|
Analysis on Common Diseases and Preventive Measures of Permafrost Subgrade
秦效军 QIN Xiao-jun
（中交第四公路工程局有限公司，北京 100020）
（CCCC Fourth Highway Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100020，China）
摘要：多年冻土广泛分布于我国的东北北部、青藏高原等地，冻土因自身的不良地质特性，给当地建筑、道路等国民经济基础设施建设带来了很大的负面影响。本篇文章主要对于冻土路基当中一些常见的病害进行简单的介绍，并提出针对性的策略，以达到抛转引玉的目的。
Abstract: Permafrost is widely distributed in northern Northeast China, Qinghai-Tibet Plateau and other places in China. Due to its poor geological characteristics, permafrost has brought great negative impacts on the construction of national economic infrastructure such as local buildings and roads. This paper mainly introduces some common diseases in frozen soil subgrade, and puts forward some targeted strategies to achieve the purpose of turning jade.
关键词：冻土路基；病害；防治措施
Key words: frozen soil subgrade；disease；preventive measures
中图分类号：U21 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2021）01-0123-02
1 多年冻土的特征
冻土在分类当中主要按照冻结时间进行分类，主要包含：短时冻土、多年冻土以及季节性冻土。短时冻土的冻结时间包含：数小时、数日，甚至半月之久，季节性冻土的冻结时长为半月甚至为数月，多年冻土冻结时间为两年或者更长时间。为了区分不同地段多年冻土的特性，制定相应的治理措施，科学家将多年冻土按总含冰量大致可分为五类，低含冰量冻土指的是少冰、多冰冻土，高含冰量冻土指的是富冰冻土、含土冰层以及饱冰冻土。多年冻土分为两层：上部是活动层，具有夏融冬冻的特点，这一层是造成路基病害的主要原因，同时也是冻土路基治理的重点；下部是多年冻结层，这一层的土壤一般终年不融，为了防止这一层冻土层的退化，在冻土路基施工时，也要采用相应的保护措施。冻土上限指的是多年冻土层顶面以及地表之间的距离，在冻土路基病害防治当中，控制冻土上限不下移属于重中之重。
2 多年冻土的物理性质
2.1 冻土的相变性 冻土当中水的状态为：固相、气相以及液相，这三种状态同时存在，主要形态为：冰、未冻结水、水蒸气。冻土的相变性受气温影响，如果气温降低，冻土活动层的水会出现冻结，土质非常坚实；如果气温上升，那么活动层当中的冰会融化，土质非常的松软。
2.2 冻土的流变性 冻土的流变性主要包含这些方面：当外力恒定不变时，土的变形随时间的延长而继续发展的性质，简称为蠕变性；当应变恒定不变时，土所受的应力随时间的延长而不断衰减的性质，也称为应力松弛；第三方面主要是指，在外力的作用之下，冻土强度降低的一种性质。
冻土的流变性属于冻土当中比较主要的一种物理性质，流变性的出现是由于冻土内存在粘滞性的水以及粘塑性体的冰，同时时间也是流变性产生的重要因素，在探讨冻土的强度、变形等各项力学性能指标时，均要考虑时间因素。
