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季节性冻土区公路路基冻害及其防治

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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。基于此，土体冻胀的一个主要原因是冻结之前在土体中含有非结合水，且非结合水因为温度而发生冻融。从土体物理性质角度讲，非结合水实际上就是土体含水量。因此，土体在冻胀之前的含水量在很大程度上决定了其冻胀性[2]。当温度条件满足时，如土体实际含水量超出某个界限值，则土体将发生冻胀的现象。这一界限值就是始含水量。伴随含水量不断增大，土体自身冻胀率将升高，即单位冻结深度范围内的实际冻胀量，最终使冻结性变强。冻胀率的大小主要和天然与塑限含水量有关。针对具有特殊性质的土体，其塑限含水量往往是一个确定值。因此，冻胀率主要和天然含水量有关。1.3 地下水位

土体自身冻胀性受地下水的影响主要和不同类型土体的毛细水高度因素有关。如果地下水位比某个临界深度要低，则可以忽略对冻胀性造成的影响，只对土中的实际含水量进行分析考虑，这时可看成一个封闭的系统。而如果地下水位比某个临界深度要高，则因为毛细水的存在，地下水会在土体中水不断冻结时为土体提供水分，以此使冻胀性明显增强，这时就会变成一个开放的系统，除了要对含水量进行充分考虑，还应确定地下水可能造成的影响。

2 季节性冻土冻胀性分级

当前，针对处在季节性冻土区的冻土，其冻胀性通常以土体类别、含水量、地下水位及平均冻胀率为依据来分级，而在不同的技术规范当中，往往采用不同的分级指标及方法。如，在公路工程的现行设计规范当中，将地基土自身冻胀性分成两级，即冻胀与不冻胀；在工民建地基基础的现行设计规范当中，将地基土自身冻胀性分成了四

收稿日期：2019-09-25作者简介：杨磊（1986—），男，工程师，主要研究方向为公路工程。季节性冻土区公路路基冻害及其防治

杨磊

（中建路桥集团第六工程有限公司，河北 邢台 054000）

摘要：针对西藏地区季节性冻土公路路基冻害问题，首先分析介绍了季节性冻土冻胀性主要影响因素，包括土体类别、冻胀前含水量与地下水位，然后根据现行技术规范对季节性冻土冻胀性进行了分级，最后提出季节性冻土区公路路基冻害防治措施，其总体思路为切断地表水的下渗、加强路基自身排水与采用非冻胀土进行换填，以此提高季节性冻土区公路路基冻害防治水平，保障季节性冻土区公路路基运营安全。关键词：季节性冻土；公路路基冻害；路基冻害防治中图分类号：U418.5 文献标识码：B

43TRANSPOWORLD交通世界

级，即不冻胀、弱冻胀、冻胀与强冻胀；而在冻土工程的现行地质勘察规范当中，将地基土自身冻胀性分成以下五级：I级为不冻胀；II级为弱冻胀；III级为冻胀；IV级为强冻胀；V级为特强冻胀[3]。实际工程中，对冻胀性进行分级时，应在严格遵循现行标准的基础上，根据所述行业来实施。

