文 / 魏志遠(yuǎn)

引言

凍土主要是指內(nèi)部含有冰，且溫度在0℃以下的土巖，內(nèi)部包含由冰夾層和膠結(jié)冰構(gòu)成的塑性冰包裹體、液態(tài)水和薄膜狀結(jié)合水構(gòu)成的未凍水、氣態(tài)成分，整體表現(xiàn)為多相非均勻顆粒結(jié)構(gòu)，一般可以將凍土分為多年凍土和季節(jié)性凍土兩大類。多年凍土主要分布于中國、美國、俄羅斯、加拿大等區(qū)域。凍土面積占據(jù)了我國國土面積的30%以上，分布于青藏高原地區(qū)、大興安嶺等。隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷擴(kuò)增，凍土區(qū)資源的利用開發(fā)活動(dòng)已經(jīng)不斷加劇，如輸油管線、鐵路隧道、南水北調(diào)、青藏鐵路等工程。但是凍土結(jié)構(gòu)的復(fù)雜地質(zhì)特性對(duì)于我國的寒區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成了極大的阻滯，其中路基病害是多年凍土公路中常見的形式，技術(shù)人員需要對(duì)多年凍土公路路基病害進(jìn)行原因分析，制定針對(duì)性的處治措施，為將來的多年凍土區(qū)域基礎(chǔ)建設(shè)提供技術(shù)依據(jù)。

一、凍土工程地質(zhì)特性

凍土工程地質(zhì)主要具備以下三個(gè)特性：首先是凍脹融沉性。凍土結(jié)構(gòu)具備熱脹冷縮的性質(zhì)，凍土內(nèi)部的水一旦發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，就會(huì)造成凍土結(jié)構(gòu)的膨脹；當(dāng)凍土內(nèi)部的水從固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合鄷r(shí)，凍土又會(huì)發(fā)生下沉。其次是凍土表現(xiàn)為熱穩(wěn)定性，多年凍土熱穩(wěn)定性重要指標(biāo)是凍土土體溫度，一般采取年平均地溫進(jìn)行表示。多年凍土的蓄冷量隨著年平均氣溫的降低而增大，繼而表現(xiàn)為較高的熱穩(wěn)定性；多年凍土的蓄冷量隨著年平均氣溫的升高而降低，此時(shí)表現(xiàn)為較差的熱穩(wěn)定性。凍土對(duì)于外界環(huán)境具備較高的敏感性。多年凍土結(jié)構(gòu)中埋深較淺的高含冰量凍土往往發(fā)育較為完整，其對(duì)于外界氣溫的變化敏感性強(qiáng)，如果周圍氣溫增加，會(huì)對(duì)凍土造成熱侵蝕；植被退化、人為干擾等生態(tài)環(huán)境的破壞也會(huì)導(dǎo)致凍土過多的吸收太陽輻射而造成凍土地溫的變化，最終引起凍土的熱穩(wěn)定性喪失。

二、多年凍土路基主要病害形式

多年凍土路基沉陷是常見的病害形式。多年凍土結(jié)構(gòu)中存在的高含冰量凍土和厚層地下冰往往伴隨著天然上限附近的細(xì)粒土?？紤]到這部分結(jié)構(gòu)埋深較淺，極容易受到生態(tài)、水文地質(zhì)條件、氣候、人為干擾等因素的影響發(fā)生融化，會(huì)造成天然上限下降，凍土結(jié)構(gòu)在自重作用下產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。公路建設(shè)中的路基開挖、路堤修筑等活動(dòng)對(duì)凍土結(jié)構(gòu)中的保護(hù)層會(huì)造成破壞，如果此時(shí)路基高度欠缺、排水設(shè)施不完善，就易造成路基沉陷。一些融區(qū)附近的多年凍土具備外界環(huán)境的高敏感性，路基不均勻變形在交界處極易發(fā)生，繼而影響凍區(qū)公路行車的安全和運(yùn)營。相關(guān)數(shù)據(jù)研究資料表明，新疆高速公路沿線附近大面積出現(xiàn)了路基不均勻變形，局部路段的沉陷深度超過了30cm，當(dāng)路基不均勻變形病害發(fā)展到一定程度時(shí)，便會(huì)表現(xiàn)為波浪病害。波浪病害和凍土特征之間具備較為明顯的關(guān)聯(lián)。圖1結(jié)果表明，多年凍土含冰量和地溫、波浪病害之間的關(guān)系基本上和多年凍土地溫和含冰量、路基沉陷病害之間的關(guān)系保持一致，這表明路基波浪的形成主要?dú)w因于路基不均勻變形。值得注意的是，波浪變形并不一定只發(fā)生在寒區(qū)，公路施工中選取的路基填料質(zhì)量欠缺也會(huì)造成路基在較大溫差變化下的凍脹融沉。

