淺談多年凍土地區(qū)特殊路基處理措施

孫寶君

(1.黑龍江省龍建路橋第三工程有限公司;2.北黑高速公路A5標(biāo)段)

淺談多年凍土地區(qū)特殊路基處理措施

孫寶君1，2

(1.黑龍江省龍建路橋第三工程有限公司;2.北黑高速公路A5標(biāo)段)

多年凍土地區(qū)修筑公路遇到的道路病害主要為融沉和凍脹，闡述了針對(duì)多年凍土，目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)存的一些處理措施和適用性。

多年凍土;路基穩(wěn)定性;保溫板;熱棒技術(shù)

1 概述

隨著道路等級(jí)的提高，針對(duì)多年凍土的病害，尋求合理的處理方案，保證設(shè)計(jì)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)是十分必要的。多年凍土的存在不僅給公路施工帶來(lái)影響，也會(huì)給施工后的路基穩(wěn)定和公路正常使用帶來(lái)極大的危害。

在多年凍土上修筑路基，在填土的自重作用下，基底植被和土層受到壓縮，路基填土與原地層的物理、熱物理性質(zhì)和含水量的不同以及日照、蒸發(fā)、冷凝等條件的改變，使路基在修筑前后的周圍環(huán)境與地基土之間的熱交換發(fā)生了很大變化，其結(jié)果就引起原天然上限發(fā)生變化。上限附近凍土就會(huì)融化，最終使路基出現(xiàn)融沉，路面遭受不同程度的損壞。

針對(duì)多年凍土地區(qū)的路基病害，我國(guó)的科研人員根據(jù)實(shí)際情況，采取了許多行之有效的工程措施，最初的方法是加高路基高度，曾被認(rèn)為是一種行之有效的方法而被廣泛使用，這樣雖然增加了熱阻，但經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，路基下的凍土還是出現(xiàn)了融化，人為上限下降出現(xiàn)了路基病害。

2 破壞形式

縱向裂縫、熱融沉陷、凍脹翻漿是多年凍土地區(qū)路基病害的主要形式。根據(jù)路基對(duì)陰陽(yáng)坡效應(yīng)的影響程度，多年凍土區(qū)填土路基病害可分為低路基病害和高路基病害。多年凍土段路基病害現(xiàn)象主要體現(xiàn)為多年凍土熱融沉陷后引起路基下沉、邊坡失穩(wěn)、路面裂縫、斷裂，造成路面起伏和錯(cuò)臺(tái)等。

3 處理措施

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)多年凍土區(qū)道路工程的處理措施主要分為保護(hù)多年凍土和破壞多年凍土(局部融化或限制融化速度)兩大類。對(duì)多冰凍土(弱融沉)或少冰凍土(不融沉)地段的路基可采取破壞多年凍土的措施;對(duì)富冰凍土、飽冰凍土和含土冰層地段可采取保護(hù)凍土的措施。

目前工程上使用最多的技術(shù)措施有擠塑保溫板、熱棒技術(shù)、通風(fēng)管路基、碎、片塊石路基、遮陽(yáng)板路基等等。不同的技術(shù)措施的工作特性不同，對(duì)凍土路基的穩(wěn)定效果也有所不同，所以應(yīng)該因地制宜，根據(jù)凍土的分布特征、氣候特征、施工可行性、造價(jià)、路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性選擇具體的處理措施。

3.1 擠塑保溫板

(1)保溫板路基就是利用保溫板的保溫性能，在低路基路段阻止暖季大氣中的熱能傳入地基，造成凍土人為上限的下降。其可在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)起到保護(hù)凍土延緩凍土退化的作用。

(2)保溫板主要適用于路基高度小于凍土最小設(shè)計(jì)高度或如滿足最小設(shè)計(jì)高度就會(huì)增加較高的工程造價(jià)時(shí);路塹處或翻越埡口處需要進(jìn)行換填保護(hù)下伏多年凍土的路段;同時(shí)對(duì)于凍土本身來(lái)說(shuō)，保溫板適用于凍土埋藏較深，溫度較低，含冰量較大的路段。

3.2 熱棒技術(shù)

(1)熱棒是應(yīng)用于鐵路和公路路基中，能夠在棒體上部環(huán)境溫度低于下部環(huán)境溫度時(shí)，將低處的熱能向上傳遞，同時(shí)高處的冷能向下傳遞的管體。一般由金屬管和工作介質(zhì)組成。熱棒能夠源源不斷地循環(huán)往復(fù)地進(jìn)行熱量傳遞，最終達(dá)到冷卻地基下凍土并使之保持凍結(jié)狀態(tài)的目的。

