吳登岳

(青海省交通建設(shè)管理有限公司 西寧 810000)

引言

凍土是指溫度低于0 ℃，內(nèi)部含有冰的各類土巖的統(tǒng)稱，根據(jù)存在時間的長短劃分為短時凍土(數(shù)小時～數(shù)天)、季節(jié)凍土(數(shù)個月)與多年凍土(兩年以上)。多年凍土又可分為高緯度多年凍土與高海拔多年凍土，我國是世界上第三大凍土國，多年凍土主要分布在青藏高原，屬于高海拔多年凍土[1]。

多年凍土的產(chǎn)生是地表與大氣長期作用的結(jié)果，其自身的工程性質(zhì)受溫度變化影響[2]，低溫多年凍土的工程性質(zhì)良好，而高溫、高含冰量凍土則極不穩(wěn)定。就道路工程而言，由于填筑路基改變了原始地氣間的換熱條件，打破了多年凍土的平衡狀態(tài)，造成路基下覆多年凍土退化，容易引起路基路面的不均勻沉降，影響道路的正常通行能力[3-4]。而在全球氣候變暖與人類工程活動雙重影響下，多年凍土退化速度也在加快，近年來熱融湖塘、熱融滑塌等不良地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對道路工程的穩(wěn)定性與安全性構(gòu)成了嚴重威脅。通過各類工程措施防治路基下覆多年凍土退化，成為多年凍土區(qū)路基工程設(shè)計、施工的關(guān)鍵。

本文對青海省二治公路改建工程進行了道路病害調(diào)查，對各類病害類型及其分布范圍進行了統(tǒng)計，并對典型路面病害分析了成因，提出具體了改建整治措施。

1 多年凍土區(qū)道路病害

調(diào)查了青海二道溝—治多縣公路改建工程118km范圍內(nèi)的道路病害情況(表1)。并對四種病害的典型路段分析了病害成因，并提出治理措施。

表1 路面病害統(tǒng)計

1.1 涎流冰

K320+900路段出現(xiàn)了長83 m，寬10 m，厚0.5 m的涎流冰，如圖1所示。該處主要為富冰凍土路段，屬于較差凍土工程地質(zhì)路段(C類)，該路段大部分路基融沉起伏較大，病害為中等以上等級，融沉等級為Ⅲ級。原設(shè)計處理方式為：地面不清除表層植被，直接填筑0.8m的砂礫土，然后進行沖擊碾壓，頂面設(shè)置一層雙向土工格柵塑鋼，再采用粗顆粒土進行填筑。排水方式為道路右側(cè)設(shè)置縱向盲溝，經(jīng)集水池收集邊坡滲水后，通過橫向盲溝排出。

圖1 涎流冰路段

病害成因：①該路段處于多年凍土區(qū)，路基經(jīng)過反復(fù)凍融后，強度有所減弱，導(dǎo)致穩(wěn)定性差；②山體滲水通過邊溝底部滲入路基，再經(jīng)過反復(fù)凍融后，導(dǎo)致路基出現(xiàn)不均勻變形；③路基的填筑與開挖，打破了多年凍土的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致多年凍土退化，凍土上限下移；④路基填土高度不足、路基排水不暢等因素也加劇了路基的融沉病害。

解決方案：①先修盲溝，做好路基排水，保證地表水和地下水不侵入路基，確保路基干燥，然后重新填筑路基、鋪設(shè)路面；②采用填石路基，路基底部采用塊石填筑，利用塊石空隙大、過水性好的特點，使地下水通過塊石路基排出路基范圍，使路基保持干燥，降低凍融循環(huán)對路基穩(wěn)定性的影響；③在路線右側(cè)修筑盲溝，排除地下及地表水，采用片石通風(fēng)路基。

