季节性冻土地区道路冻深的研究

季节性冻土地区道路冻深的研究摘要：冻深的确定是季节冻土区路基防冻设计的主要内容之一。

根据察格高速公路典型路段道路冻深的现场观测资料，对确定道路冻深的各种现场方法的优缺点进行了对比，并且对影响道路冻深大小的气温、地下水位、土质和含水量、线路走向和路基断面形状等因素进行了分析探讨。

关键词：季节性冻土；道路；冻深季节性冻土是指冬季冻结而春夏融化的土层，受季节气候影响明显。

我国季节性冻土面积约为514万km2，占国土面积的53.5%。

季节性冻土的冻胀和融沉作用对工程影响非常大，冻结时地层承载力大，解冻时融陷强度低。

因此在季节性冻土地区进行公路、铁路建设时需严格考虑季节性冻土对工程的影响并采取适当的防范措施以保证冻土路基的稳定性。

土体的冻胀将造成公路、铁路线路不平整，甚至影响行车安全，所以设计冻深的合理确定是保证冻土路基稳定的前提。

土的冻结深度是冻结能力的体现，也是决定各种冻土地区工程防冻胀处理措施的主要指标。

1 设计冻深常用计算方法1. 1 改进的斯蒂芬公式法斯蒂芬公式是目前广泛应用的冻深计算公式，是基于冻深与气温之间相互关系得到的。

最初始的斯蒂芬公式考虑因素过于简单，使得冻深计算精度误差较大，后经多年实践研究，对公式中热量进行修正，提出了改进的斯蒂芬公式：2.1 气温在建立气温与冻深的经验关系时，为了能够较真实地反映气温对冻深的影响，通常引入空气冻结指数Tkd的概念，用空气冻结指数代替气温变量，建立空气冻结指数与冻深的关系空气冻结指数是指某地在冻结期间的日平均气温tkd累积值的绝对值，冻结期为从本年度入冬时月平均气温在零下那一个月开始到来年初春月平均气温在零上那一月终止的一段时间，日平均气温为每天2点、8点、14点和20点四个时刻气温的平均值。

冻结指数Tkd可用下式表示：空气冻结指数Tkd=冻结期日平均气温tkd的绝对值气温不仅影响冻深值大小，而且还影响最大冻深出现的时间。

2.2 土质和含水量对冻深的影响路基土对冻深的影响有两方面，一是土质，二是含水量。

季冻区道路冻胀、融沉机理分析及防治现状摘要：对东北地区季节性冻土的冻胀、融沉机理进行深入分析，通过毛细理论、水分迁移理论得出冻胀、融沉过程的影响因素，得出季冻区冻胀融沉的主要影响因素是土质、含水量以及温度，并据此提出具体的防治措施，为相关研究提供借鉴经验。

关键词：季节性冻土；冻胀；融沉；防治0 前言中国是受冻胀危害比较严重的国家之一，主要分布在大兴安岭、小兴安岭等东北地区以及青藏高原等西部高山区域，季节性冻土面积占我国国土总面积的53.5%[1]，位于季节性冻土地区的公路面临着冬季冻胀、春季回暖融沉的问题，这是导致寒冷地区各种道路病害的主要原因[2]。

因此，针对冻土地区的冻胀、融沉过程的深入研究分析逐渐受到更多的重视且势在必行。

1 冻胀和融沉机理分析1.1 冻胀季冻区道路冻胀，主要指的是路基土体的冻胀。

由于大气负温的作用，土体中的水分冻结成冰，土体发生水分迁移，路基土随着温度降低的方向形成冰晶体，导致土体的体积增大膨胀[3]。

由于路基土体中的含水量和密实度在不同季节、不同气候条件下发生的不均匀改变，加之道路周边复杂的地理环境的相互影响，直接导致路基土的冻胀变形的不均匀性[4]。

因此，路面在受到不均匀的冻胀力的影响下，内部发生拉应力效应。

1.2 融沉春季气温上升，土中冰晶体融化之后，土颗粒之间的胶结程度降低，摩擦力减小[5]。

在其自重应力的作用下，土颗粒之间的空隙逐渐被压缩，土体的体积减小。

路基开始融化，导致路面下地基土较两侧的路肩土的融化速度快，造成路基的凹形冻土核残留，土层上部已经融化的水分在融化区域内无法排出，进而造成翻浆。

2 冻胀和融沉影响因素分析2.1 冻胀影响因素季冻区路面易出现冬季低温冻胀、春季回暖融沉的问题，给道路造成不同程度的破坏，包括鼓包、开裂、路基不均匀沉降等。

而道路冻胀主要受到路基的影响，由于各路基土体的土质、压实度、含水量的不同，导致路面受到不均匀冻胀力的作用影响[6]。

季节性冻土地区铁路路基冻害及对策分析引言一直以来，冻裂、裂缝等质量危害都是冻土地区公路路基的一种质量通病，不仅大大降低了公路建设服务质量，还给后期修筑施工造成了很多的不便，致使公路无法正常运行。

