探討凍土地區路基病害治理技術

摘要 文章概述了凍土地區路基病害的成因和發展規律，包括水分遷移、凍融循環等關鍵因素，詳細分析了凍土地區常見的路基病害類型，如沉降、變形和裂縫等，并深入探討一系列針對性的治理技術，包括增加路基寬度、加強排水系統、合理選擇填料材料、改進施工技術、加強維護管理以及建立病害監測與評估體系等，旨在為凍土地區路基的施工、病害治理實踐等提供一定參考依據。

關鍵詞 凍土病害；公路施工；治理技術

中圖分類號 U418.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）16-0037-03

0 引言

隨著全球氣候變暖，凍土地區面臨著日益嚴重的路基病害問題。凍土是一種特殊的土壤類型，在低溫條件下，其內部水分凍結形成冰晶，導致土壤體積膨脹和收縮。這種特殊的物理性質嚴重影響凍土地區路基的穩定性，從而引發一系列的路基病害，如沉降、變形和裂縫等。為有效應對這些問題，對凍土地區路基病害治理技術的研究顯得尤為重要。該文旨在深入探討凍土地區路基病害的成因、發展規律及治理技術，以期為相關工程實踐提供有益參考。

1 凍土地區公路項目概況

某公路連接新疆民豐縣與西藏改則縣，是一條全長達3 223 km的重要通道。國道216線民豐段長度為268 km，它不僅是新疆南部地區通往藏西北、藏西南的主要道路，還是我國西南、西北邊陲至關重要的國防干線公路。

由于海拔高、溫度低，加之第四紀松散的碎片較厚，地下水位淺，高山和盆地的廣泛發育，這些因素給公路建設帶來嚴重影響。公路沿線分布著大量的冰凍切片，路基解凍時常常發生邊坡坍落、凍脹等災害。這條公路幾乎每年都會遭受損壞或交通中斷的情況，對當地的經濟和國防安全構成不小威脅。

2 多年凍土地區對路基的危害

多年凍土地區公路路基的主要危害見圖1所示。

（1）凍脹：在有凍脹性的路段，當有水分供給時，在冬季負氣溫作用下，水分連續向上聚流，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。凍脹性的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輕凍脹、凍脹、重凍脹、特重凍脹。

（2）翻漿：當冬季負氣溫時，水分連續向上聚流、凍結成冰，導致春融期間土基含水過多、強度急劇降低，在行車作用下路面易發生彈簧、裂縫、鼓包、冒泥等現象。根據導致翻漿的水分來源，將翻漿分為地下水類、地面水類、土體水類、氣態水類、混合水類。根據翻漿高峰時期路面變形的破壞程度，將翻漿路段分為輕型、中型、重型。

（3）縱向裂縫：在路基的陽坡或者當路基邊坡坡腳有積水時，路基容易產生縱向裂縫這種病害，其產生原因主要是由于氣溫變化導致路基土出現不均勻凍脹和收縮。縱向裂縫在冬季時最為嚴重，隨著春季氣溫升高，裂縫會隨著土體不均勻變形的減少而減少。但這種循環性凍融可導致路基的穩定性遭到損壞，路基邊坡會因受到車輛荷載應力的作用而發生滑塌。

（4）路基融沉：主要發生在含冰量大的黏性土地段，特別是當路基基底的多年凍土上部或路塹邊坡上分布有較厚的地下冰層時。由于地下冰層較淺，在施工及運營過程中受到各種人為因素的影響，可能導致多年凍土局部融化。上覆土層在土體自重和外力作用下，會產生沉陷，從而造成路基的嚴重變形。這種變形表現為路基下沉、路堤向陽側路肩及邊坡開裂、下滑，以及路塹邊坡溜坍等。融沉具有一些特定的特點，它在空間上表現為不連續性，因為島狀多年凍土地區的多年凍土分布本身具有不連續性，凍土的厚度也具有不均勻性。因此，這也直接導致了道路融沉具有不均勻性。有的路段可能會以較慢的速度連續下沉一段時間，而有時則會突發大量的沉陷，并使兩側部分的地基土隆起。

3 路基施工凍土治理方法

3.1 多年凍土地段路基施工原則

多年凍土地段的路基施工應遵循圖2所示的幾大原則。

3.2 多年凍土地段路基施工治理技術

3.2.1 保護凍土方案

（1）覆蓋保溫材料：在地面上覆蓋保溫材料，如稻草、秸稈、松針或塑料薄膜等，以防止地面的熱量散失和土壤凍結。這些材料可以吸收土壤中的水分，降低水分凍結的風險，同時還可以起到保濕和增加土壤肥力的作用。覆蓋的厚度可以根據需要進行調整，一般在10～15 cm之間。