1.2 沉陷

K360+354路段路面發(fā)生沉陷，沉陷面積約為37m2。該處路段主要為飽冰凍土，凍土工程地質(zhì)路段等級為D類，部分路基沉降起伏較大，不均勻沉降變形很大，多數(shù)凍土病害等級為嚴重或很嚴重，融沉等級為V級。原設(shè)計處理方式為：原地面不清除表層植被，直接填筑0.8m的砂礫土，然后進行沖擊碾壓，頂面設(shè)置一層雙向土工格柵塑鋼，再采用粗顆粒土進行填筑，路基填筑高度為2.3m。

病害成因：(1)該路段位于多年凍土區(qū)，路基在反復(fù)凍融后，路基強度有所降低，導(dǎo)致路基穩(wěn)定性差；(2)瀝青路面的吸熱效應(yīng)與填筑路基增大了熱阻，導(dǎo)致路基下覆多年凍土融化，冰變成水后體積收縮，加之融水排出，導(dǎo)致路基產(chǎn)生較大的融沉變形。

K379+551、K379+737路段存在大面積的融沉，沉降面積高達170m2。該路段多年凍土主要為富冰凍土，為較差凍土工程路段(C類)，路基融沉起伏較大，不均勻沉降變形較大，凍土病害大多數(shù)為中等及以上，融沉等級為Ⅲ級。

病害成因分析：①該路段位于多年凍土區(qū)，路基在凍融循環(huán)作用下，基體強度有所降低，穩(wěn)定性變差；②路基施工過程中，施工工序銜接不緊湊，開挖后未能及時填筑塊石，導(dǎo)致多年凍土融化，承載能力及穩(wěn)定性降低，使得碎石填筑于軟弱基層之上。

針對上述路段原設(shè)計處理方式為：對路基全幅進行超挖換填1.5m的碎石層，現(xiàn)提出以下解決方案：采用塊石與熱棒復(fù)合路基形式，路基底部采用塊石填筑，利用塊石的良好通風(fēng)性能，加速多年凍土熱量的釋放，減緩下覆多年凍土的退化速度；沿道路兩側(cè)路肩布置熱棒，提高下覆多年凍土層的冷儲量，從而達到防治多年凍土退化的目的。

1.3 縱向裂縫

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，全線路段共有36條縱向裂縫，以K319+180～K319+700段為例(圖2)，該段存在多條縱向裂縫，裂縫寬度為3～20mm，深度達150mm，裂縫長度與裂縫寬度無明顯變化。該路段屬于較好凍土工程地質(zhì)路段(B類)，路基融沉起伏小，沉降變形小，路基病害多為輕微—較輕，融沉等級為Ⅱ級。

圖2 縱向裂縫路段

成因分析：①該路段處于多年凍土區(qū)，路基經(jīng)過反復(fù)凍融后，路基強度有所降低，導(dǎo)致路基穩(wěn)定性變差；②山體滲水通過邊溝底部滲入路基，導(dǎo)致路基局部含水率增大，在反復(fù)凍融過程中，路基兩側(cè)出現(xiàn)不均勻沉降，引發(fā)縱向裂縫；③修筑路堤與開挖路基，導(dǎo)致多年凍土上限提升，加之路基填筑高度不夠、路基排水不暢等因素，導(dǎo)致路基容易出現(xiàn)熱融沉陷。

原設(shè)計處理方案為：填方高度H≥1.5m時，不清表碾，并在頂面設(shè)置一層雙向土工格柵塑鋼，其上路及填筑均采用粗顆粒土進行填筑；填土高度H<1.5m時,換填0.8m的粗顆粒土。K319+100～K319+340路段右側(cè)設(shè)置縱向盲溝，經(jīng)集水池收集邊坡滲水后通過橫向盲溝排出。

解決方案：①路基右側(cè)設(shè)置保溫盲溝，排出地下水，確保路基不受浸泡，重新填筑路基；②抬高路基填筑高度，提高路基承載力；③進行平面改線，路線向左偏移，利用原地基承載力較高的路段，并采取相應(yīng)的地基處理方式。