2.3 冻土的冻融性 冻胀以及融缩是造成冻土路基破坏的重点因素，冻土的冻融性以及相变性存在紧密的关系。当寒季来临时，气温下降，冻土中的水由液态转变为固态冰，由于冰的密度小于水，相同质量的水凝结为冰时，体积增大，进而引起周围土体的冻胀破坏；当暖季到来时，外界环境气温上升，冻土中的冰融化为水，随着水的流失，土体产生收缩变形，进而引起沉陷。
3 多年冻土路基病害
3.1 路基冻胀 路基冻胀属于土中水冻结以及冰体增长造成的土体膨胀与地表不均匀隆起出现的结果，重点表现：路基局部的不均匀变形，进而出现开裂以及隆起。路基冻胀的原因主要包括三个方面：一是路基的填料，粉质土强度较低，透水性非常差，土中的毛细水上升非常迅速，并且水分在零摄氏度以下容易迁移，如果靠近路堤坡脚处排水不畅，极易造成路基严重的冻胀；粘性土的透水性非常差，强度非常低，土中的毛细水上升比较高，但是速度比较慢，如果周围土壤的水源比较多，冻结缓慢，也会出现非常严重的冻胀；粗粒土透水性教好，强度较高，土中毛细水聚冰少，上升高度比较小，但如果粗粒土中粉粘粒含量大于一定量时，也会出现路基冻胀病害。二是地表水和浅层地下水，青藏高原在海拔3000-4000m之间的地区，夏秋季节湿润凉爽，雨水较多，冬春两季降雪量也较大，路基施工如果排水不畅，极易造成冻胀。三是负温变化，如果初冬气温冷暖交替变化或者气温较高时，冻结线会较长时间在土基上部停留，这样周围非常多的水分会在距地表很近的地方聚流，这样冻胀会非常严重，如果初冬气温一直在回落，冻结线也在不断下降，路基下方的水分不能及时向上进行迁移，路基上部形成的结冰就会非常少，冻胀病害相对较轻。
3.2 路基下沉 路基下沉主要是由于冻土融化而造成的一种现象，不同的区段，存在不同的表现。主要表现为两种情形：一是在不断的缓慢下沉中，引发突然大的塌陷；二是在冻土融化季节发生的周期性下沉。冻土融沉包括两方面的沉降：一是融化沉降，即冻土中的冰融化后，因体积缩小导致路基土随自重下沉；二是压密沉降，即冻土中的冰转变为水，水通过孔隙排出的过程中，将土压密而进一步下沉。如果冻土的融化速度很快，会因土中水不能及时排出导致土中的孔隙压力增加，有时甚至会引起冻土路基边坡的失稳。
3.3 路基纵向开裂 冻土路基出现纵向开裂的情况主要是由于：一是路基两侧冻土的不对称融冻。冻土融化当中，阳坡侧路堤的地温和阴坡相比较较高，进而阳坡融化深度也会高于阴坡，在冻结当中，路基阴坡侧和阳坡侧相比较较早。在冻融的反复作用下，这样的差异最终导致路基阴阳坡两侧产生不均匀沉降，形成纵向裂缝；二是气温的骤降。由于路基本身具有一定的覆盖保温作用，冬季气温的突然大幅度下降，会导致路基两侧及坡脚等覆土薄弱区与路基主体产生不均匀冻结变形，最终形成多条纵向裂缝。
3.4 路基热融滑坍 热融滑坍指的是：冻土融化造成冻土表面土体出现下滑的情况。路基热融滑坍容易出现在高含冰量冻土分布的自然坡面，特别在路基挖方段施工时，由于坡面防护不到位，施工过程当中，在阳光的辐射下，冻土融化从而引起表层覆盖土体下滑。
4 多年冻土路基病害防治措施
4.1 地表截水、排水、隔水 地表水的聚集与渗透会加速冻土地区路基的冻害和融沉，故在路基施工时要修建完善的截水、排水、隔水设施并在道路运营中加强养护。
4.1.1 挡水埝 如果在路基排水沟外侧设置相应的挡水埝，可以很好的截水。高含冰量冻土区挡水埝填筑时，应借土填筑，不得就地开挖取土。挡水埝设置当中需要使用防水性能较好的粘土实施分层填筑，使用砾石土填筑当中一定要重视对迎水面设置相应的防渗层，防渗层应整体平顺密贴，确保隔水性能。挡水埝以及排水明沟共同设置成地表水防排水系统。
4.1.2 渗沟 挖方地段可以使用带孔HDPE管渗沟，这样路基附近的地下水位会降低，使用截水渗沟可以使流向路基的层间水得到拦截以及排除。HDPE管渗沟可以使用透水土工布包裹进而当作过滤层，这样防止渗沟出现淤堵的情况。