（2）合理利用化學材料：如氯化鈉、尿素、氯化鈣等，這些化學材料能夠在土壤中形成一定的保溫層，防止水分凍結，從而保護地面植被。但需要注意的是，這些化學材料具有一定的腐蝕性，使用時應注意安全，并避免過量使用。

（3）調整地下水位：在凍土區，提高地下水位可以增加土壤的溫度，減少土壤的凍結程度。通過合理調整地下水位的高低，可以控制地下水對土壤的影響，減少凍土危害。

（4）建立排水系統：在凍土區的建筑物周圍和道路下方安裝排水系統，可以有效地排除土壤中的水分，減少凍土形成。排水系統應具備良好的排水能力和防凍性能，以確保土壤中的水分能夠及時排除。

（5）土壤改良：通過采用土壤改良技術，可以改善土壤的物理和力學性質，提高土壤的穩定性。常見的土壤改良方法包括加入粉煤灰、石灰等材料，改善土壤的結構和排水性能。

（6）增強地面穩定性：在需要增強地面穩定性的地方，可以增設支撐結構，如擋土墻、地下樁等，這些支撐結構可以有效地減少凍土對地面的破壞[1]。

3.2.2 破壞多年凍土方案

（1）熱融法：通過向凍土中注入熱水、熱油或其他加熱介質，使凍土融化。這種方法可以快速有效地破壞凍土，但需要消耗大量的能源，并且可能對周圍環境產生一定影響。

（2）機械挖掘法：使用挖掘機、推土機等機械設備進行挖掘。在挖掘過程中，需要注意控制挖掘的深度和速度，以減少對周圍凍土的破壞。同時，挖掘出的凍土應及時進行處理，避免對環境造成二次污染。

（3）爆破法：在凍土中設置炸藥進行爆破，使凍土破裂破碎。這種方法適用于較厚的凍土層或堅硬的凍土，但需要注意安全控制，避免對周圍環境和人員造成傷害。

（4）化學法：通過向凍土中注入化學試劑，破壞凍土的結構，使其融化或軟化。這種方法需要在專業人員指導下進行，并嚴格控制化學試劑的使用量和種類，以避免對環境和生態造成負面影響。

3.2.3 深挖路塹的施工方案

（1）標定路塹：根據設計要求，在施工現場設置標桿，標明路塹的起點和終點，確定路塹的寬度和深度，并做好標識。

（2）清理路塹：先將路塹兩側的土壤挖掉，然后利用挖掘機等設備將路塹內的土石挖掘出來，并將其轉運到指定地點。在清理過程中，需要注意安全，防止土石坍塌。

（3）處理垂直擋墻：根據設計要求，對路塹兩側的垂直擋墻部位進行處理。常見的處理方式有設置混凝土擋板、固定鋼板等，以確保擋墻的穩定性和安全性。

（4）進行開挖：根據凍土分層調查結果，選擇合適的施工方式進行開挖。可以采用機械和人工相結合的開挖方式，同時注意保護周圍環境和設施。在開挖過程中，需要特別注意防止凍土融化引起的坍塌和滑坡等安全問題。

（5）敷設排水系統：在開挖路塹后，應及時敷設排水系統，以排除降雨或融雪所產生的水分，防止積水對凍土造成損害。排水系統應具備良好的排水能力和防凍性能，以確保排水暢通。

（6）保溫措施：在開挖過程中，應采取適當的保溫措施，如在路塹表層覆蓋保溫材料，以減緩土壤溫度下降的速度，防止表層土壤因凍結導致施工困難。同時，在路塹開挖完成后，應及時恢復保溫材料的覆蓋，以減少土壤溫度變化，防止凍土退化。

（7）施工完畢后的覆蓋保護：施工完畢后，應及時覆蓋、保護路塹表層，防止風吹日曬和雨水侵蝕。覆蓋材料可以選擇稻草、草簾等，以保持土壤濕潤和防止凍土形成。

3.2.4 合理安排施工季節和時段

施工季節和時段的選擇對路基施工質量和穩定性具有重要影響，應根據當地氣候條件和凍土特性，選擇適當的施工季節和時段，避免在凍融循環頻繁或凍土活動強烈的時期進行施工。

3.2.5 采用先進的施工技術和設備

（1）冷凍土工程技術

冷凍土工程技術是一種利用低溫冷卻劑將土壤凍結，提高土壤強度和穩定性的施工方法。冷凍土工程技術的施工方法主要包括以下幾個步驟[2]：

1）準備階段：在施工前，需要對施工現場進行詳細的地質勘察和環境評估，以了解土壤的性質、地下水位、氣候條件等因素。同時，應制定詳細的施工方案和安全措施，確保施工過程的順利進行。

