探討凍土地區路基病害治理技術

嚴 峻

（貴州路橋集團有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

受周期性凍融影響，高原公路建設難度大，后期翻漿、熱熔垮塌病害集中，嚴重影響公路路基和路面穩定性，且極易引發行車安全隱患[1]?；诟咴瓋鐾镣翆訉Ω咴返闹匾绊懀约案咴穼Ω咴用癯鲂械闹匾?，該文結合高原凍土土層特征，對高原公路建設的幾種典型病害展開研究，以期找出更具針對性和實踐性的病害預防和治理措施。

1 高原公路凍土特征及分類

1.1 高原公路凍土特征

高原凍土土層是在高原高寒地區特有的一種地質類型，地下冰層分布廣泛[2]。受周期性氣候變化影響，地下冰層周期性凍融，使凍土土層力學性能呈現出周期性變化，凍融臨界凍土土層流變和壓縮特征明顯。

穩態狀態下，凍土土層結構和力學性能穩定，基本不會成為致災主體。當凍土土層發生水熱交換時，地下冰層出現熱熔作用，凍土土層穩態狀態發生破壞，引起土層結構和力學性能的急劇變化，導致大規模的凍融侵蝕病害，成為致災主體。

1.2 高原公路凍土分類

受高原地區氣候和地理環境影響，地下冰層廣泛分布在各型地貌和土層結構中，成為大面積連續分布的凍土層[3]。根據凍土土層分布特點，可將高原公路凍土分為以下三類：

（1）大面積連續分布的多年凍土。高原地區氣候寒冷，地下冰層深度多達5 m 以上，且分布廣泛，形成大面積連續分布的凍土土層；建筑物或構筑物地基、公路路基等，隨地下冰層周期性凍融，常出現凍脹、融沉、變形、翻漿等病害。

（2）島狀離散分布凍土。主要分布在4 600～4 800 m海拔的高原區域，受氣候和地形地貌影響，凍土土層深度分布范圍變化較大。

（3）季節性凍土。地下凍土土層厚度多在2.0～3.5 m左右，凍土土層隨季節更替，存在明顯的周期性凍融，基本無多年凍土，少部分復雜地形地貌地區存在河岸坍塌、沼澤化濕地等不良地質，多數區域工程地質條件良好。

2 高原公路凍土病害的影響

凍土病害對高原公路建設與后期運營維護均會產生嚴重影響，結合以往的工程實踐和相關文獻資料，凍土病害可造成道路翻漿、熱熔坍塌、融凍泥流等多種病害現象[4]。

2.1 道路翻漿

道路翻漿是高原公路常見的病害類型之一，多分布于地表水與地下水流通不暢的碎石細粒土堆積的山前和山澗低洼地帶。凍土土層融化期，因地表與地下水流通不暢，土層中的細粒土處于充水飽和或過飽和狀態，土層承載能力下降，在車流荷載反復作用下，公路路基土層變得松軟，路基土被擠出路面，引起高原公路翻漿病害。

2.2 熱融滑塌

熱熔滑塌是高原山地丘陵和緩坡地帶常見的地質病害，由于山地丘陵邊坡或者緩坡地帶的土層含冰量較大，受氣候變暖或施工熱源影響，凍土層不均勻融化，出現熱熔垮塌病害，主要表現為坍塌沉陷和牽引滑動兩種病害現象：

（1）坍塌沉陷多發于巖性單一且地勢較為平緩的地形帶，一般地表坡度范圍約在3°～8°，病害發展緩慢。

（2）牽引滑動多發于地下冰層厚度較大，且分布廣泛的山地丘陵邊坡或緩坡地帶，一般地表坡度范圍約在6°～16°，自然發生情況較少。

2.3 融凍泥流

根據融凍泥流的分布深度不同，可劃分為表層泥流和深層泥流兩種類型：

（1）表層泥流多分布于周期性凍融帶，以帶狀或島狀分布在融化層上部，一般多小規模分布，泥流流動速度較快。

（2）深層泥流多分布于排水不暢，坡度小于10°的緩坡地帶，地下凍土土層分布較深，分布范圍較大；每到暖季來臨，表層凍土土層融化，深層凍土土層仍然處于凍結狀態，形成滑動面，導致深層泥流現象。