路基滑坡也常常出現(xiàn)在多年凍土區(qū)。公路路前的施工開挖會(huì)導(dǎo)致凍土暴露于空氣當(dāng)中或埋深變淺，凍土內(nèi)部的固相開始融化，強(qiáng)度快速下降，如果此時(shí)沒有額外的防護(hù)措施，便會(huì)造成公路路前的邊坡失穩(wěn)、下滑。在一些具備較厚深度地下冰的凍土區(qū)域，公路路基的施工也會(huì)破壞既有的凍土熱力平衡現(xiàn)狀，引發(fā)熱融滑坍。這種現(xiàn)象主要發(fā)生于一些高度欠缺的低填方區(qū)域。除此之外，路基凍脹、翻漿等現(xiàn)象也經(jīng)常出現(xiàn)。路基結(jié)構(gòu)中的水分在低溫環(huán)境下結(jié)冰膨脹，造成路基的凍脹不均勻，引發(fā)路基變形開裂，隨著溫度升高，路基中的冰體出現(xiàn)融化，造成水分過多，且滲流困難時(shí)，路基則會(huì)在外力作用下造成坍滑、路面冒泥翻漿等災(zāi)害。路基裂縫的產(chǎn)生則主要是在一些陰陽坡中凍土人為上限橫向失穩(wěn)、路基溫度場不對(duì)稱，繼而引發(fā)不均勻沉降，此時(shí)路基路肩部位、表面等結(jié)構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)縱向裂縫，其寬度一般在10mm左右，長度可以達(dá)到幾十米，對(duì)路基整體穩(wěn)定性具有較大威脅。

三、多年凍土地區(qū)公路路基病害影響因素

公路路基在多年凍土區(qū)的病害主要受外因、內(nèi)因兩大因素影響。內(nèi)因是年平均地溫較高區(qū)域內(nèi)高含冰量凍土的存在，外因則是太陽輻射、氣候變化、人為干擾等活動(dòng)導(dǎo)致凍土受到影響。內(nèi)因?qū)е碌耐馏w凍脹融沉主要與凍土內(nèi)的溫度、應(yīng)力、水分密切相關(guān)。凍土由氣體、未凍水、土顆粒、冰晶等多相材料構(gòu)成，其力學(xué)特性具備多介質(zhì)的綜合影響，在外界荷載作用下，其內(nèi)部各組份分別承受不同荷載，隨著作用時(shí)間的不斷延長，凍土內(nèi)部的應(yīng)力隨著組分的變化而不斷發(fā)生重組，隨著夾層的解凍，凍土?xí)l(fā)生融沉變形，而氣溫一旦下降，凍土結(jié)冰則會(huì)造成凍脹病害。

外因中的土基質(zhì)松散特性也會(huì)影響土體凍脹強(qiáng)度。寒區(qū)多年凍土路基的土結(jié)構(gòu)一般為粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)土、砂質(zhì)土，其中毛細(xì)水上升速度在粘性土等顆粒粒徑較小的土體中十分明顯，較高的毛細(xì)水上升水位會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的凍脹危害。對(duì)于砂質(zhì)土，因其毛細(xì)水現(xiàn)象較少，空隙率大等特點(diǎn)，極難形成凍土病害。水分在路基凍土病害發(fā)展中起重要推進(jìn)作用。這主要?dú)w因于水分在路基中隨時(shí)間不斷遷移，凍土區(qū)存在充分的水源是路基翻漿和凍脹的主要原因，路基內(nèi)部含水量的提升即會(huì)造成地下水位不斷提升，繼而引發(fā)路基的病害。另外，凍脹和翻漿并不一定只在一定的凍結(jié)深度和冰凍之下才能夠發(fā)展，如果外界溫度足夠低，過高的冰凍速率也會(huì)造成凍脹、翻漿的形成。路面破壞形式是路基病害的主要表現(xiàn)，公路路面鋪裝對(duì)于路基破壞具有重要影響，一般路面黑色瀝青的施工在遇見較高的太陽輻射情況下，即會(huì)造成溫度驟升，路基會(huì)出現(xiàn)融化沉陷。在一些交通流量較大的區(qū)域，如果重車比例較大，路面翻漿病害則會(huì)愈加明顯。