因此，考虑到冻土路基的特性，进一步提高公路结构的稳定性，加强对公路路基的保温养护是非常重要的，同时相关建设单位还应该加大对节能环保型保温材料的应用，以免破坏到周围生态环境，促使道路建设的社会效益与生态效益得以充分体现。

一、季节性冻土地区铁路路基冻害部位分类（一）、表层冻害表层冻害特点是：一般隆起高度为10mm～40mm；在呼和浩特铁路局管内地区一般从11月上旬开始，最晚到12月中旬停止发展，来年4月中旬～5月上旬回落完。

表层冻害危害主要表现在：可引起路肩纵向高低变形、开裂，造成基床表层土体强度降低，从而引起道碴沉陷，导致轨道纵向高低变形；引起坡面隆起变形、开裂，导致土体强度降低。

（二）、深层冻害路基深层冻害产生的时间较晚，在冻期的后半期产生，呼和浩特铁路局管内地区一般在12月中旬以后，直到冻期末冻害才能停止。

深层冻害的产生大多是因地下水的关系，如果没有地下水，即使土质有所差异，下部呈现脱水现象，也无多少冻胀。

二、温度对季节性冻土地区铁路路基的影响通常情况下，在受到气温变化的影响下，冻土路基一般产生升温速率的主要原因体现在两个方面，一方面是冻土中参与的冰和水的相变潜热数量，另一方面则是地基土层的导热系数。

如果冻土地基中含有较高的冰量时，当温度发生变化，将会产生大量的冰水相变。

所以，含冰量高的冻土地基温度对于气温改变的感应相对迟缓。

这样一来，若是在气温胜率相同的情况下，一旦冻土地基处于剧烈相变的地区，其地基温度变化随之产生更多数量的冰水相变。

因此，这种高含冰量的冻土地基的速率不高。

相反，当冻土地基处于平稳区段时，低温发生变化，相变热量减少，此时导热系数将会成为主要影响因素，使得含冰量较高的冻土地基速率加快，同时季节性的冻土地基正是因为这一点，才会导致年平均温度急剧上升。

季节性冻土地区公路路面抗冻设计【摘要】随着经济的快速发展，公路的建设越来越多。

但在季节性冻土地区公路路面工程冰冻损害仍比较普遍，为了延长公路路面的使用寿命，就需要加强季节性冻土地区公路路面的抗冻设计，本文就路面在冻胀力作用下的抗冻设计和路面防冻层厚度的设计进行了深入分析，希望能为以后类似的设计提供参考。

【关键词】季节性；冻土地区；路面；抗冻；设计1、季节性冻土地表层土冬季冻结，夏季全部融化的土叫季节性冻土，这些地区叫季节性冻土地区，简称季冻土和季冻区。

目前冬季冻土地区公路路面冰冻损害现象比较普遍，季节性冻土地区公路路面冰冻出现损害现象主要是由于路基冻胀使得路面产生不均匀的隆起，以此导致了路面的开裂，其公路畅通和使用寿命受到影响，为有效防止或者减少冰冻损害现象的发生，就需要对公路工程进行抗冻设计计算。

本文主要根据《公路水泥混凝土路面设计规范》与《公路柔性路面设计规范》规定，对路面抗冻设计进行了相关的分析。

2、路面在冻胀力作用下的抗冻设计冻胀是季节性冻土地区公路发生冰冻损害现象主要原因之一，其主要是受路基的影响，路面各处损害现象会随着路基各处土质的不同、密实度不同和含水量不同而不一样。