2.4 縱向裂縫

縱向裂縫是與行車方向基本平行，并伴有少量支縫的長直裂縫，寬為幾厘米至幾十厘米，長度從幾米到幾十米不等，多發生在距路邊緣3～5 m 的行車道內、緊急停車帶或路肩部位。75%以上的縱向裂縫發生在路基高度大于2.5 m 的路段，且陽坡路段多于陰坡路段。

2.5 路基不均勻變形

根據橫向、縱向不均勻變形產生成因不同，可分為以下類型：

（1）因高原公路路線走向變化，不同路段受太陽光照差異影響，產生光照差異明顯的陰陽坡；陽坡面光照條件較好，溫度相對較高，凍土土層融化深度較深；陰坡面光照條件較差，溫度相對較低，土層融化深度較淺，陰陽坡土層凍融狀態不對稱，導致橫向不均勻變形[5]。

（2）受周期性凍融影響，凍結期3 個月時間內，凍土土層水分結冰膨脹，路基出現凍脹變形；在融化期9個月時間內，凍土土層融化，力學性能和承載力減弱，路基受車輛和自身荷載作用，發生不均勻沉降變形，引發路基橫向變形。

（3）因地形和地質條件不同，路基開挖回填高度存在差異，引起填土強度差異，使不同路段路基承載能力不同，在車輛荷載作用下，導致路基出現縱向不均勻形變。

（4）路基兩側坡腳位置，因排水不暢造成坡腳積水，積水向地表以下滲透，造成路基承載力下降，同時會與地表下土層或冰層產生水熱傳遞效應，進一步影響凍土土層路基穩定性，導致路基出現縱向不均勻變形。

2.6 邊坡疏松

邊坡疏松是高原公路路基的一種典型病害形式，主要表現為邊坡土體松散，降雨過后，邊坡上會有小型的沖溝。邊坡疏松將導致邊坡局部垮塌、路基寬度變窄等破壞。

3 凍土病害的防治

根據以往高原公路凍土病害防治施工實踐，針對不同類型的凍土，應采取不同的凍土病害預防和處治措施。結合高原地區氣候和季節特點，最佳施工時間為每年的4—10 月。

3.1 保護多年凍土

針對連續分布，且融化層深度分布較淺的凍土土層，應通過抬高路基高度的方法，保護多年凍土土層，削弱施工熱源、氣候周期變暖對多年凍土涂層影響，治理措施如下：

（1）在多年凍土土層上，增設保溫效果優異的黏土層，然后再鋪筑砂墊層，使多年凍土土層保持穩定；針對翻漿病害集中路段，應將周期性凍融層挖除，再填筑砂礫填層，改善路基透水性，減少周期性凍融對路基的不良影響。

（2）永凍區路段，應根據路段所處凍土土層分布厚度、土層土質構成、水文環境和降水等因素，采用最小填土高度、臨界高度法，合理確定填土高度，確保路基頂面長期保持干燥狀態，減少降水、周期性凍融對路基的不利影響。

（3）加密綜合排水工程，由于水的比熱容較大、導熱性能較強，因此，針對路邊積水這一“熱源”，應設置相應的防護措施，在邊溝、截水溝等易積水位置，設置加密排水設施，隔絕降水、融水等水害的“熱源”效應，減少融沉現象的產生，同時提高排水設施的排水效果，避免路基邊溝、坡腳等位置積水。

（4）在周期性凍融區，為減少凍土層周期性凍融對路基的不良影響，可在路基合適位置，鋪設土工布、涂膜編織袋等隔水密封材料，避免冬季地下水升至路基頂部造成凍脹和融化，影響路基穩定性和整體性。

