彭亞強

（中鐵十二局集團國際工程有限公司，天津 300000）

0 引言

在北方嚴寒季節(jié)，道路工程區(qū)域地下水文地質條件的變化會導致道路工程橋涵和公路路基的凍脹現(xiàn)象。這種現(xiàn)象表現(xiàn)為道路翻漿、路面局部沉陷或開裂、橋涵基礎結構上提或裂縫、路面基樁上抬或墩部斷裂等，嚴重危害道路工程，影響后續(xù)項目投入應用、公路交通安全和經(jīng)濟發(fā)展。因此，工程技術人員需要針對凍脹土在道路工程中的影響，研究相應的治理措施，采用合理的策略規(guī)避凍脹土對道路工程造成的風險。

1 凍脹土形成的因素及特性

1.1 凍脹土形成的因素

第一，水分含量大。凍脹土中的水分含量越大凍脹性就越強。在凍結過程中，土層周圍水分補充越及時其凍脹性也會越強。

第二，周圍溫度低。隨著土層周圍溫度的下降，凍脹土的凍結速度會隨之加快，與此同時，凍脹土層內(nèi)的冰體量也會不斷增加，凍脹土的凍脹強度會隨溫度的降低而增大，即凍脹土的凍結速度越緩慢，其所需的凍結時間會越長，凍結程度也隨之越強。

第三，通常情況下，道路工程外部的承壓能力越大，凍脹土的凍脹性會越小。在常見的道路工程建設中，大跨徑橋涵基礎的凍脹現(xiàn)象較少，是因外部抗荷載能力強，能夠有效抑制凍脹土的產(chǎn)生，甚至可消除凍脹現(xiàn)象。

1.2 凍脹土的特性

在嚴寒的氣候條件下，土中的原有孔隙充滿水分，且由外部環(huán)境中向凍脹土補充和遷移的水分會隨著凍結時間的延長和溫度的降低逐漸凝結為冰，在凍土中形成冰晶體，隨著冰晶體的膨脹，凍脹土的土顆粒會產(chǎn)生移動和擁擠的現(xiàn)象，進而引發(fā)土體膨脹。從外部角度來看，凍脹土的表面會形成大小不一的開裂或鼓包，待氣溫回升，會產(chǎn)生明顯的下沉現(xiàn)象，隨著冰晶體的融化，道路工程的路基部位會出現(xiàn)翻漿或路面開裂現(xiàn)象，個別部位還會出現(xiàn)隆崗、凍脹丘等問題。由此可見，凍脹土具備水分充足、負溫度性、土顆粒位移等特性，致使土體產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象。其中，水分是凍脹土形成最為基本的條件，其常以冰晶體的形式存在于凍脹土中[1]。

2 凍脹土對道路工程的影響

2.1 對橋涵基礎的影響

第一，由于凍脹土膨脹產(chǎn)生的凍脹力使得橋梁基礎產(chǎn)生位移和上拔，氣溫回升凍脹土層內(nèi)的冰晶融化，其含水量大幅增加，會致使凍脹土內(nèi)水分達到飽和狀態(tài)，軟化土層。然而，因凍脹土顆粒的排水能力極差，致使水分大量外溢，造成道路工程橋涵基礎下沉，導致橋涵基礎結構發(fā)生嚴重變形。隨著橋涵基礎下沉程度的加大，道路工程的路基會越發(fā)不穩(wěn)定，其表現(xiàn)為路基表面開裂或呈波浪形起伏。

第二，在工程施工的過程中，若道路工程涵洞內(nèi)的積水未被及時清理，或者積水浸泡時間過長，會導致涵洞內(nèi)部的熱量經(jīng)由涵洞表面滲入凍脹土層，使凍脹土層融化，以致涵洞基坑逐漸下沉，承載力降低。在涵洞地基的活動層，涵洞表層與涵洞之間的穩(wěn)固性無法得到保障，其主要表現(xiàn)為兩者間的混凝土強度不足，無法抵御凍脹土融化后所產(chǎn)生的受力，嚴重時會導致涵洞涵臺部位開裂[2]。

第三，鋪砌層遭到破壞。通常情況下，公路工程建設中的鋪砌層對凍脹土作用下的融沉承載力較低（見圖1），具體表現(xiàn)為當鋪砌層發(fā)生損壞時，其表層會出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，滲漏的水分會逐步擴散至凍脹土層中導致凍土融化，引發(fā)工程區(qū)域的土體發(fā)生整體下移現(xiàn)象，使得道路工程地基的承載能力降低，道路工程中運用的基礎基樁、涵洞等也會隨之下沉，致使道路工程路基的整體穩(wěn)定性無法得到保障。