路面在不均匀冻胀力作用下会产生一定的破坏和变形。

采用简支梁的受力计算方法来计算路面材料不同冻胀力作用下的应变值，在进行受力分析时，所取的路面横向宽板宽为1米，将其简化成简支梁，其所受的力为均匀荷载，然后再建立力学模型，根据具体情况将路面产生的应变和应力计算出来，如下图所示：简支梁在均匀的荷载作用下其挠度f和应力σ计算公式分别如下：从（4）式可以得出，材料在不均匀冻胀力作用下产生的应变指比路面材料的容许应变值[εR]要小，且其大小还受路面宽度和路面厚度的影响。

式中：E为路面材料弹性模量；b为路面横向宽度；I为截面对中性轴的惯性矩；其中εs是路面材料弯曲拉应变，是根据试验来确定的；Zj为路基总冻胀值；ε为路面材料因路基冻胀产生的应变；ξ为路面不均匀冻胀系数，二级公路取0.15，一级和高速公路则取0.2；k为路面材料安全系数，其取值是根据材料均匀性、试验条件和公路等级取1.05到1.1；路面计算宽度为Bk，二级以下和二级公路一般取全宽，一级、高速公路则取的是半幅宽，多车道取得是最大值12米；Hi为路面设计厚度。

季节冰冻区道路路基的若干方面分析季节冰冻区相应的路基形成差异沉降，主要是受到温度场、水分场以及相应的应力场的直接影响，在整个变形的过程中实际的影响因素仍然比较多，季节冰冻区自身地质条件、具体填土材料以及实际施工工艺等因素的综合影响。

受到多种因素的严重影响，路基也会出现一些不均匀的沉降现象，目前，不均匀沉降以及出现的季节冰冻区的冻结和融化成为了目前路基变形或者是结构发生变化的重要原因。

受到路基各种不均匀变形的直接影响了，改变了路面结构具有的附加应力，使路面逐渐出现结构的裂缝，破坏整个路面结构。

一、季节冰冻区道路路基出现沉降的机理所有路基以及相应的上部填方路基实际上否是通过土体最终形成，整个地基在竖直方向出现一定的变形就属于沉降。

外荷载会作用于整个土体中，其中的一部分主要是通过孔隙中具有的水进行承担，这也称为是孔隙水压力。

剩余的另一部分，需要通过土骨架进行承担，称之为有效应力。

具体的有效，就是需要引起压缩有效或者是强度有效，其中实际的有效应力也是总荷载以及相应总截面积的实际比例。

可以将孔隙水压细致的分为净水压力以及超孔隙压力两种。

在荷重的主要作用下，实际的土粒以及水之间的压缩量比整个土体的压缩量更小，气体具有的压缩形式比较强。

处于密闭的整个体系中，土体受到各种力以后会出现变形，最后形成了季节冰冻区的一种路基不均匀沉降现象。

二、季节冰冻区道路路基出现差异性沉降的预测（一）气候条件产生冰冻区的冻害气候条件能够直接影响整个路基冻害的形成，其中的气候条件包括气候冷热、气候变化的时间、季节的降雨量以及具体的降雨时间等因素。

受到气候条件的直接影響，会出现聚冰层深度以及实际分布的各种变化。

如果设置的聚冰层处于整个路基顶面非常深的一个位置，这样的路基并不会受到冻害的严重影响。

然而，如果聚冰层距离整个路基实际的顶面非常近的一个距离，甚至是表层位置，这样就会很容易出现相应的冻害。

受到大气温度的严重影响，温度下降以后，整个土地的温度会处于冰点值，这样就会导致土中实际的冻融层出现一定的冻结情况。

吉林交通科技SCIENCE AND TECHNOLOGY OF JILIN COMMUNICATIONS2019年第3期季冻区路基冻胀融沉控制指标研究项目简介秦卫军吉林省交通科学研究所季节性冻土区公路建设与养护技术交通行业重点实验室(长春)(长春130012)我国冻土面积约占国土面积的75%,冬季冻 结、春夏季融化的季节性冻土遍及长江流域以北的 广大疆域，占国土面积的53.5%。

季节性冰冻气候对 公路工程质量的影响十分显著，伴随着土体中水的 冻结和融化，发生着一系列特有的现象。

尤其是在 挖方路段地下水位较高或地表排水不良、路基填 土冻胀性强的路段，随着大气温度的下降，土体温 度降到土中孔隙水结晶点时，土体便发生冻结，出现冰晶体，导致土体体积膨胀，引起附加的应力和 变形，当路基冻胀引发的路面变形超过路面材料的 容许变形值时，沥青路面发生横向、纵向开裂，冻胀 隆起等现象。

