季節(jié)性凍土對(duì)路面的影響分析及有效防治

楊寧皓 ，王傳濤

（1.沈陽(yáng)工學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 113122；2.山西金地源地質(zhì)科技有限公司，山西晉中 030600）

0 引言

隨著當(dāng)今時(shí)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，道路工程的建設(shè)質(zhì)量及其使用效果也越來(lái)越受到社會(huì)重視。眾所周知，季節(jié)性凍土?xí)?duì)路面造成比較嚴(yán)重的不利影響，很多的路面問(wèn)題都是由于季節(jié)性凍土所致。因此，在道路工程的建設(shè)或者是維修養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，相關(guān)單位一定要全面了解季節(jié)性凍土對(duì)路面所產(chǎn)生的影響因素，并通過(guò)合理的技術(shù)措施來(lái)進(jìn)行防治。這樣才可以有效提升路面質(zhì)量，保障道路工程的應(yīng)用效果，避免由于路面問(wèn)題而影響交通運(yùn)輸質(zhì)量或者是釀成重大交通安全事故。

1 公路凍土病害類(lèi)型的分析

1.1 路基隆起、開(kāi)裂

凍脹現(xiàn)象的發(fā)生往往出現(xiàn)在路面結(jié)構(gòu)的路基部分，一方面是地表雨水、冰雪融化積水下滲；另一方面是地下水循環(huán)，冬季水分子與土質(zhì)在低溫下發(fā)生凍結(jié)作用，在行駛荷載的作用下使其路面結(jié)構(gòu)由于不均勻受力，發(fā)生出現(xiàn)隆起、開(kāi)裂等一系列病害。通過(guò)減小或阻斷水分子的作用將可以有效防治季節(jié)性凍土的影響，對(duì)行車(chē)安全造成很大威脅。

同時(shí)，如果由于凍脹所引起的裂縫得不到及時(shí)有效的處理，裂縫的長(zhǎng)度、寬度和數(shù)量也會(huì)在該因素的影響作用下不斷增加，進(jìn)而對(duì)交通質(zhì)量和交通安全造成越來(lái)越大的威脅。比如，在陜北地區(qū)的某高速公路上，由于出現(xiàn)了很多嚴(yán)重的橫向裂縫，使得總病害面積已經(jīng)接近90%，同時(shí)，在該路面上也有一定數(shù)量縱向裂縫的存在，使得交通運(yùn)輸質(zhì)量受到了及其嚴(yán)重的不利影響。再比如，吉林省長(zhǎng)余高速在出現(xiàn)了橫向嚴(yán)重?fù)锨螽a(chǎn)生了幾條長(zhǎng)度和寬度都很大的縱向裂縫，其中的一條縱向裂縫長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到100m，寬度達(dá)到4cm，嚴(yán)重影響交通質(zhì)量。

1.2 路面深陷、翻漿

季節(jié)性凍土地區(qū)冬季過(guò)后溫度回升，冰雪融化產(chǎn)生大量的自由水，路基結(jié)構(gòu)中的土壤與上層侵入的水結(jié)合形成泥沙，再通過(guò)行?荷載的作用下下層的泥漿被擠出，在這種春融冬凍的季節(jié)規(guī)律下循環(huán)往復(fù)，凍土地區(qū)凍融越來(lái)越劇烈，冬季過(guò)后土壤由于大量水分的侵蝕也沒(méi)有壓實(shí)，路面變得松軟，開(kāi)始出現(xiàn)變形沉陷等病害[3]，導(dǎo)致用于修補(bǔ)的投資加大耗時(shí)耗力，影響公路的正常運(yùn)營(yíng)。

通過(guò)調(diào)查可知，此類(lèi)路面凍害大多發(fā)生在東北、華北和西北地區(qū)。比如，遼寧某市的28條主干公路都存在翻漿問(wèn)題。再比如，甘肅S309線路臨夏南陽(yáng)山段每一年都會(huì)發(fā)生翻漿情況，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致路基隆起或下沉60cm左右，對(duì)車(chē)輛的正常通行造成嚴(yán)重阻礙，同時(shí)也加大了交通安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。