3 季节性冻土区公路路基冻害防治

冻害防治工作需要从分析掌握冻胀性主要影响因素方面入手，在确定了冻害产生各项因素以后，再结合实际情况制定针对性防治措施。针对处于季节性冻土区的公路路基，如果路基面下部的地基土是粉黏粒质量在15%以内的粗颗粒土，或者是粉黏粒质量在10%以内的细砂，则地基土自身冻胀率将很小，此时对冻胀可能造成的危害可不予考虑，无需采取任何措施。但需要注意，至于路基面下部多深的地基土满足以上要求才是不冻胀土，需要考虑区域内最大冻结深度，通常为它的60%～95%。而如果路基下部地基土不满足上述要求，则要以冻胀性为依据，结合地下水位实际情况对冻害产生原因进行分析，并制定有针对性的防治措施[4]。通常而言，冻害产生原因可以分为下列几种情况：（1）地下水相对较深，同时地基土自身冻胀等级不超过II级的情况，此时地基土自身冻胀量很小，一般不会对路基造成破坏。然而，如果地基土实际含水量明显增加，会使冻胀量开始增大，提高了冻胀的等级，此时将会路基造成一定程度的破坏。此时，因为地下水相对较深，所以地基土实际含水量增加的主要原因为雨水下渗。例如，在每年的冬季与春季交替时节，路基表层冰雪将逐渐融化，融化产生的水将下渗到土层内，使含水量开始增加，此时夜间气温很低，水容易冻结，进入到土层中的水一旦大量冻结，将造成路基破坏。对此，需在基床上做好封闭，阻止下渗，并对路基的排水予以加强，避免雨水或冻融水下渗导致含水量大幅增加，现在常用措施为铺设一层土工膜来隔水。（2）地下水相对较深，但地基土自身冻胀等级为III级以上的情况，此时地基土自身冻胀量将达到可能对路基造成破坏的程度，要先挖出路基面下部地基土，并使用非冻胀土进行换填。同时，为了避免在换填之后非冻胀土实际含水量大幅增加，导致冻胀量增大，也需要对基床土体实施封闭处理，并加强路基自身的排水[5]。（3）地下水相对较浅的情况，因毛细水的存在，地下水会为路基面下部地基土提供补水，使地基土自身冻胀量持续增加，造成严重的破坏。对此，应采取有效措施降低区域地下水位，最常用的方法就是布置盲沟，如图1所示，然后利用非冻胀土对基床的土进行换填，再对路基面做全面封闭处理，加强路基自身排水。

4 结语

综上所述，路基一旦发生冻害，将对公路的正常和安全运营造成极大的影响，而且处理难度很大，不仅需要投入大量的费用，而且还会对正常行车造成干扰。对此，应在设计过程中就对冻土实际分布及其自身冻胀性予以深入分析、勘察，力求在设计阶段就能实现有效防治。如此，能极大地减少或从根本上避免运营阶段产生路基冻害，在保证运行效率和效果的同时，减少相关维护费用的投入。

参考文献：[1] 武立波，祁伟，牛富俊，等. 我国季节性冻土区公路路

基冻害及其防治研究进展[J]. 冰川冻土，2015（5）：1283-1293.[2] 李林娜. 季节性冻土区公路路基冻害及其防治研究[J]. 交

通世界，2018（21）：42-43.[3] 陈文，李欣. 季节性冻土地区公路路基冻胀性的试验研

究[J]. 路基工程，2018（3）：89-94.[4] 夏雨，张榆，白思宇，等. 谈季节性冻土区给排水系统

冻害及防治措施[J]. 工程建设与设计，2018（9）：109-111，116.[5] 李雨浓，张喜发，冷毅飞，等. 季冻区高速公路路基

冻害调查及试验观测[J]. 哈尔滨工业大学学报，2010（4）：617-623.图1 盲沟结构示意图

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季节性冻土地区道路的翻浆及防治措施

季节性冻土地区道路的翻浆及防治措施

第３３卷第２期　２００７年４月　四川建筑科学研究　Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　１８７　

季节性冻土地区道路的翻浆及防治措施　

朱明，宋珲，蒋跃　

（西南交通大学土木工程学院，四川成都６１００３１）　

摘要：在季节性冻土地区，道路经常会发生翻浆和冒泥现象，对公路造成很大的破坏，所以，研究发生翻浆冒泥现象的本质　及其在工程上的防治措施，对道路的设计和施工是很有指导意义的。　关键词：季节性冻土；翻浆；冻胀；隔离层　中图分类号：，ＩＴＵ４４５　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００８—１９３３（２００７）０２—０１８７—０３　

０前言　

秋季，是路基水的积聚时期。由于降水或灌溉　的影响，地面水下渗，地下水位升高，使路基水分增　多。冬季，气温下降，路基上层的土开始冻结，路基　下部土温仍较高。水分在土体内，由温度较高处向　温度较低处转移，使路基上层水分增多，并冻结成　

冰，使路面冻裂或隆起，发生冻胀。春季，气温逐渐　回升，路基上层的土首先融化，土基强度很快降低，　以致承载力减小，在行车作用下形成翻浆。　

１　工程概况　

郎川公路工程多年平均气温１．１ｏＣ，最冷月多　年平均气温一１Ｏ．７℃，该地区为季节性冻土区，冻土　深度０．５～２．０　ｍ。现有道路大部分地段老路基均　

存在不同程度的冻融翻浆现象，其严重程度同路基　填料和地形条件密切相关，冰冻期从每年９月开始，　冬季产生强烈冻胀，使路基出现强烈变形，路面凹凸　不平，至次年５月中旬才能完全解冻，４月以后原有　路基开始软化和融沉，经汽车碾压成为泥泞的翻浆　路，行车条件极差，断道现象经常发生。经实地勘　探，沿线表层一般有１．０～５．０　ｍ左右的有机质、淤　