1.4 橫向裂縫

橫向裂縫在全線的分布數(shù)量最多，共計有270條。如圖3、4所示：裂縫寬度小于5mm的數(shù)量最多，共計237條，占到橫向裂縫總數(shù)的87.8%；裂縫寬度介于5～10mm的共計28條，占比為10.4%；裂縫寬度大于10mm的共計5條，占比為1.9%。結(jié)合地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)：對于一般路基而言，其橫向裂縫寬度往往小于5mm；而裂縫寬度為5～10mm常出現(xiàn)在富冰凍土、多年凍土路段，裂縫寬度大于10mm的均發(fā)生在多年凍土路段?？梢?，地下冰含量越高的路段，路基融沉變形更大，路基路面更容易出現(xiàn)大裂縫。

圖3 橫向裂縫分布直方圖

2 多年凍土區(qū)道路病害成因

多年凍土區(qū)路基病害多由路基融沉所引起，多表現(xiàn)為不均勻沉降、裂縫等，而造成路基融沉的因素包括很多[5-7]。

2.1 氣候因素

環(huán)境溫度可以影響多年凍土的發(fā)育情況，年平均溫度為負溫對多年凍土的發(fā)育是有利的，而全球變暖與局部地區(qū)升溫則容易導(dǎo)致多年凍土退化。降雨、降雪也會影響多年凍土發(fā)育，雨水下滲的同時，也將地表熱量帶入地基中，另外，由于積雪的導(dǎo)熱系數(shù)低于凍土，減少了空氣向地層的冷量傳入，也不利于多年凍土的發(fā)育。

2.2 地質(zhì)因素

地表植被可以有效降低地表的吸熱量，植被退化不僅導(dǎo)致多年凍土退化，還會引起地表荒漠化，引發(fā)更多次生災(zāi)害。地下冰含量與土質(zhì)也會影響路基病害：凍土根據(jù)含冰量差異可劃分為含土冰層、飽冰、富冰、多冰和少冰凍土，多年凍土退化引起的路基變形與凍土層含冰量具有正相關(guān)性；與以亞黏土、亞砂土等細顆粒土為主的路段相比，以砂礫、碎石等粗顆粒土為主的路段，難以發(fā)育形成高含冰量凍土，路基相對穩(wěn)定。

圖4 橫向裂縫占比圖

2.3 工程因素

高填方路基通過增大路基熱阻，可減緩上部路基熱量流入，延緩多年凍土退化速度；與窄幅路基相較，寬幅路基吸熱效應(yīng)更加顯著，路中底部凍土退化速度更快；東西走向的公路比南北走向更容易產(chǎn)生陰陽效應(yīng)；瀝青混凝土路面吸熱能力強，會加速多年凍土退化速度；路基坡面因太陽輻射差異，容易出現(xiàn)陰陽坡效應(yīng)，導(dǎo)致路基沿橫向出現(xiàn)差異沉降，產(chǎn)生縱向裂縫。

此外，地下水、地表水徑流的水文因素以及人為擾動，同樣也能引發(fā)多年凍土退化，導(dǎo)致路基出現(xiàn)融沉變形。

3 多年凍土區(qū)道路病害防治

3.1 多年凍土區(qū)路基設(shè)計原則

多年凍土區(qū)道路設(shè)計要因地制宜，往往遵循兩項原則[8]：一是保護多年凍土的設(shè)計原則，即通過采取一系列工程措施，使多年凍土路基在服役期間長期保持凍結(jié)狀態(tài)；二是允許多年凍土融化的設(shè)計原則，即在建設(shè)初期通過工程措施人為加速凍土融化，或是路基服役期間允許發(fā)生融化變形。一般來說，保護多年凍土設(shè)計原則適用于穩(wěn)定多年凍土區(qū)，而允許融化原則適用于不連續(xù)、不穩(wěn)定多年凍土區(qū)。