圖1 凍土的融沉、翻漿

2.2 對公路路基的影響

2.2.1 凍脹

土體產(chǎn)生凍脹的主要原因通常是在嚴寒天氣條件下，周邊未凍結土層中的水分向凍結區(qū)域土層聚集并產(chǎn)生遷移，與此同時，在負溫的作用下，土層中的水分逐漸凝結為冰晶體，其中結合水的最外層也逐步凍結，隨著冰晶體體積的逐漸膨脹，土層中的土顆粒所能結合的水膜會變薄，土顆粒會產(chǎn)生剩余分子引力。另外，由于土顆粒所結合的水膜變薄，導致水離子產(chǎn)生的滲附壓力變強，在這兩種作用力的相互作用之下，土層下臥層未被凍結處的水膜結合水便會在作用力下逐漸被吸附到水膜較薄的區(qū)域，此區(qū)域土層的凍結速度隨之加快，冰晶體的體積也逐漸膨大。而未凍結區(qū)域的水分會在作用力下繼續(xù)向凍結區(qū)凝聚和遷移，隨著冰晶體的擴大，逐漸形成夾層，最終導致土體表面發(fā)生隆起，形成凍脹。

2.2.2 翻漿

翻漿是指在嚴寒地區(qū)道路工程建設中，凍土層的水分會發(fā)生連續(xù)上涌并形成聚流，進而在低溫作用下凍結成冰，待氣溫回升冰層融化，土層表面的水量會急劇增加，反之土層的承載力下降，在車輛荷載作用下，道路路面會發(fā)生裂縫、冒泥等現(xiàn)象，進而形成翻漿。

2.2.3 融沉

融沉是凍脹土區(qū)域主要的危害形式之一，多發(fā)生在含冰量較大的黏性土層，當路基底部凍脹土層上部的路塹邊坡處分布有埋藏位置較淺的冰層時，冰層多會因人為作業(yè)或施工操作等原因產(chǎn)生局部融化，冰層融化后，上部土層會在外部作用力下沉陷，嚴重時會導致道路工程施工路基發(fā)生形變，其多表現(xiàn)為路基形變下沉、路塹邊坡下滑或路基側面路肩位置開裂等，且這種損壞常伴有周期性的持續(xù)、大面積發(fā)展趨勢[3]。

2.2.4 冰害

冰害多發(fā)生于凍土尤為嚴重的地區(qū)，冰害的成因主要是道路工程開挖過程中，暴露于地面的地下水自路塹周邊沿邊坡流出，并在負溫的作用下逐漸結冰，導致路基路塹位置逐漸積冰，隨著冰層厚度的逐漸積累，會在一定程度上對工程進度造成阻礙。

3 對凍脹土危害的防治措施

3.1 加強對橋涵基礎的科學規(guī)劃

對道路工程的橋涵基礎建設而言，其結構基礎和預埋尺寸必須由工程技術人員進行科學測算，并依據(jù)當?shù)氐乃牡刭|特征和氣候條件對凍脹土層的特性進行測定，以有效規(guī)避凍脹土對橋涵基礎建設的影響，其結構物兩側的回填工作以及后續(xù)的維護操作也要有效避免凍脹土的影響。

另外，在橋涵基礎的勘測階段，工程技術人員要根據(jù)當?shù)氐乃牡刭|特征科學選址，保障橋涵基礎設計符合工程建設的相應標準。

同時，結合對凍脹土區(qū)域勘測數(shù)據(jù)的科學分析，有效設置橋涵基礎的預埋深度等參數(shù)，并將誤差控制在合理范圍內(nèi)，盡可能地將凍脹土對橋涵基礎建設的影響降到最低，在規(guī)劃橋涵基礎排水設施的過程中，工程技術人員要科學做好防排水相關措施，定期檢測并嚴格控制各個出排水管道的質量及通暢情況，有效減少后續(xù)的維修工作，節(jié)約工程成本，盡量減少工程施工區(qū)域周邊水源對凍脹土區(qū)域的給水[4]。

3.2 采用合理手段加強對道路路基的治理

3.2.1 增加凍脹土路段的路基高度

增加凍脹土路段的路基高度可以明顯減少凍脹土區(qū)域地下水的遷移和聚集現(xiàn)象。通常情況下，在地下水位較高時，由于負溫的作用，地表水流容易聚集并產(chǎn)生冰層，同時，地下水在凍脹土的作用力下集聚在夾層中，因溫度降低而形成冰層，致使凍脹土層厚度增加，待氣溫回升，會對道路工程建設產(chǎn)生更大的危害，對瀝青道路工程的危害更大。

