探讨冻土地区路基病害治理技术

2022-07-20严峻

交通科技与管理 2022年14期

严峻

（贵州路桥集团有限公司,贵州贵阳 550001）

0 引言

受周期性冻融影响，高原公路建设难度大，后期翻浆、热熔垮塌病害集中，严重影响公路路基和路面稳定性，且极易引发行车安全隐患[1]。基于高原冻土土层对高原公路的重要影响，以及高原公路对高原居民出行的重要性，该文结合高原冻土土层特征，对高原公路建设的几种典型病害展开研究，以期找出更具针对性和实践性的病害预防和治理措施。

1 高原公路冻土特征及分类

1.1 高原公路冻土特征

高原冻土土层是在高原高寒地区特有的一种地质类型，地下冰层分布广泛[2]。受周期性气候变化影响，地下冰层周期性冻融，使冻土土层力学性能呈现出周期性变化，冻融临界冻土土层流变和压缩特征明显。

稳态状态下，冻土土层结构和力学性能稳定，基本不会成为致灾主体。当冻土土层发生水热交换时，地下冰层出现热熔作用，冻土土层稳态状态发生破坏，引起土层结构和力学性能的急剧变化，导致大规模的冻融侵蚀病害，成为致灾主体。

1.2 高原公路冻土分类

受高原地区气候和地理环境影响，地下冰层广泛分布在各型地貌和土层结构中，成为大面积连续分布的冻土层[3]。根据冻土土层分布特点，可将高原公路冻土分为以下三类：

（1）大面积连续分布的多年冻土。高原地区气候寒冷，地下冰层深度多达5 m 以上，且分布广泛，形成大面积连续分布的冻土土层；建筑物或构筑物地基、公路路基等，随地下冰层周期性冻融，常出现冻胀、融沉、变形、翻浆等病害。

（2）岛状离散分布冻土。主要分布在4 600～4 800 m海拔的高原区域，受气候和地形地貌影响，冻土土层深度分布范围变化较大。

（3）季节性冻土。地下冻土土层厚度多在2.0～3.5 m左右，冻土土层随季节更替，存在明显的周期性冻融，基本无多年冻土，少部分复杂地形地貌地区存在河岸坍塌、沼泽化湿地等不良地质，多数区域工程地质条件良好。

2 高原公路冻土病害的影响

冻土病害对高原公路建设与后期运营维护均会产生严重影响，结合以往的工程实践和相关文献资料，冻土病害可造成道路翻浆、热熔坍塌、融冻泥流等多种病害现象[4]。

2.1 道路翻浆

道路翻浆是高原公路常见的病害类型之一，多分布于地表水与地下水流通不畅的碎石细粒土堆积的山前和山涧低洼地带。冻土土层融化期，因地表与地下水流通不畅，土层中的细粒土处于充水饱和或过饱和状态，土层承载能力下降，在车流荷载反复作用下，公路路基土层变得松软，路基土被挤出路面，引起高原公路翻浆病害。

2.2 热融滑塌

热熔滑塌是高原山地丘陵和缓坡地带常见的地质病害，由于山地丘陵边坡或者缓坡地带的土层含冰量较大，受气候变暖或施工热源影响，冻土层不均匀融化，出现热熔垮塌病害，主要表现为坍塌沉陷和牵引滑动两种病害现象：

（1）坍塌沉陷多发于岩性单一且地势较为平缓的地形带，一般地表坡度范围约在3°～8°，病害发展缓慢。

（2）牵引滑动多发于地下冰层厚度较大，且分布广泛的山地丘陵边坡或缓坡地带，一般地表坡度范围约在6°～16°，自然发生情况较少。

2.3 融冻泥流

根据融冻泥流的分布深度不同，可划分为表层泥流和深层泥流两种类型：

（1）表层泥流多分布于周期性冻融带，以带状或岛状分布在融化层上部，一般多小规模分布，泥流流动速度较快。

（2）深层泥流多分布于排水不畅，坡度小于10°的缓坡地带，地下冻土土层分布较深，分布范围较大；每到暖季来临，表层冻土土层融化，深层冻土土层仍然处于冻结状态，形成滑动面，导致深层泥流现象。

2.4 纵向裂缝

纵向裂缝是与行车方向基本平行，并伴有少量支缝的长直裂缝，宽为几厘米至几十厘米，长度从几米到几十米不等，多发生在距路边缘3～5 m 的行车道内、紧急停车带或路肩部位。75%以上的纵向裂缝发生在路基高度大于2.5 m 的路段，且阳坡路段多于阴坡路段。

2.5 路基不均匀变形

根据横向、纵向不均匀变形产生成因不同，可分为以下类型：

（1）因高原公路路线走向变化，不同路段受太阳光照差异影响，产生光照差异明显的阴阳坡；阳坡面光照条件较好，温度相对较高，冻土土层融化深度较深；阴坡面光照条件较差，温度相对较低，土层融化深度较浅，阴阳坡土层冻融状态不对称，导致横向不均匀变形[5]。

（2）受周期性冻融影响，冻结期3 个月时间内，冻土土层水分结冰膨胀，路基出现冻胀变形；在融化期9个月时间内，冻土土层融化，力学性能和承载力减弱，路基受车辆和自身荷载作用，发生不均匀沉降变形，引发路基横向变形。