泥、腐殖土，下部为深厚的粉质粘土、粉土或砂砾石　土，全线需处理的季节性冻土路基约１　１０　ｋｍ。　

２翻浆产生的原因及影响因素　

２．１　负温度下土中水分的移动规律　

当路基表层的土开始冻结时，土孔隙内的自由　

收稿日期：２０ｏ５—１２－０２　作者简介：朱明（１９７０一），男，湖南常德人，博士研究生，讲师，主　要从事岩土工程方面的研究。　基金项目：交通部科技项目《高原湿地郎川公路修筑及环境保护技　术研究＞资助（２００４３１８０００５４）　Ｅ一—ｍａ—ｌｌ：ｚｈｕｍｉｎｇ＠ｈｏｍｅ．州ｔｌ１．ｅｄｕ．ＣＩ１　水在０￣Ｃ时首先冻结，形成冰晶体。当温度继续下　

关于冻土地区公路路基设计措施探讨及总结

关于冻土地区公路路基设计措施探讨及总结

民营科技2018年第1期工程技术关于冻土地区公路路基设计措施探讨及总结杨元亭（呼伦贝尔市公路勘测规划设计有限公司，内蒙古呼伦贝尔021008）

呼伦贝尔是我国最高纬度地区之一，寒温带和中温带大陆气候特点显著，全年气温冬冷夏暖，温差较大。导致本地区具备不同于其他地区多年冻土的病害现场病害显著及分布特点，表现在分布较为集中，冻土厚度较浅等特殊性，呼伦贝尔地区由于冻土在土质、温度、水、荷载及季节交替环境共同作用下，冻土路基下的多年冻土发生融化，使路基产生不均匀沉降，导致所修筑的路基、路面冻胀、融沉、翻浆等病害。同时，路基的变形破坏又引起了路面的病害；最终造成路基整体稳定性和强度破坏，严重影响驾驶安全性和舒适性，造成严重经济损失。1呼伦贝尔冻土地区公路的病害特征及原因分析1.1翻浆。在冻土地区，由于水分在土壤冻结过程中积聚而不能良好排除土体，当土质属于渗透性较高的粘性土或者情况不佳，春融时期由于冻胀时水分不能及时排出土体，土基强度急剧降低，土基软弱，在行车重复荷载作用下，路面表面出现不均匀起伏、弹簧或破裂冒浆等现象。1.2冻胀。低液限粉质粘土及粉土、湿陷性不良土质中所含的水分在负温作用下变成固态结晶，生成各种形状的冰侵入体而导致土体积的不断增大。造成土层表面凹凸不平。冻胀土与结构物基础之间主要产生冻结力和冻胀力。冻胀现象不仅引起道路破坏，还可引起桥梁、涵洞基础的冻害。1.3融沉。在多年冻土地区，由于呼伦贝尔地区地下冰层埋藏较浅，在施工及运营过程中各种因素造成多年冻土上层局部融化，土粒及其集合体在融化时由于水化作用而膨胀。常造成路基边坡斜坡和各种基础的不稳定。1.4裂缝。由于路基土在冻胀压力作用下发生冻胀或者融沉现象，造成路面结构层发生上升或者下降，从而是路面结构层发生横向和竖向裂缝，拉裂造成整个路面失去整体稳定性。1.5冰害。呼伦贝尔地区主要表现在地下水在冬季受地下水冻胀作用，冻胀产生的冰洁作用阻止在薄弱地面而发生凹凸隆起的土丘，同时还会发生冰丘、冰锥等冰害。2不同情况下冻土地区公路路基设计方案2.1301国道甘-博段和111国道腾克-大杨树段试验路的试验路段作为攻关项目“301国道沿线岛状冻土地区路基路面稳定性研究”中重要试验路段，在冻土路基设计中，针对本地区冻土特征及病害特点，根据不同地质情况，第一层填料厚度以碾压成型而不产生松软现象为宜，适当增大压路机吨位及增加第一层碾压厚度，减少路基沉降变形，提高路基整体强度和稳定性。同时，针对按照设计原则施工完成后，及时进行弯沉和承载板试验，保证路基承载比和强度符合设计规范要求。最终确定了路基设计中针对冻土路基处理方案，针对浅层软基冻土用抛石和换填比较经济科学;对于处理较深层的软基冻土，可结合当地实际情况，选用不同的密实法处理。