3.2 多年凍土區(qū)路基病害防治措施

工程上通過調(diào)節(jié)熱傳導(dǎo)、熱對流與熱輻射的方式調(diào)控多年年凍土路基溫度場。常見的工程防治措施如下：

3.2.1 隔熱保溫路基

隔熱保溫路基是在路基內(nèi)鋪設(shè)一層隔熱保溫層，常用材料為EPS和PU板。主要利用保溫材料的低導(dǎo)熱性能來阻止路基上部熱量的向下傳遞，從而抑制多年凍土上限下降，延緩凍土退化速度，保持多年凍土的相對穩(wěn)定性[9-10]。而保溫材料的選擇、保溫層的厚度、保溫板的埋深與上部填土的壓實度等因素應(yīng)是隔熱保溫路基設(shè)計與施工的重點。

3.2.2 通風(fēng)管路基

通風(fēng)管路基利用通風(fēng)管中空氣對流，在暖季，可以將路基上部傳遞的熱量帶出，減少地表熱流的向下傳遞；在寒季，低溫冷空氣對流可以降低路基溫度，提高路基下覆多年凍土的冷儲量，維持路基的熱穩(wěn)定性。而當(dāng)采用通風(fēng)管路基時，需要滿足一定條件，只有當(dāng)氣溫能夠滿足通風(fēng)管的凍結(jié)指數(shù)大于融化指數(shù)的2倍時，才能保障通風(fēng)管路基的凍結(jié)深度大于融化深度，起到保護多年凍土的目的，否則會適得其反[11]。

3.2.3 碎石路基

碎石路基的原理是：寒季空氣溫度低，冷空氣密度大向下流動，通過塊石層下沉至路基底部，在溫差與密度差作用下，與塊石體內(nèi)空氣產(chǎn)生對流，加速路基底部向空氣散熱，降低路基溫度，達到保護多年凍土的目的[12]。暖季環(huán)境溫度較高，路面與坡面以熱傳導(dǎo)方式將熱量傳遞至路基中，而熱空氣密度小，僅停留在塊石層上部，基底冷空氣則位于塊石層下部，二者之間不會發(fā)生對流，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)極小，熱交換速率極低，從而保護下覆多年凍土，人為促使凍土上限抬升。

3.2.4 熱棒路基

熱棒以其傳熱效率高、無能耗、單向傳熱、啟動溫差小等特點，在青藏鐵路、青藏公路、輸變電塔基以及隧道防護工程中被廣泛應(yīng)用[13-14]。它是一種氣液兩相閉式熱虹吸管，利用工質(zhì)(氨)的氣液兩相對流循環(huán)將路基下覆多年凍土的熱量置換到空氣中。熱棒在氣溫低于地溫時，發(fā)揮制冷作用，使地基冷卻降溫；氣溫高于地溫時，不會向地基傳遞熱量而升溫，因此，熱棒可以降低凍土路基地溫，達到保護多年凍土、抑制凍土融沉變形的作用。

此外，還有像塊石—通風(fēng)管、熱棒—隔熱層等復(fù)合式路基[15]，這類工程措施在調(diào)控路基溫度場、防治多年凍土退化方面同樣具有良好的表現(xiàn)。

4 結(jié)論

(1)多年凍土區(qū)道路病害十分普遍，主要以路基不均勻沉降、裂縫等熱融沉陷問題為主，病害成因復(fù)雜，主要是由于氣候與工程因素導(dǎo)致多年凍土退化引起。

(2)多年凍土退化引起的道路融沉變形是道路設(shè)計、施工與養(yǎng)護全生命周期都要重點考慮的問題。就道路改建工程而言，設(shè)計階段要明確既有路基路面病害的主要類型及成因，本著“因地制宜、經(jīng)濟合理”的原則，對改建道路進行設(shè)計與優(yōu)化；施工階段要嚴格控制施工質(zhì)量與施工進度；運營期間也是道路病害的多發(fā)期，需要加強對多年凍土與環(huán)境的監(jiān)測，做到“早發(fā)現(xiàn)，早處理”，加之采取適當(dāng)?shù)墓こ谭乐未胧员Ｕ隙嗄陜鐾恋缆返姆€(wěn)定性。