠(yuǎn)的預(yù)期效果。
5.3 保護(hù)環(huán)境
多年凍土區(qū)路基施工，應(yīng)重視多年凍土區(qū)自然環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，減少對多年凍土環(huán)境的人為破壞。貫徹“預(yù)防為主，保護(hù)優(yōu)先，開發(fā)與保護(hù)并重”的原則。
6、結(jié)語
關(guān)于多年凍土路基的研究目前已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，但是在許多方面仍然有待進(jìn)一步的深入。多年凍土物理力學(xué)性質(zhì)的特殊性必然導(dǎo)致其產(chǎn)生熱融沉降、熱融滑塌、凍脹、冰丘、冰椎等路基病害。整治這些路基病害的優(yōu)化綜合措施，是傳統(tǒng)的排水設(shè)計(jì)和熱棒、保溫護(hù)道、保溫板、通風(fēng)路基、排水溝式軟管滲溝等新技術(shù)、新材料的有效結(jié)合，其中的關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)計(jì)合理的斷面結(jié)構(gòu)形式和新材料新技術(shù)的應(yīng)用，目的是杜絕地表水對路基基底的滲入所帶來的單向熱交換作用，恢復(fù)和形成基底最佳的人為上限形態(tài)，達(dá)到徹底根治病害的目的。