2.2阿龙山-满归段三级公路，本路线位于呼伦贝尔市根河境内，典型冻土覆盖区，本路线位于连续多年冻土覆盖区域，设计初期，针对本地区以往旧路病害调查，由于激流河横穿本地区段落较多，加上人为活动比较频繁，每到冬季过后，冻胀和融沉交替作用下。会出现局部冻融融沉区，病害分布比较广泛，针对冻土地区路基设计原则；冻土处理时路基基底清除冻土层至冻土天然下限后，回填50cm厚毛石，毛石顶面采用冲击碾压使其密实，再采用天然砂砾分层填筑碾压，填筑砂砾的厚度不小于50cm；冲击碾压按30遍控制。在换填顶面设置土工格栅，格栅采用单向拉伸土工格栅。以保证路基整体稳定性。3公路路基在冻土地区设计方法总结3.1加强地质选线，路线定线时尽量避开较大的冻土发育路段，无法避免时尽量在其边部通过，减少冻土处理路段的长度和工程数量。3.2保护多年冻土：冻土设计以保护冻土为原则，路基尽量以填方形式通过为主，尽量不以挖方形式通过，确保多年冻土上限不变。选用不发生冻胀的路面结构层材料。了解不同路面材料、土基及路面下的冰冻深度与温度之间的关系，使土基冻层厚度不超过一定限度。对于不满足防冻胀要求的结构，可采用调整结构层的厚度或采用隔温性能好的材料等措施来满足防冻胀要求。多孔矿渣是较好的隔温材料。3.3结合呼伦贝尔地区以往公路路基设计现状；适当提高路基高度，降低垂直地温梯度，同时放缓边坡或加宽加高护坡道改善排水设施，加强地面排水，保证路基整体结构稳定性。在设计初期，要认真做好冻土地区工程的地质勘探工作，结合正确评价工程建设条件。在条件许可的情况下，尽量保证路线选择水文地质良好的地段通过。同时，结合实践工程中经验方法，坚持科学设计，合理处置方案和有效设计标准，及时养护，避免公路冻胀病害的发生，保证路基稳定性和整体性。参考文献[1]李帅.季节性冻土地区公路路基设计要点[J].黑龙江交通科技，2017（2）：48+50.[2]张磊.内蒙古季节性重度冻土区博牙高速公路设计研究[D].长春：吉林大学，2012.[3]刘茂海.关于多年冻土地区公路路基的设计[J].呼伦贝尔学院学报，2008（2）：79-80.[4]侯仰慕，安春英，董洁滨，等.冻土地区公路的病害特征及防治措施[J].内蒙古公路与运输，2003（2）：18-19.摘要：通过呼伦贝尔地区冻土病害特征及原因，对比呼伦贝尔地区以往实际工程中对于冻土覆盖地区公路路基设计方案，探讨和总结在冻土地区公路的病害特征及公路路基设计防治措施。关键词：冻土；公路病害；设计；防治中图分类号：U416.1文献标识码：A文章编号：1673-4033（2018）01-0087-0187

季节性冻土路基的冻胀机理及其防治措施

季节性冻土路基的冻胀机理及其防治措施

第２７卷第２期　２０ｌ３年４月　土　工　基　础　Ｓｏｉｌ　Ｅｎｇ．ａｎｄ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｖｌｏ１．２７　Ｎｏ．２　Ａｐｒ．２０ｌ３　

季节性冻土路基的冻胀机理及其防治措施　

江　涛　

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　７１００４３）　

摘要：在高寒季节性冻土地区修建高铁时，往往面临路基冻胀问题，现针对我国在季节性冻土地区高铁设计中存　在的冻胀问题，梳理了季节性冻土路基冻胀机理，分析了影响路基冻胀的主要因素，在此基础上，对季节性冻土路　基的冻胀防治措施进行了探讨。　关键词：冻土，路基，冻胀防治　中图分类号：Ｕ４１６　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４—３１５２（２０１３）０２—００９３—０４　