因此，在工程建設過程中可采用增加瀝青道路路基高度的方式，以有效規(guī)避下沉、翻漿、融沉等現(xiàn)象，延長道路使用壽命，保證道路投入使用后的穩(wěn)定性和安全性。

3.2.2 換土、排水及隔水

在道路工程建設過程中，采用換土的方式，可以有效規(guī)避凍脹土的形成。另外，采用排水及隔水的方法可以有效隔絕地表水或土層下部地下水上聚而形成的水流，避免水流在負溫作用下形成冰層對工程建設造成阻礙。其具體措施包括：

第一，采用修建排水溝、排水槽等方式排出地表水。

第二，由工程技術人員挖好道槽，架設盲溝，鋪設排水管道，再替換滲水性土壤。

第三，通過截水明溝或暗溝實現(xiàn)排水，并采用聚苯乙烯薄膜或薄板阻隔土層上表水的遷移和聚集[5]。

3.2.3 拋石護坡、護道

拋石護坡、護道是一種常用的凍脹土路基穩(wěn)固和安全性保障措施。護坡、護道內(nèi)的碎石縫隙間由于空氣的對流，可以形成天然的循環(huán)，有效防止外界熱量的進入和傳導。這些空氣流通通道可以保持路基地下溫度的恒定，形成天然的阻隔屏障，使路基地下的凍脹土保持穩(wěn)固性。在炎熱的夏季，拋石護坡、護道可以發(fā)揮出更好的作用，確保道路施工建設的順利進行[6]。

3.3 施工技術措施

3.3.1 天然土保溫

天然土保溫是一種常用的凍脹土路基穩(wěn)固和安全性保障措施。該方法利用自然土適當提升路基的填土高度，降低凍脹土對工程建設的破壞影響。由于該技術成本較低，因此在工程建設中運用較為普遍。在常年凍脹土區(qū)域，平均地表溫度低于-1.5℃時，技術人員通常會采用加高路基的方法以保證路基的整體穩(wěn)固性和安全性。但對于地表溫度高于-1.5℃的凍脹土區(qū)域，采用加高路基的方法無法保證路基的穩(wěn)定性。因為道路路基區(qū)域的地表溫度受太陽輻射及地表湍流等熱交換的影響，路肩及邊坡位置會呈現(xiàn)陰面和陽面溫度差較高的情況。在氣溫回升的情況下，路基陽面的融沉現(xiàn)象就會比陰面的融沉現(xiàn)象更為劇烈，嚴重時可能還會出現(xiàn)路基下沉或下滑的現(xiàn)象。

3.3.2 主動降溫技術

在凍脹土地段的道路工程建設中，工程技術人員可以采取多種主動降溫技術來降低凍脹土的破壞影響。

首先，針對環(huán)境條件相對穩(wěn)定的凍脹土地段，可以在采取拋石護坡、護道措施的前提下，使用熱棒制冷技術。該技術可以利用其中的液氣轉換和循環(huán)技術實現(xiàn)凍脹土層中熱量的傳輸，不僅具備熱量傳輸效率高、熱傳輸能力強、傳熱溫差小、恒溫性能好以及單向傳遞等優(yōu)良特點，且施工費用低，可以有效節(jié)省經(jīng)濟成本。熱棒結構由一根密封鋼管添加液態(tài)氮組合而成，在溫度的作用下，液態(tài)氮會在冷凝段與蒸發(fā)段之間發(fā)生氣態(tài)和液態(tài)之間的狀態(tài)轉化，通過往復傳輸可以將熱量傳遞到凍脹土層區(qū)域的大氣中，降低凍脹土的地表溫度，防止凍脹土層內(nèi)冰晶體的融化。

其次，針對環(huán)境條件極不穩(wěn)定的凍脹土地段，可以以傳統(tǒng)的橋梁結構代替道路結構，修建可以直接跨越凍脹土地段的道路工程同時可以依據(jù)工程建設方案適當規(guī)劃工程里程，以保證工程投入使用后的效果和便捷性。

最后，根據(jù)情況在工程建設的路基中埋設工程專用的工業(yè)保溫層或通風管，特別是橋涵工程，可以采用樁基來提升路基的穩(wěn)定性[7]。

4 結語

綜上所述，在道路工程建設不斷推進的時代背景下，針對凍脹土在道路工程中的影響，工程技術人員應科學分析凍脹土的成因、特性及危害，并積極尋求更為有效的治理策略，在道路工程建設中采取多種主動降溫技術，以保障我國道路工程建設穩(wěn)步健康發(fā)展。