多年凍土對公路的危害

　　我們都知道，青藏鐵路穿過很多的地區(qū)都是多年凍土區(qū)，那么多年凍土對公路的危害有哪些呢?我們一起來看看!

　　1、多年凍土地區(qū)的兩種公路病害

　　1)凍脹：在有凍脹性土的路段，當有水分供給時，在冬季負氣溫作用下，水分連續(xù)向上聚流，在路基上部形成冰夾層、冰透鏡體，導致路面不均勻隆起，使柔性路面開裂，剛性路面錯逢或折斷的現(xiàn)象稱凍脹。

　　凍脹性分類：通常是在土質分類的基礎上，按土的凍脹性強弱劃分為三類或四類，分別為：輕凍脹、凍脹、重凍脹、特重凍脹。

　　2)翻漿：在有凍脹性土的路段，當冬季負氣溫時，水分連續(xù)向上聚流、凍結成冰，導致春融期間，土基含水過多，強度急劇降低，在行車作用下路面發(fā)生彈簧、裂縫、鼓包、冒泥等現(xiàn)象稱翻漿。

　　翻漿分類，根據(jù)導致翻漿的水分來源分為五類，分別為地下水類、地面水類、土體水類、氣態(tài)水類、混合水類。根據(jù)翻漿高峰時期路面變形破壞程度，將翻漿路段分為三級，分別為輕型、中型、重型。

　　2、影響凍脹與翻漿的因素

　　公路凍脹與翻漿是多種因素綜合作用的結果。土質、水、溫度與路面是影響凍脹的四個主要因素，翻漿除這四個因素影響外，還受行車荷載因素的影響。在上述諸因素中，土質、溫度和水是形成凍脹和翻漿的三個基本條件。

　　1)土質：粉性土具有最強的凍脹性，最容易形成翻漿。這種土的毛細水上升較高祈且快，在負溫度作用下水分易于遷移，如水源供給充足可形成特別嚴重的凍脹，在春融時承載能力急劇下降易于形成翻漿。粘性土的毛細水上升雖高，但速度慢，只在水源供給充足且凍結速度緩慢的情況下，才能形成比較嚴重的凍脹和翻漿。粉性土和粘性土含有較多的腐植質和易溶鹽時，則更易形成凍脹和翻漿。粗粒土在一般情況下不易引起凍脹和翻漿，因其毛細水上升高度小、聚冰少，且在飽水情況下也能保持一定的強度;但當粗粒土中粉粘粒含量超過一定量以后，凍脹性明顯增加，也能形成凍脹和翻漿。

　　2)水：凍脹與翻漿的過程，實質上就是水在路基中遷移，相變的過程。路基附近的地表積水及淺的地下水，能提供充足的水源，是形成凍脹和翻漿的重要條件。秋雨及灌溉會使路基的含水量增加，使地下水位升高，從而促成凍脹與翻漿的形成。

　　3)溫度：沒有一定的凍結深度或冰凍指數(shù)(冬季各月每日負氣溫的總和)是難以形成凍脹和翻漿的，沒有更大的凍結深度或冰凍指數(shù)是難以形成嚴重凍脹和翻漿的。而在同樣凍結深度或冰凍指數(shù)的條件下，凍結速度和負溫作用的特點對凍脹和翻漿的形成有很大影響。例如，在初冬時氣溫較高或冷暖交替變化，溫度在0℃~3℃~-5℃之間停留時間較長，凍結線長時間停留在土基上部，就會使大量水分聚流到距地面很近的地方，形成嚴重的凍脹和翻漿。反之，冬季一開始就很冷，凍結線下降很快，水分來不及向上遷移，土基上部聚冰少，那么凍脹和翻漿就較輕或不出現(xiàn)。另外，春融期間的氣溫變化及化凍速度對翻漿也有影響。如春季開始化凍時，天氣聚暖，土基急劇融化，則會加重翻漿。如春融期間冷暖交替并伴有雨、雪，也會使翻漿加重。