3.2 熱融滑塌防治

高原公路滑坡病害治理，應以預防為主，采取防治結合的治理措施。對已發生滑坡病害的路段進行治理時，應遵循一次根治，不留后患的治理原則，預防和治理措施如下：

（1）增強滑坡抗滑力，根據滑坡坡度、土層土體結構等因素，綜合采用壓腳、擋墻、抗滑樁、錨索等加固措施。

（2）通過削坡、減載等方法，降低滑坡自重、載荷，減小滑坡下滑力。

（3）設置完善的排水設施，避免邊坡、邊溝等部位積水，減少降水、積水等對路基的侵蝕和周期性凍融帶路基的不良影響[6]。

3.3 融凍泥流防治

高原公路是泥流病害的高發地區，為保障道路行車安全和道路交通能力，應采取有效的融凍泥流預防和治理措施：

（1）在泥流和泥石流病害高發區域，通過適當提高路段高程，繞過山脊區域，或者在泥石流地段，合理布置穿越線路，使線路橫向通過病害高發地段，減輕泥流病害對道路的不良影響。

（2）在溶洞泥流高發區域，根據地形地貌特點，合理采用橋梁跨越或隧道穿越等方案。

（3）根據路段所處地質條件，合理預測泥流病害發生概率、位置和規模，合理設置排泄、調治和攔蓄設施，達到減小病害規模，降低病害發生概率，起到引流、攔截的作用。

3.4 路基縱向裂縫的處治措施

針對路基縱向裂縫發育嚴重處，提出柔性枕梁結合凸榫式土工膜袋綜合處治縱向裂縫的措施，如圖1 所示。

圖1 柔性枕梁結合凸榫式土工膜袋綜合處治縱向裂縫（單位：cm）

（1）柔性枕梁既有在平面上抗拉強度高的優勢，又有在豎直方向上抗折性能好等特點，能起到橋聯裂縫的作用。

（2）采用凸榫式土工膜袋來加強抗裂效果，利用高壓注漿機把適當配比的水泥漿灌入多孔的土工膜袋中，使得在膜袋袋孔附近形成凸榫結構，增強與土體之間的摩阻力，防止縱向裂縫擴張。

3.5 防治凍土路基變形的熱棒技術

熱棒技術作為一種高原公路路基變形治理的重要手段，通過液體的氣液相變效應，可有效降低路基溫度，防止凍土土層退化[7]，其工藝原理和主要作用如下：

（1）工藝原理：熱棒技術原理圖如圖2，熱棒的本質是由一根密封金屬管和熱敏工質制作而成的一種散熱元件，下部為蒸發段，其中的液體工質，受熱氣化上升，升至上部冷凝段時，與溫度較低的管壁接觸，蒸汽熱量被管壁吸收，并重新液化，在重力作用下重新回流至蒸發段，上部蒸發段有散熱葉片，使溫度始終保持在較低狀態；如此循環往復，不斷帶走土層中的熱量，防止多年凍土土層融化失穩，提高路基穩固性。

圖2 熱棒工作原理示意圖

（2）凍土區熱棒作用主要有3 點：

1）降低凍土土層溫度，防止凍土土層融化；

2）提高凍土土層凍結強度，保證凍土土層結構穩定性，提高土層承載能力；

3）降低基礎凍脹作用，增強樁基抗凍脹穩定性。

3.6 邊坡疏松處治技術

特殊的氣候條件致使大氣降水的滲入、溫度周期變化產生的凍結與融化致使邊坡疏松嚴重。隨著邊坡部分土體強度下降，瞬時強降雨后，坡面上會形成沖溝，當車輛荷載作用時就容易發生滑塌現象。鑒于此，采用在邊坡挖除重填過程中拌入土壤固化劑進行回填的處治措施。

4 結論

該文結合高原公路凍土類型，研究了不同凍土類型下的高原凍土病害對道路的影響，探討了針對高原公路凍土病害的預防和治理措施，結論如下：

（1）可采用柔性枕梁結合凸榫式土工膜袋技術，綜合處治縱向裂縫。

（2）凍土病害的防治，應采取預防為主的事前防治措施，適當采用熱棒技術，保持多年凍土土層穩定，避免多年凍土土層融化失穩。

（3）熱融滑塌防治，可通過增強滑坡抗滑力，減小滑坡下滑力以及優化排水設施等方式進行預防。

（4）融凍泥流防治，可結合地形地貌特點，合理設置排泄、調治和攔蓄設施，減小病害規模，降低病害發生概率；或采用橋梁跨越或隧道穿越等防治方案。

（5）邊坡出現松散、沖溝病害，可采用土壤固化劑，進行邊坡挖除重填加固治理。