2）穿孔施工：使用鉆孔機或其他穿孔設備，在預定的位置進行穿孔。穿孔的孔徑和孔距應根據工程的具體要求進行選擇，穿孔深度則根據需要凍結的土層厚度進行確定。

3）冷卻劑注入：將冷卻劑（通常是液氮、液氧或鹽水、乙二醇水溶液等）通過穿孔孔道注入土壤中。注入過程中需要控制注入速度和數量，以避免過快或過慢導致不均勻凍結。注入后需要等待一段時間，以保證冷卻劑充分擴散，確保整個土體都能達到所需的冷卻溫度。

4）凍結維持：在注入冷卻劑后，需要保持一定時間的冷凍維持期。冷凍維持期的長短取決于土體的溫度、孔距和孔徑等因素。在維持期過程中，需要監測土體溫度并及時調整冷卻劑的注入量，以保持凍結狀態。

5）挖掘和支撐：在土壤凍結后，可以進行挖掘工作。挖掘過程中需要采取適當的支撐措施，以防止土體坍塌或變形。同時，還需要對周邊環境進行監測，確保施工對周圍環境的影響處于可控范圍內。

6）融化和恢復：在工程施工結束后，需要將冷凍劑排除并脫離凍土。脫凍一般使用加熱或注入熱水的方式，使凍土逐漸融化，以恢復成普通的土壤狀態。在融化和恢復過程中，也需要注意對周邊環境的影響。

（2）電加熱冷凍土技術

電加熱冷凍土技術是一種利用電能產生熱量，通過傳熱方式將熱量傳導至需要加熱的區域，從而解決冬季施工中地面結冰、凍土等問題的技術。其工作原理是，通過在地面鋪設加熱電纜或板材，并通過控制加熱系統的溫度和時間，可以有效提升地面溫度，防止結冰和凍土現象的發生，保證施工順利進行。

相比傳統加熱方式，電加熱法具有無煙無味、環保節能的優點，并且可以通過智能控制系統精準控制加熱參數，確保施工安全和效果。在操作過程中，需要遵循一系列步驟，包括準備工作、鋪設電加熱設備、連接電源、調控系統、監控施工以及施工完成后的處理等。

此外，電加熱冷凍土技術還可以應用于土壤檢測領域。通過低溫冷凍技術，先使土壤樣品中的水分結冰，再在真空環境下通過加熱使冰晶升華，從而避免高溫對土壤結構的破壞，保持土壤樣品的原始結構。

（3）地下水循環系統技術

凍土地段地下水循環系統技術是指在凍土地區，通過人工干預和管理，利用地下水循環原理，實現對地下水資源的合理利用和有效保護的一種技術。在凍土地段，由于土壤凍結和融化的反復作用，地下水的補給、徑流和排泄過程均會受到一定的影響。因此，需要采取特殊的技術手段管理和調控地下水的循環過程。在凍土地段地下水循環系統技術中，需要考慮凍土的物理和力學特性，以及凍土對地下水循環過程的影響，通過對凍土地段的勘察和研究，了解凍土的分布、厚度、凍結深度等基本情況。根據凍土的特點和工程需求，選擇合適的技術手段干預和管理地下水的循環過程。

在凍土地段地下水循環系統技術中，需要注意防止凍土融化引起的地質災害和地下水的污染問題，采取有效的措施保護凍土的穩定性和地下水的水質，確保地下水資源的可持續利用和有效保護。

4 結論

綜上所述，通過凍土地區路基病害治理技術的研究，得出結論如下：對于凍土地區路基病害的治理，需要深入了解凍土的物理和力學特性，以及凍融循環對路基的影響，以制定針對性的治理措施。

凍土地區路基的主要病害，如縱向裂縫和路基融沉等，可以采取以下治理技術：

（1）對于縱向裂縫，可以通過優化路基設計、加強排水措施、提高路基材料的抗凍性能等方法進行預防。同時，對于已經產生的裂縫，可以采用注漿加固、鋪設土工格柵等方法進行修復。

（2）對于路基融沉，可以通過增加路基高度、采用保溫材料、改善排水系統等措施進行預防。對于已經發生融沉的路基，可以采用注漿加固、換填等方法進行修復。

參考文獻

[1]呂會娟.凍土地區路基病害及治理措施分析[J].交通世界，2023（24）：29-31.

[2]陳曉杰.多年凍土區路橋過渡段差異沉降及治理措施研究[D].西安：西安科技大學，2018.