　　4)路面：凍脹與翻漿都是通過路面變形破壞而表現(xiàn)出來的。因此，凍脹與翻漿和路面是密切相關的。路面類型對凍脹與翻漿有影響。如在比較潮濕的土基上鋪筑瀝青路面后，由于瀝青路面透氣性較差，路基中的水分不能通暢地從表面蒸發(fā)，可能導致聚冰增加，凍脹量增大，以致出現(xiàn)翻漿。路面厚度對凍脹與翻漿也有影響，路面厚度大時可減輕凍脹，可減輕或避免翻漿。

　　5)行車荷載：公路翻漿是通過行車荷載的作用最后形成和暴露出來的。雖然路基有聚水、有凍脹，春融時含水過多，但無行車荷載作用，是不可能產生翻漿的。當其它條件相同時，在翻漿季節(jié)，交通量愈大，車輛愈重，則翻漿也會愈多、愈嚴重。

　　3、防治凍脹與翻漿的工程措施

　　1)做好路基排水

　　良好的路基排水可防止地面水或地下水侵入路基，使土基保持干燥，減少凍結過程中水分聚流的來源。

　　路基范圍內的地面水、地下水都應通過順暢的途徑迅速引離路基，以防水分停滯浸濕路基。為此，應重視排水溝渠的設計，注意溝渠排水縱坡和出水口的設計，在一個路段內重視排水系統(tǒng)的設計，使排水溝渠與橋涵組成一個完整的通暢的排水系統(tǒng)。

　　為降低路基附近的地下水位，可采用截水滲溝。

　　2)提高路基填土高度

　　提高路基填土高度是一種簡便易行、效果顯著且比較經濟的常用措施。同時也是保證路基、路面強度和穩(wěn)定性，減薄路面，降低造價的重要途徑。

　　提高路基填土高度，增大了路基邊緣至地下水或地面水位間的距離，從而減小了凍結過程中水向路基上部遷移的數(shù)量，使凍脹減弱，使翻漿的程度和可能性變小。

　　路線通過農田地區(qū)，為了少占農田，應與路面設計綜合考慮，以確定合理的填土高度。在潮濕的重凍區(qū)內粉性土地段，不能單靠提高路基填土高度來保證路基路面的穩(wěn)定性。要和其他措施，如砂墊層、石灰土基層等配合使用。

　　3)設置隔離層：

　　隔離層設在路基中一定深度處，其目的在于防止水分進入路基上部，從而保持土基干燥，起防治凍脹與翻漿的作用。

　　4)換土：

　　采用水穩(wěn)定好，冰凍穩(wěn)定性好，強度高的粗顆粒土換填路基上部，可以提高土基的強度和穩(wěn)定性。

　　5)注意路槽排水：

　　在凍脹與翻漿嚴重地段，應注意做好路槽排水，通常采用砂墊層和橫向盲溝等措施。

　　6)加強路面結構：

　　在凍脹和翻漿地段，常使用整體性好的石灰土、煤渣石灰土、水泥穩(wěn)定砂礫等半剛性結構層，以加強路面結構。

　　7)加設防凍層：

　　在中、重季節(jié)凍結區(qū)和多年凍土區(qū)的高級、次高級路面，在有可能凍脹的路段，為防止不均勻凍結，路面總厚度不應小于下表的規(guī)定。 路面防凍最小總厚度(cm)

　　8)鋪設隔溫層

　　一、路基土的凍脹影響因素

　　1.土質對路基土產生凍脹的影響

　　土壤性質對路基凍脹的影響主要體現(xiàn)在顆粒組成和礦物組成上。在土壤粒度超過0.1mm時，土壤水分容易排出，而不會發(fā)生凍脹，但隨土壤粒度的降低及分散程度的提高，凍脹率也相應提高。在粒度0~0.05mm的土壤中，土壤會出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象，而在0.05~0.002mm的土壤中，土壤的凍脹率最大。在粒度低于0.002mm時，也就是在粘土粒度范圍內，土壤的分散度增加，從而降低了土壤的含水量，降低了凍脹率。在地基土微粒特別是粘性土壤中，礦物組成對凍脹的作用更為明顯。土壤致密程度對土壤的凍脹也有一定的影響，當土壤含水量達到一定程度時，地基土的密度減小，會使土壤的孔隙度增加。在致密程度低的土壤中，由于存在充分的孔隙和空隙，使冰在不影響土壤中的微粒間距以及不發(fā)生凍脹率的情況下自由膨脹。