四、多年凍土公路路基病害處治技術(shù)

對(duì)于多年凍土地區(qū)的公路路基病害防治技術(shù)主要有常見的高溫路基、保溫板路基、通風(fēng)路基、熱棒路基、保溫護(hù)道等。不同的處治技術(shù)具有不同的應(yīng)用特點(diǎn)，針對(duì)性的選擇合適的路基病害防治技術(shù)具有十分重要的社會(huì)現(xiàn)實(shí)意義。保溫隔熱層路基主要是在一定的路基施工高度下，采取新型工業(yè)特性的施工材料，有效避免環(huán)境熱量的向下倒入，擴(kuò)大路基的熱阻的一種結(jié)構(gòu)形式，該路基形式能夠延緩凍土過快的發(fā)生融沉，達(dá)到保護(hù)凍土的作用，公路施工中經(jīng)常采取聚苯烯塑料泡沫板作為路基的填充材料，并且需要適當(dāng)提升路基的修筑高度。

此外，通過優(yōu)化路基內(nèi)部、邊界的換熱對(duì)流情況來改善路基的穩(wěn)定性也可以開展以下措施。首先是采取人工冷卻裝置-熱棒，利用儀器內(nèi)部液氣相的循環(huán)來實(shí)現(xiàn)路基內(nèi)部熱量的排出，最終達(dá)到路基的冷卻目的。在嚴(yán)寒季節(jié)可以將熱棒對(duì)空氣中的冷量進(jìn)行采集，對(duì)多年凍土進(jìn)行傳輸冷凍，提升穩(wěn)定性；在熱季，環(huán)境溫度往往高于凍土溫度，此時(shí)利用熱棒的液氣平衡系統(tǒng)吸收環(huán)境熱量，保證過多熱量難以有效到達(dá)凍土內(nèi)部，保證其結(jié)構(gòu)完整性。路基結(jié)構(gòu)的碎石通風(fēng)化設(shè)置能夠充分發(fā)揮路基的透氣性，碎石路基內(nèi)部存在著較大的孔隙結(jié)構(gòu)，這加強(qiáng)了冷熱空氣之間的自由對(duì)流和熱量交換，以此實(shí)現(xiàn)凍土上限的熱平衡，也可以在路基內(nèi)部隔一定的距離設(shè)置相應(yīng)尺寸的圓管來構(gòu)造通風(fēng)管路堤，實(shí)現(xiàn)地基的冷卻。

改善公路界面反射率來降低太陽輻射的吸收，實(shí)現(xiàn)凍土地溫的保護(hù)，此時(shí)可以采取遮陽板來對(duì)路堤進(jìn)行必要的遮擋。這能夠避免路堤堤身和路基直接面臨太陽輻射，達(dá)到凍土的保護(hù)。在遮陽板上一般涂刷一些高反射性的油漆，這樣能夠提升反射率。

結(jié)語

盡管我國對(duì)于多年凍土路基的研究已經(jīng)相對(duì)豐富，但是如何更有效地進(jìn)行凍土的防治仍就需要多方努力。在寒區(qū)多年凍土的處治上，技術(shù)人員需要充分結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ痰刭|(zhì)特性，對(duì)周圍氣候環(huán)境、地質(zhì)水文條件、人工干擾等多因素進(jìn)行分析，繼而針對(duì)性提出優(yōu)化措施，確保凍土寒區(qū)公路建設(shè)的穩(wěn)定安全。