2 季節(jié)性凍土對(duì)路面的影響分析

2.1 土體水分影響

在路面的凍脹開(kāi)裂影響因素中，土地水分是最顯著的一種物質(zhì)影響因素。通過(guò)大量的工程實(shí)踐表明，如果土地中的水分超出一定的界限，路面就會(huì)出現(xiàn)季節(jié)性凍脹現(xiàn)象。如果其他的外部條件完全相同，隨土體中含水量越高，路面的季節(jié)性凍脹現(xiàn)象也就會(huì)越嚴(yán)重。在自然條件下，路基中的水分主要受到地下水位、降水以及地表水流動(dòng)等各方面因素的影響，在這些影響因素中，對(duì)路面季節(jié)性凍脹情況影響最強(qiáng)的是路基附近的地下水位。如果地下的毛細(xì)水位可以上升到凍結(jié)線或者可以與凍結(jié)線接近，使得凍結(jié)區(qū)域可以或得到補(bǔ)給水源，這樣就會(huì)使其出現(xiàn)比較嚴(yán)重的季節(jié)性凍脹現(xiàn)象。

另外，由于不同的土質(zhì)會(huì)對(duì)季節(jié)性凍脹有不同的敏感性，其季節(jié)性凍脹的起始含水量也將呈現(xiàn)出顯著的不同。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究表明，在季節(jié)性凍土區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致路基和路面凍害的一項(xiàng)最活躍因素就是路基中水分的遷移變化。如果土體具有足夠的凍結(jié)敏感性，加之凍結(jié)時(shí)間充足，在路基中水分的遷移作用下和無(wú)自由水補(bǔ)充的狀態(tài)下，季節(jié)性凍脹量將會(huì)非常大。因此在進(jìn)行路面的季節(jié)性凍脹和開(kāi)裂等問(wèn)題的防治過(guò)程中，施工單位一定要注意做好土體水分限制，以此來(lái)達(dá)到滿意的治理效果。

2.2 行車(chē)荷載因素

路面翻漿現(xiàn)象的一個(gè)主要影響因素就是行車(chē)荷載反復(fù)作用下所導(dǎo)致的暴露。在自然狀態(tài)下，凍結(jié)期的土層也會(huì)呈現(xiàn)出凍脹和聚冰情況，但是在春季到來(lái)之后，隨著溫度的逐漸上升，原本土體中存在的水分過(guò)飽和情況也會(huì)逐漸改善，多余的水分將會(huì)在蒸發(fā)和滲透作用下逐漸消散掉，即使是出現(xiàn)了土層聚集情況也不會(huì)翻漿。但是如果經(jīng)過(guò)汽車(chē)的反復(fù)荷載，就會(huì)導(dǎo)致土層一直處在一個(gè)干結(jié)狀態(tài)，其中的水分不能夠通過(guò)正常的蒸發(fā)和滲透作用排出，進(jìn)而出現(xiàn)翻漿情況。根據(jù)相關(guān)研究顯示，如果其他的條件完全相同，路面車(chē)輛荷載越重、車(chē)輛行駛越頻繁，翻漿的情況也就越容易發(fā)生，且更加嚴(yán)重。

2.3 其他影響因素

除了上文所述的主要影響因素，導(dǎo)致季節(jié)性凍土對(duì)路面的影響因素還有很多，比如地形因素、植被因素、日照因素、公路走向因素等，這些因素將會(huì)導(dǎo)致公路兩側(cè)或者是公路不同地段表層溫度存在較大差異，進(jìn)而加大土質(zhì)中水分聚流量差異和凍脹量差異，加重路面凍害情況。所以在具體的季節(jié)性凍土對(duì)公路路面影響的治理過(guò)程中，一定要加強(qiáng)對(duì)內(nèi)部影響因素和外部影響因素的全面分析，找出具體的影響原因，然后根據(jù)實(shí)際情況，采取針對(duì)性的措施來(lái)進(jìn)行治理。

3 季節(jié)性凍土對(duì)路面的影響的防控措施

3.1 限制水分的工程措施

在對(duì)路基的破壞中水分的遷移是一項(xiàng)重要因素，為了限制其作用需要通過(guò)一系列工程措施進(jìn)行有效防治。

3.1.1 更換土質(zhì)