4.2 换填 采用水稳定性好、透水性好、冻稳性好以及强度高的石渣或者砂砾等粗颗粒填料完成路基上部的换填，这样会阻止毛细水上升，在冻融期存在蓄水排水的作用，并且在融化或者冻结时，换填料体积变化比较小，冻胀时路基不会出现有害变形，冻融时路床承载力也不会下降，因而可以使得路基的融沉或者冻胀减轻。
4.3 设置土工格栅 钢塑土工格栅具有抗拉强度高、延伸率小、耐久性好等优点，铺设在路基中，可起到对土体的嵌锁、咬合作用。在冻土路基路床下换填料的顶部或填挖交界处，设置双向钢塑土工格栅，可有效提高路基的抗剪力，减少因冻融循环造成的路基不均匀沉降、裂缝等病害，增强路基的整体稳定性。
4.4 埋设热棒 在饱冰或者富冰冻土多年的冻土区，为了使得多年冻土更加稳定，在路基两侧设置热棒。热棒主要由碳素无缝钢管进行制作，属于一种高效热导装置（不需要提供能源），存在单向传热性能。热棒的上部可以散失热量，设置的有散热装置，热棒的下部需要埋入在冻土当中，属于吸热部分，热棒在钻孔安装后，其周围应及时采用中粗砂回填密实。热棒内设置的有液氨，液氨沸点非常低，在冬季，外界温度和热棒吸热段周围冻土层温度相比较较低，热棒当中的液氨就会吸收冻土当中存在的热量，使得汽体得以蒸发，进而上升到热棒上部，利用上部散热片，热量可以被释放到外界，同时液氨在释放热量后，遇到冰冷的管壁，又冷凝成液体，沿管壁流回下部吸热段。在夏季，热棒停止工作。
由于热棒在冬天的单向导冷作用，将冻土层中的热量源源不断带走，使得地下冻土层在夏季不致融化，避免了冻土路基的融沉病害。
根据现场测试的试验结果，热棒沿路线的布设间距，一般控制在4m，4m内能取得良好的制冷效果，大于5m时，热棒的制冷效果往往不能满足需要。在施工中，热棒需要和XPS保温隔热板结合使用，XPS保温隔热板存在的特点：抗压强度高、抗腐蚀性好以及防潮性好等优点，因而可以更好保护冻土层。
4.5 埋设通风管 如果路基高度超过2.0m，属于高温高含冰量冻土地段，往往会使用埋设通风管来完成降温。正常情况下，冬天的冷空气和夏天的热风都可以在通风管内流通。为了更好保护下方冻土，按照通风管热胀冷缩的机理，把空气开关设置在通风管两侧。冬季，通风管会收缩，开关自动打开，管内的冷空气会自由流通，进而可以把管周围的土体热量带出，这样就会使得冻土更加稳定。在夏季，由于通风管口受热膨胀，开关自动恢复关闭，外部热空气无法进入管内，通风管这时起到隔热作用。
4.6 铺筑片石层 在路基底部，可以铺筑一些片石，这样会对冻土起到保护作用。在多年冻土区高含冰量冻土地段，由于片石的导热性能差，在夏季可以阻止外部热量传入路基，起到类似保温隔热板的效果；在冬季，由于片石之间的空隙较大，可将路基内的热量很快散失到外部环境中，起到类似通风管的散热作用。
片石通风路基适用于高含冰量冻土地段，由于片石良好的水稳定性，同时也适用于冻土沼泽地段、热融湖塘等地表水较发育的路段。
片石通风路基使用的片石一定要耐冻、洁净、无水锈以及无级配，片石粒径需要保持在15～30cm范围之内，片石层压实后空隙率不得小于25%，在填筑上层路基时，要采取措施避免污染片石边坡。
5 结束语
多年冻土地区冻害复杂，加之气候变暖，冻土退化现象日趋严重，路基病害呈现多样化。由于各地的自然地理气候环境不同，同时冻土地区的不良地质情况与病害主要是自然因素长期相互作用的结果，使用单一性的治理措施存在的治理效果不一，因此在实施冻土路基病害防治的过程中一定要按照实际情况实施。在实际工程中，根据不同地段的冻土病害，从防排水、保温隔热等各个方面采用合适的综合治理措施。
参考文献：
[1]杨立伟.论冻土路基病害分析及对策[J].市政.交通.水利工程设计，2015（9）：89-91.
[2]裴建中，窦明健，胡长顺，王秉纲.多年冻土地区路基纵向裂缝形成机理研究[J].冰川冻土，2006，2（01）：116-120.
[3]赵春爱，李焕青.多年冻土地区常见的路基病害及整治措施简介[J].科技信息（学术研究），2008（22）：285-286. |