　　由于壓縮程度的增加，土壤中的自由水填充了土體之間的空隙，從而限制了路基內凝結的水分，使路基的凍脹率增加。在一定的密度下，土粒之間的孔隙最小，達到了最優(yōu)的粒徑分布，此時，土壤的致密可以最大限度地提高土壤的含水量，從而達到最大的凍脹率。

　　2.水對路基土產生凍脹的影響

　　路基土凍結時，土壤中的濕度是引起凍脹的必要條件，而含水的路基土并不是所有的凍脹都會發(fā)生，只有當土壤含水量超過一定限度時，才會發(fā)生凍脹。這是在一定的負溫情況下，當?shù)鼗�土凍脹率�?時，路基的含水量就是初始凍脹含水量。在地基土含水量低于此值時，就算整個土層都被冰和未凍水填滿，也不會發(fā)生凍脹。如果路基土壤在密閉狀態(tài)下凍結，僅僅是地基土壤中的水分的輸送，并不會引起太大的凍脹率，但有地下水補充時會出現(xiàn)不同情況。而地下水對路基凍脹的作用則與地基土的毛細水升高高度有關。在凍土凍融過程中，凍結鋒與地下水之間的距離大于或小于毛細水的抬高，在毛細水補充的情況下，路基出現(xiàn)凍脹概率較大。

　　3.溫度對路基土產生凍脹的影響

　　在高寒凍土區(qū)，由于外部環(huán)境溫度的影響，路基土壤的溫度也會隨之改變。負溫是路基土壤凍結的先決條件，是影響路基土凍結過程、凍結時間和未凍水量的重要因素。路基土在凍土過程中，由于土壤粒子的表面能的作用，使未凍結的液體變成了未凍水，而非凍水與固體冰之間存在著一種動態(tài)的平衡關系：隨著地基土壤溫度的提高，部分冰溶解，使凍水道中的水含量增加。與此形成對比的是，在路基土壤溫度下降的情況下，部分未凍水結凍為冰凍區(qū)的土壤水分含量有所下降。由于在負溫和封閉狀態(tài)下，路基土壤中的水分持續(xù)凍結，使其自由水量不斷下降，使路基土壤的含冰率逐漸升高，從而使路基土壤發(fā)生凍脹。

　　4.外荷載對路基土產生凍脹的影響

　　外荷載對地基的凍脹有一定的影響。由于地基土體受到外加的外力作用，使土體之間的接觸壓力增加，從而使路基土壤的凍融溫度下降，從而對整個路基土壤的含水量變化產生一定的影響。在荷載作用下，土壤顆粒間的間隙減小，致密性增加，土體密度增加，土體之間的作用力也隨之增加，這也限制了未凝結的濕氣的遷移和聚集，降低了凍脹率。盡管外荷載可以在一定程度上抑制路基土的凍脹率，但要結束路基土的凍脹，就必須承受較大的外壓，而這種外壓隨土壤性質的變化而變化。土壤中的微粒越細小，所需的外界壓力也就越大。

　　二、工程概況

　　新建沈陽至白河高速鐵路工程SBJL-TJ-8標段位于吉林省白山市安圖縣長白山管委會境內。線路全長44.437km。線路自白山市撫松縣三道松江河大橋引出，向東北經過曙光林場、勝林林場，引入安圖縣二道白河鎮(zhèn)，與既有敦白鐵路相接。

　　1.工程特點

　　（1）地處高緯度嚴寒地區(qū)，冬期施工需加強防凍措施。線位地處高緯度嚴寒地區(qū)，最冷月平均氣溫-16.9℃～-13.5℃，極端最低氣溫-38.4℃，最大凍結深度1.98m，最大積雪深度達0.62m，高鐵路基凍脹控制施工技術和監(jiān)測技術，路基填料的控制標準和填筑工藝；隧道、橋梁、排水系統(tǒng)等結構本體的防凍技術是本工程的重點技術；控制性隧道冬季連續(xù)施工，施工過程需要采取有效措施確保冬施質量。