１　引言　

我国是受季节性冻土工程危害较为严重的国家　之一，全国冻结深度大于０．５　ｍ的冻土区约占国土　总面积的６８．６％，其中季节性冻土占５３．５　Ｌ１］，而　

且季节性冻土分布面积随着地球温室效应还在不断　扩大。广泛分布的季节性冻土因其冻胀、融沉特性　对包括铁路在内基础设施施工和运营安全带来了巨　

大挑战。仅以我国铁路路基冻胀问题最为严重的哈　尔滨铁路局为例，２００４年该局所辖线路超过１５　ｍｍ　以上冻害１６１２３处，长３３４４５４　ｍ，其中５０　ｍｍ以上　部位有１２１处，长度达４３２３　ＩＴ１ｌ２ｊ。　

对季节性冻土的工程性质，人们有一个认识深　

化的过程。Ｔａｂｅｒ等人于上世纪３Ｏ年代就开展了　对冻胀机理的研究，指出地下水及冻结速率对土体　冻胀量具有较大影响并观察得出粉质土为代表的细　

颗粒土最易产生冻胀。上世纪６０年代，Ｅｖｅｒｅｔｔ提　出了毛细理论，被称为第一冻胀理论＿３　；之后０　Ｎｅｉｌｌ和Ｍｉｌｌｅｒ等人提出了冻结缘理论，被称为第二　冻胀理论　］。我国自上世纪五十年代后针对东北等　

高寒地区工程建设的实际需要开始对季节性冻土的　工程性质进行总结和研究。对季节性冻土的冻胀分　级和冻胀敏感性等问题，工民建、铁路、水利等各行　

内蒙古多年冻土地区主要道路病害与防治措施

内蒙古多年冻土地区主要道路病害与防治措施

内蒙古多年冻土地区主要道路病害与防治措施 内蒙古多年冻土位于中国东北部，纬度偏北，冬季严寒，雨量较多。每年10月上旬开始冻结，次年五月上旬开始融化，一年中有7～8个月是寒季。它属中、低山丘陵，主要为白垩纪和第三纪地层。山地丘陵区地表层中的粗亚砂土、轻亚粘土厚仅数十厘米，以下为坡积碎、砾石土。基岩多为玄武岩、安山岩、火山角砾岩及花岗岩等。地下水较深，地表干燥。冻土层上水特别充裕，上限距地表很浅，地表长期过湿，夏季积水，冬季发生冰丘、冰锥等不良地质现象。沼泽相当发育，广泛分布于洼地、缓坡、其至平坦的分水岭地带。

2主要道路病害调查

冻土是一种特殊的土体。其成分、结构、热物理及物理力学性质均有着不同于一般土的许多特点。冻土区的活动层每年都要发生季节融化和冻结，并伴随有各种冻土现象。因此，在多年冻土地区修建的道路每年都要发生一些破坏现象，只有对这些破坏现象给与充分的重视，并加以研究，才能更好的在以后的道路修建中，减少和避免这些现象的发生，保持道路具有良好的路用性，更好的为国民经济服务。岛状多年冻土地区常见的道路破坏现象有：融沉、冻胀、翻浆、冰丘、冰锥、延溜冰及路面损坏等。

2、1融沉

融沉是岛状多年冻土地区路基的主要病害之一。一般多发生在含冰量大的粘性土地段，当路基基底的多年冻土上部或路堑边坡上分布有较厚的地下冰层时，由于地下冰层埋藏较浅，在施工及运营过程中各种人为因素的影响下，使多年冻土局部融化，上覆土层在土体自重和外力作用下产生沉陷，造成路基的严重变形。这种变形表现为路基下沉，路堤向阳侧路肩及边坡开裂、下滑，路堑边坡溜坍等。

2、2冻胀

冻胀是冻土区筑路时需要考虑的另一重要病害现象，在多年冻土地区，处于不良地质、水文条件下的路段，路基土冻结过程中会发生水分迁移现象。水分不仅向冻结锋面迁移，而且在冻结中凝结成冰，由于冰的密度略小于水，故在冻结的过程中伴随着体积的膨胀，从而造成路基土的冻胀。冻胀的发生是需要两个必要条件的，一是有充足的水分补给源，二是有水分补给的通道。