进入春融期后，随着气温的上升，冻结后的土体 从上层和最底层开始融化，但冻土层的中间层尚未 融化，水分无法下渗，使上层土体含水率增大，导致 路基强度降低,会使路基局部或全部失去承载力，使路面结构发生沉陷变形及道路翻浆等现象。

导 致路面使用质量降低，影响行车安全，养护维修成 本增加。

冻土融化过程中，冻土中的冰晶融化成水，土体 体积缩小，产生融化沉降;同时冻土在融化过程中未 冻水含量随地温的升高而增加，直至达到相变温度 点，冰全部变成孔隙水,当未冻水含量增加到足以摆图1实体工程应用脱静电作用时，土体便在重力和上覆荷载的作用下 发生排水固结，土颗粒运动，孔隙度变小而压密，产 生固结沉降。

融化终结后，排水固结并不马上结束，而是继续进行一段时间，直至土体固结沉降达到稳 定。

一般冻土的融沉量要大于冻胀量，有时融沉会变 为突陷。

融沉的不均匀性及突陷往往会导致路面平 整度的降低和路面开裂，影响行车安全、舒适性及路 面质量。

目前公路超载、超速现象严重，增加了路面 结构和路基的动荷载，因此，路基在融沉过程中，不 仅自身重力、路面结构的静荷载对融沉产生影响，动 载的影响也加剧了融沉的发生。

季节性冻土地区铁路路基冻害及其防治措施摘要：在寒冷地区,在铁路路基中经常见到的一种问题就是冻害,特别是在北方区域的铁路路基只要到天气寒冷的时候就会出现冻害的情况,要紧的将对交通安全造成影响。

通常出现的是因为土壤特性的差异而导致的不平均,在道路上出现凹凸不平的形状各异冻包、双股异向冻起、单股侧向冻起等冻害状况,最后因为土壤融冻降低, 水份在土壤中从头分拨,导致路基翻浆冒泥、坡面塌陷、道碴陷槽以及路基沉没等路基问题,削弱了线路水平以及线路上部设备使用寿命,提高了许多的修理资金。

对于不同的冻害现象,经过认真探讨,运用完善的治理方法,保证交通的安全同行。

关键词：季节性冻土；路基冻害；措施引言我国国土辽阔，季节性冻土区占总面积的55%左右，而铁路路基遭受冻土区路基冻胀的破坏，严重威胁了铁路运营的安全。

无碴轨道在寒冷地区的高速铁路路基冻胀难题是一个世界性的问题，现阶段我国铁路行业没有丰富的经验可以借鉴，也没有精确的规范。

根据议事规则维护方式与沉降控制，高铁路基工后沉降要小于15mm，横向结构物交界处如路基、桥梁等工后沉降要小于5mm。

所以说高速铁路极为严格的管控路基变形，路基最大冻胀变形量要小于5mm，这极大的增加了设计和施工难度，同时要保证防冻技术对策的有效性。

1.季节性冻土地区铁路路基冻害部位分类（一）、表层冻害1、路基基床面平整度差，容易积水路基基床面凹凸不平，非常容易导致基床面出现积水的情况，由于基床表面有积水的浸入，土层含水量过大，超出了起始冻胀含水量，水分在表层中结冰，造成体积胀大，冻结锋面又有水分补充，水含量较冻前增加很多，导致发生冻害。

由路基机床面平整性差而造成的冻害，通常在50mm以内，基本在30-50mm之间。

道碴囊和道碴陷槽的深度决定了冻害的深度。

在我国东北一些铁路局管内，通常在路基机床30-50mm的深度范围内。

2、不是匀质特性的表层路基土体因为路堤自身的土质问题来路不一样,还有就是在进行填筑的时候压实的密实程度以及土层中厚与薄也是不一样的;路堑的土体因为是天然的,可是土的掩盖堆放层次以及厚度也完全不一样。

第３４卷第１６期・２９０・２００８年６月山西建筑ＳＨＡＮＸＩＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥＶ０１．３４Ｎｏ．１６Ｊａｎ．２００８文章编号：１００９．６８２５［２００８）１６—０２９０—０３浅析深季节冻土地区路基冻害的预防薛宝科摘要：结合通辽一霍林河扩能改造通辽枢纽工程及既有路基病害情况，论述了深季节性冻土区铁路、公路常见病害的产生机理，分析了影响路基病害的主要因素、不同部位冻害的特点及危害，提出了深季节性冻土地区路基冻害防治措施的意见。