　�。�2）線路經過多處環(huán)境敏感點，生態(tài)環(huán)境保護要求高。線路經過地區(qū)涉及長白山水源保護區(qū)、自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)、林區(qū)等多處環(huán)境敏感點，需堅持主體工程和環(huán)保工程同步實施，并采取有效的防護水土流失防治措施，建設過程中不斷優(yōu)化，預防和控制對環(huán)境的不良影響。

　�。�3）線路穿越林區(qū)、與既有道路多處交叉，協(xié)調難度大。線路穿越松江河和露水河國家森林公園等森林保護區(qū)，臨時設施、取棄土場、棄渣場及施工便道等紅線外臨時用地征用手續(xù)繁雜；線路多處跨越河流、溝渠、既有道路，需辦理相關行政手續(xù)及專項認證許可，建設過程中協(xié)調難度大。

　�。�4）當?shù)厣傲腺Y源較為匱乏，尤其是河砂資源嚴重不足。沿線河砂資源嚴重不足，需遠運。加之地方政府嚴管采石和嚴禁采砂，施工時需采取有效措施確保地材供應。

　　2.地質特征

　�。�1）地質構造。該路線穿越區(qū)域為中朝準地臺、遼東臺隆東北、鐵嶺-靖臺拱龍崗斷裂、太子河-渾江凹陷褶斷束、桓仁臺穹褶皺束交界。渾河和渾江河谷在中生代形成了斷陷盆地。晚第三紀新生代后期，因陸屑巖的堆積作用，形成了一套煤層巖。中新生代斷層具有明顯的分異特征，主要表現(xiàn)為火山爆發(fā)，巖漿侵入、玄武巖覆蓋范圍較廣。該區(qū)構造復雜，構造類型以NNE—NNE向、NW向、環(huán)狀構造為主。

　�。�2）地質條件。這一地區(qū)屬長白山玄武巖火山巖臺地，多為山地，地勢較低，多為林地，部分地區(qū)為沼澤地。表覆粘性土、碎石類土和火山堆積層，腐殖土為林地，軟土為沼澤地。玄武巖的下部為第三系。地下水主要是由第四系的孔隙水和基巖裂縫水組成，其深度通常為3.0~10.0 m。玄武巖中存在著巖洞和軟弱的夾層，而粘性土、火山堆積層和玄武巖的全風化層則是膨脹的。林帶表層土壤水分含量高，承載力差，強度差。

　�。�3）不良地質和特殊巖土。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)，從11月至次年3月，溫度低于0℃，屬于寒冷地帶，地表土普遍存在凍脹性，最大凍土厚度為1.38~1.98 m，應采取相應的措施來降低和控制凍脹對工程的影響。

　　三、凍土路基病害的主要治理措施

　　1.排水措施。路基排水系統(tǒng)的健全，能有效阻止道路的蓄水，降低土壤含水率，確保路基的干燥，從而減少在高寒地區(qū)發(fā)生的凍土現(xiàn)象。為避免道路周圍的雨水滲透到地基上，必須通過完善的排水系統(tǒng)將周圍的水全部排出，以防止雨水滲透到路面上。要注意排水系統(tǒng)的設計，使水流沿截排水溝排水。

　　排水坡度的設計，截排水溝要與橋涵形成一個暢通、完整的排水體系。有管滲溝能有效地減少路基地下水位，截水滲溝能對地下水進行截流，并能排出地下水，同時考慮凍結深度的影響。當滲水盲溝內的水需要由線路一側引向另一側排出時，需要于路基下設置橫向排水管。此外，還應注意路基邊坡的排水問題，特別是在易出現(xiàn)凍脹、翻漿區(qū)時，應采用邊坡支撐滲溝或者坡頂截水滲溝等措施，將邊坡內的積水排出，不至于浸泡路基。如果路基所用的材料有滲水，應及時將滲水滲出，特別是在春融解凍的情況下。沿滲水盲溝排水方向，每隔30m和平面轉折點、縱坡變坡點等處，設置圓形檢查井，井內設防寒木蓋，防寒木蓋由兩塊半圓形木板組成。