（3）因地形和地质条件不同，路基开挖回填高度存在差异，引起填土强度差异，使不同路段路基承载能力不同，在车辆荷载作用下，导致路基出现纵向不均匀形变。

（4）路基两侧坡脚位置，因排水不畅造成坡脚积水，积水向地表以下渗透，造成路基承载力下降，同时会与地表下土层或冰层产生水热传递效应，进一步影响冻土土层路基稳定性，导致路基出现纵向不均匀变形。

2.6 边坡疏松

边坡疏松是高原公路路基的一种典型病害形式，主要表现为边坡土体松散，降雨过后，边坡上会有小型的冲沟。边坡疏松将导致边坡局部垮塌、路基宽度变窄等破坏。

3 冻土病害的防治

根据以往高原公路冻土病害防治施工实践，针对不同类型的冻土，应采取不同的冻土病害预防和处治措施。结合高原地区气候和季节特点，最佳施工时间为每年的4—10 月。

3.1 保护多年冻土

针对连续分布，且融化层深度分布较浅的冻土土层，应通过抬高路基高度的方法，保护多年冻土土层，削弱施工热源、气候周期变暖对多年冻土涂层影响，治理措施如下：

（1）在多年冻土土层上，增设保温效果优异的黏土层，然后再铺筑砂垫层，使多年冻土土层保持稳定；针对翻浆病害集中路段，应将周期性冻融层挖除，再填筑砂砾填层，改善路基透水性，减少周期性冻融对路基的不良影响。

（2）永冻区路段，应根据路段所处冻土土层分布厚度、土层土质构成、水文环境和降水等因素，采用最小填土高度、临界高度法，合理确定填土高度，确保路基顶面长期保持干燥状态，减少降水、周期性冻融对路基的不利影响。

（3）加密综合排水工程，由于水的比热容较大、导热性能较强，因此，针对路边积水这一“热源”，应设置相应的防护措施，在边沟、截水沟等易积水位置，设置加密排水设施，隔绝降水、融水等水害的“热源”效应，减少融沉现象的产生，同时提高排水设施的排水效果，避免路基边沟、坡脚等位置积水。

（4）在周期性冻融区，为减少冻土层周期性冻融对路基的不良影响，可在路基合适位置，铺设土工布、涂膜编织袋等隔水密封材料，避免冬季地下水升至路基顶部造成冻胀和融化，影响路基稳定性和整体性。

3.2 热融滑塌防治

高原公路滑坡病害治理，应以预防为主，采取防治结合的治理措施。对已发生滑坡病害的路段进行治理时，应遵循一次根治，不留后患的治理原则，预防和治理措施如下：

（1）增强滑坡抗滑力，根据滑坡坡度、土层土体结构等因素，综合采用压脚、挡墙、抗滑桩、锚索等加固措施。

（2）通过削坡、减载等方法，降低滑坡自重、载荷，减小滑坡下滑力。

（3）设置完善的排水设施，避免边坡、边沟等部位积水，减少降水、积水等对路基的侵蚀和周期性冻融带路基的不良影响[6]。

3.3 融冻泥流防治

高原公路是泥流病害的高发地区，为保障道路行车安全和道路交通能力，应采取有效的融冻泥流预防和治理措施：

（1）在泥流和泥石流病害高发区域，通过适当提高路段高程，绕过山脊区域，或者在泥石流地段，合理布置穿越线路，使线路横向通过病害高发地段，减轻泥流病害对道路的不良影响。

（2）在溶洞泥流高发区域，根据地形地貌特点，合理采用桥梁跨越或隧道穿越等方案。

（3）根据路段所处地质条件，合理预测泥流病害发生概率、位置和规模，合理设置排泄、调治和拦蓄设施，达到减小病害规模，降低病害发生概率，起到引流、拦截的作用。

3.4 路基纵向裂缝的处治措施

针对路基纵向裂缝发育严重处，提出柔性枕梁结合凸榫式土工膜袋综合处治纵向裂缝的措施，如图1 所示。

图1 柔性枕梁结合凸榫式土工膜袋综合处治纵向裂缝（单位：cm）

（1）柔性枕梁既有在平面上抗拉强度高的优势，又有在竖直方向上抗折性能好等特点，能起到桥联裂缝的作用。

（2）采用凸榫式土工膜袋来加强抗裂效果，利用高压注浆机把适当配比的水泥浆灌入多孔的土工膜袋中，使得在膜袋袋孔附近形成凸榫结构，增强与土体之间的摩阻力，防止纵向裂缝扩张。

3.5 防治冻土路基变形的热棒技术

热棒技术作为一种高原公路路基变形治理的重要手段，通过液体的气液相变效应，可有效降低路基温度，防止冻土土层退化[7]，其工艺原理和主要作用如下：

（1）工艺原理：热棒技术原理图如图2，热棒的本质是由一根密封金属管和热敏工质制作而成的一种散热元件，下部为蒸发段，其中的液体工质，受热气化上升，升至上部冷凝段时，与温度较低的管壁接触，蒸汽热量被管壁吸收，并重新液化，在重力作用下重新回流至蒸发段，上部蒸发段有散热叶片，使温度始终保持在较低状态；如此循环往复，不断带走土层中的热量，防止多年冻土土层融化失稳，提高路基稳固性。