关键词：路基，铁路，冻土地区，强度，温度中图分类号：Ｕ４１６．１文献标识码：Ａ１概述１．１自然概述通辽铁路枢纽位于内蒙古自治区东部通辽市境内，是东北地区西部重要的区域性铁路枢纽。

枢纽区第四系沉积厚度巨大，出露地层上部主要为第四系全新统人工填土，冲积粉质黏土，粉土，粉、细砂，中砂，下部为第四系中更新统冲积粉质黏土，黏土，细砂、中砂。

该区属中温带亚干旱大陆性气候，春秋多风，冬季寒冷，夏季炎热少雨，蒸发强烈，气候干燥，降雨多集中在６月～９月四个月份。

年平均气温７．４℃，极端最高温度３８．５℃，极端最低温度一３３．９℃，接触的底基层可以采用路拌法施工以外，其上面的各层均应采用集中场拌和摊铺施工法，以确保标高、横坡、强度、平整度达到设计要求。

当采用摊铺机进行基层施工时，为了消除中间高两侧低的现象，可适当调整摊铺机两侧的横向斜杆，使熨平板呈中间低两头翘状态。

严格控制基层平整，面层铺筑前用３ｍ直尺对基层进行平整度检测，平整度差且大于８ｍｍ的路段应进行整平。

面层摊铺前认真清扫基层表面，确保基层表面整洁，没有松散浮料和杂质。

如有泥土还应用压力水冲洗干净；如基层表面局部透层沥青或下封层脱落，则应将脱落处基层表面清洗干净后补撒透层沥青或补做下封层。

认真抄平放线，确保基层标高和基准线标高准确无误。

基层标高超过允许范围时，高处必须铲平，低处可用下面层补平。

面层铺筑前受到其他工序污染，如表面滴落水泥成硬渣时，应予及时清除，以确保面层平整度。

42总529期2020年第07期（3月 上）0 引言季节性冻土指的是地表在冬季气温较低时发生冻结，而在春夏季气温较高时发生融化的土。

在含有季节性冻土的地区进行公路工程的修建时，若未对季节性冻土实施深入的分析，掌握其特性，并研究有效的防治方法，将在公路运营后不久会会产生下沉、翻浆等问题，此时除了要投入大量的资金用于维修，还会对行车安全造成威胁，无法正常行车。

基于此，在公路工程的设计和施工阶段，都要对季节性冻土这一特殊情况给予高度的重视，根据其性质及影响因素，制定行之有效的防治措施，对保证公路正常、安全运营，避免意外事故的发生，有重要作用与意义。

1 季节性冻土冻胀性主要影响因素分析1.1 土体类别土体自身冻胀性和粒径及矿物成本有直接的关系，当土体类别有所不同时，其冻胀敏感程度也有很大不同，此即为冻胀主要内因。

目前，经研究发现，容易产生冻胀的颗粒，其尺寸一般在0.005～0.050mm 范围内；粒径处于这一范围之内的土体颗粒，伴随粒径进一步减小，分散性明显增大，使冻胀性增强[1]。

基于此，如果粉土和黏土的颗粒大量增加，则冻胀性将显著加强。

不同类型土体的冻胀性，从强到弱可排列为：黏性土最强，其次是粉土和粉砂，再次是粉黏粒质量超过10%的细砂，最后是粉黏粒质量在15%以上的粗颗粒土，如中砂和碎石类土等。

其中，粗颗粒土的冻胀性主要和粉黏粒的含量有关。

如果粗颗粒土中粉黏粒的质量在15%以内，则为不冻胀土。

此外，对于碎石类土，如果其充填物的质量超过总质量40%，则它的冻胀性需要根据充填物性质来判定。

当土中含有大量亲水性矿物时，其冻胀性将明显增大。

其主要原因为亲水性矿物具有吸水的作用，使土体自身含水量明显增加。

1.2 冻胀前含水量土中呈液态的水一般可以分成以下三种：其一，结合水；其二，毛细水；其三，重力水。

对于毛细水与重力水，亦可称作非结合水，属于自由液态水，受重力控制。

当温度低于0℃时，非结合水将冻结；但结合水往往在-1℃以下时才会冻结。