　　檢查井露出側溝平臺或保溫護道0.1m，防止地表水流入井內。滲溝內的水排出位置設置保溫出水口，其中A型保溫出口適用于滲溝內的水引至地勢低洼處的情況，B型保溫出口適用于滲溝內的水排至涵洞的情況。在室外氣溫較低的情況下，保證盲溝內水能順利排出，也能避免或減輕路基的凍脹現(xiàn)象。

　　2.保溫護道。作為路基病害的一種有效措施，熱防護也是許多路基普遍采用的一種方法。在降低外部氣溫的同時，還能有效地阻止地下水的下滲、蓄積和沖刷。保溫護道的設計要求相當苛刻，必須選用符合特定要求的合格填料和護道結構，護道的大小和滲透性都要特殊考量，過去的護道形式已經難以達到保溫目的，片石護道會加快路基的融化和沉降，無法達到保溫護道的目的，因此，該方案只適用于不破壞凍土的情況，且適用范圍有限。具有支撐功能的護坡可以有效地處理路基、邊坡的滑坡，是一種較持久、效果較好的防治方法。高路堤以護路為主，臺階式護路更適合季節(jié)性的路基，能有效地預防邊坡崩塌的道路病害。支承護坡可抵抗凍土融化引起的變形破壞，并可有效地預防路基病害，因此，此類護坡通常不采用片石結構。

　　3.換土。在凍土地基處理中，采用凍結和水分穩(wěn)定性較好的粗粒狀土壤，采用更換填筑地基，是改善凍土地基病害的一種途徑。這些粗粒土具有較高的強度，不僅能增加路基的強度，還能改善整體的穩(wěn)定性和耐久性。不是全部的路基都能達到換填土的要求，僅在路基標高有限的情況下不能增加，而若周圍有粗粒土，而原路基的土質已被破壞，則可采用填換土方法。更換填土的數(shù)量根據(jù)不同的需要而定，通常根據(jù)地基承載力、鐵路等級等因素而定。可參照其他區(qū)域的施工經驗，在地基上部70cm處填入更換填土，并按強度要求確定更換填層的厚度，計算出鋪層的厚度。

　　4.土工織物、EPS導溫墊床。土工織物法是目前最常用的處理方法，具有排水、隔離、滲濾、加固等功能。EPS是一種新型的抗凍土工程高分子材料，是一種用來儲存于聚苯乙烯中，經過發(fā)泡、成熟處理、模制成型的發(fā)泡材料。EPS泡沫材料的密度為45kg/m3，其熱膨脹系數(shù)低，氣體含量高，吸水性低，遇水后保溫效果良好，承載能力強，變形壓強，是近年來在寒冷地區(qū)廣泛應用的一種新型路面病害治理材料。

　　5.采用遮陽棚調控輻射。為了避免在凍土區(qū)如路堤、邊坡等地區(qū)發(fā)生病害，可以使用遮陽篷遮蔽陽光和防止雨水沖刷。利用這種物理方式來降低路基表面的溫度，可以減輕凍結土壤中的凍結現(xiàn)象，減少路基凍土層和路面塌陷等病害。采用遮陽板調節(jié)輻射，是對路基進行物理降溫的一種方法，最適合在高寒地區(qū)應用，其白天輻射較大，晝夜溫差較大。同時，可在其外表面涂上高反射物質，增加其輻射量，并強化其物理效果，從而增加其反射系數(shù)。

　　四、結束語

　　在高寒地區(qū)鐵路施工中，要充分考慮不同的工程地質條件對路基土體的凍脹效應，并根據(jù)不同的地質條件采取相應的控制措施。根據(jù)影響路基土凍脹的各種因素，在鐵路建設中，必須嚴格控制路基的含水量，并對分層壓實的厚度進行控制，并采用其他有效的壓實措施，例如用振動壓路機進行路基的壓實，從而保證地基的致密。修建較為完備的排水體系，在冬季凍結期間盡可能地將路基周邊的水源排除，以減少路面地基上的凍脹量，以確保路面的穩(wěn)定性。

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