(2)熱棒技術(shù)適用于中高溫凍土區(qū)、凍土退化區(qū)，因?yàn)樗軌蚍e極主動(dòng)地冷卻路基，保持路基下伏凍土的凍結(jié)狀態(tài)，保護(hù)凍土路基的穩(wěn)定，減少路基病害的發(fā)生。對(duì)于低溫凍土區(qū)熱棒也同樣適用，但可能會(huì)增加工程造價(jià)，所以低溫凍土區(qū)可考慮采用一些被動(dòng)的保護(hù)措施，以減少工程造價(jià)。在工程實(shí)踐中，可根據(jù)實(shí)際情況，采用斜置熱棒、雙向熱棒等處理措施。因?yàn)檫@兩種方式較單棒直置的方式冷卻效果更好。當(dāng)然主要還是要考慮工程造價(jià)情況酌情處理。

3.3 通風(fēng)管路基

(1)通風(fēng)管路基的工作機(jī)理是在暖季相對(duì)的冷空氣在管內(nèi)，可起到增大路基阻隔大氣熱量傳入地基的作用，在寒季大氣中的冷空氣密度相對(duì)較大，在重力和風(fēng)的作用下擠出管內(nèi)熱空氣，同時(shí)冷卻管外路基。達(dá)到保護(hù)凍土穩(wěn)定路基的目的。

(2)通風(fēng)管路基適用于高溫、高含冰量、高路基的多年凍土區(qū)，在實(shí)際應(yīng)用中還要考慮當(dāng)?shù)囟炯撅L(fēng)的走向問(wèn)題，路基走向與之垂直的效果最好。通風(fēng)管適用性的另一個(gè)條件是當(dāng)?shù)乜諝鈨鼋Y(jié)指數(shù)絕對(duì)值遠(yuǎn)大于融化指數(shù)。在工程實(shí)踐中，可利用人工輔助的方法，在月平均氣溫大于0℃時(shí)，封閉通風(fēng)管管口，防止大氣中的熱空氣進(jìn)入。此方法可降低地溫1.0℃左右，但養(yǎng)護(hù)費(fèi)用也會(huì)相應(yīng)增加。

4 碎石、片塊石路基

(1)由于碎石、片塊石路基具有一定的孔隙率，它的傳熱傳方式不同于普通的密實(shí)土體的熱傳導(dǎo)方式，它主要通過(guò)空氣的對(duì)流進(jìn)行傳熱。對(duì)流的動(dòng)力有風(fēng)力和空氣的密度差，由風(fēng)力引起的對(duì)流屬?gòu)?qiáng)制對(duì)流，由空氣密度差引起的對(duì)流屬自然對(duì)流。當(dāng)孔隙率較大時(shí)，對(duì)流熱傳導(dǎo)成為主要的傳熱方式。在寒季由于大氣中的冷空氣密度較路基體內(nèi)空氣大，于是冷空氣不斷置換路基內(nèi)的熱空氣，起到冷卻路基的目的，從而保護(hù)了多年凍土，保證了路基的穩(wěn)定。到了暖季由于大氣中的暖空氣密度小于路基中空氣密度，從而抑制了熱傳導(dǎo)，也起到了保護(hù)凍土的作用。

(2)碎石、片塊石路基適用于地下水豐富的凍土區(qū)，在治理凍土區(qū)路基病害方面，其優(yōu)勢(shì)非常明顯。碎石、片塊石路基的使用還必須考慮當(dāng)?shù)厥系膬?chǔ)備情況，只有石料豐富的地區(qū)才適于采用此措施，因?yàn)樗鼘?duì)石料的需求極大。

5 遮陽(yáng)板路基

(1)遮陽(yáng)板路基其工作機(jī)理就是通過(guò)設(shè)置遮陽(yáng)板來(lái)阻止太陽(yáng)輻射熱對(duì)路基的影響。一般在陰陽(yáng)坡的陽(yáng)面設(shè)置遮陽(yáng)板，以減少陰陽(yáng)面的溫度差異，同時(shí)遮陽(yáng)板還能阻止雨水帶來(lái)的熱量進(jìn)入路基內(nèi)，造成路基病害。遮陽(yáng)板要與路基邊坡保持一定距離，以保證路基邊坡原有的通風(fēng)能力。遮陽(yáng)板在防止路基病害，保證公路通行能力方面具有相當(dāng)大的作用。

(2)遮陽(yáng)板路基適用于太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的凍土地區(qū)，如我國(guó)的青藏高原。同時(shí)在陰陽(yáng)坡的陽(yáng)坡處設(shè)置遮陽(yáng)板可防止融化盤產(chǎn)生偏移，防止路基不均勻沉降及縱向裂縫的病害。工程實(shí)踐證明，遮陽(yáng)板能夠有效降低地溫，約降低5℃左右，可使人為上限升高0.5 m左右，對(duì)防治路基病害是十分有效的。

［1］邱國(guó)慶，劉經(jīng)仁，劉鴻緒.凍土學(xué)辭典［M］.甘肅科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

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