路基的上部應(yīng)采用穩(wěn)定性良好不易發(fā)生冰凍作用的土質(zhì)，如礫石材料。土壤含水量的大小決定了土質(zhì)結(jié)冰的速度，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土質(zhì)的含水率越高，水分子在低溫條件下從液態(tài)水到與土顆粒結(jié)合成冰晶的速度就越快，因此更換土質(zhì)對(duì)限制水分的遷移有一定作用。

3.1.2 設(shè)置防凍層

防凍層通常不易過(guò)厚應(yīng)滿足防凍最小厚度，主要起到限制水分和減少冰凍的作用，工程上可采用砂礫、粗粒砂等混合材料及石灰類(lèi)穩(wěn)定土、二灰類(lèi)混合料或工業(yè)廢料作為防凍墊層；不僅能夠滿足最小厚度，材料的強(qiáng)度、水穩(wěn)定性也符合規(guī)范。

3.1.3 設(shè)置隔溫層、隔水層

隔離層能夠?qū)⑼饨缢磁c道路結(jié)構(gòu)層隔離開(kāi)來(lái)，有效控制凍脹率；除了從水分子方面考慮還可以設(shè)置隔溫層，路基中的水總是從高溫流向低溫地區(qū)。將導(dǎo)熱速率小的材料層設(shè)置在路基結(jié)構(gòu)層中阻斷或減小熱傳遞，控制凍結(jié)深度，減少了水分子的遷移和數(shù)量，從而起到減小病害的影響。隔離層的材料一般選用多孔材料，如爐渣、礦渣、等混合料。厚度一般20～50cm，用料本身要滿足抗凍性好、有一定的強(qiáng)度、水穩(wěn)定性的要求。通過(guò)分析得到，限制地下水源的毛細(xì)作用，讓路基盡量處于一種干燥或中濕的狀態(tài)，以阻礙水分的方式控制凍結(jié)作用，達(dá)到消除病害的作用；除此之外，還應(yīng)考慮外界自然因素，大氣降水和冰雪融化。這對(duì)隔離層的位置有一定的要求，得到隔離層埋深要盡量大，但是應(yīng)該設(shè)置在距離路基底面以上一段距離，如果隔離層位置放置過(guò)低，邊溝水分流動(dòng)和地表徑流的水分都可能會(huì)從路基的邊坡，隔離層的上方進(jìn)入到上路基，隔離層的設(shè)置就起不到作用[1]。根據(jù)路基設(shè)置：隔離層的底部應(yīng)高于地面水位20cm。邊溝的積水位可以設(shè)置在約在地面以上10cm，隔離層應(yīng)當(dāng)設(shè)置在地面30cm以上位置才能符合要求。隔離層設(shè)置在路基頂面以下1.0m位置，隔離層底面距離地面50cm＞30cm[2]。

3.2 做好綜合治理

為有效防止由于季節(jié)性凍土情況對(duì)路面的不利影響，尤其是車(chē)輛荷載作用所造成的不利影響，在進(jìn)行路面建設(shè)以及維修的養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，應(yīng)做好綜合治理工作。具體治理中，首先可以將半剛性的基層材質(zhì)加以合理應(yīng)用，通過(guò)雙基層路面結(jié)構(gòu)的形式來(lái)降低季節(jié)性凍土所導(dǎo)致的路面凍脹概率和翻漿概率。其次是在路面和路基之間設(shè)置一個(gè)碎石層，使其和隔水層相結(jié)合，這樣就可以有效降低季節(jié)性凍土的深度，以此來(lái)避免由于季節(jié)性凍土情況所導(dǎo)致的路面凍脹變形以及翻漿等的情況發(fā)生。而且這種治理方法有更好的經(jīng)濟(jì)性，可實(shí)現(xiàn)治理成本的進(jìn)一步節(jié)約。最后，為避免車(chē)輛行駛荷載對(duì)路面的不利影響，降低由于車(chē)輛荷載作用所引起的翻漿現(xiàn)象發(fā)生概率，交通管理部門(mén)也應(yīng)該嚴(yán)格按照公路的實(shí)際通行標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行通行車(chē)輛的管理，將車(chē)載重量控制在路面所能承受的范圍內(nèi)，嚴(yán)格禁止超重車(chē)輛通行。通過(guò)這樣的方式，才可以有效防止由于車(chē)輛荷載過(guò)重而加重季節(jié)性凍土對(duì)路面的不利影響，降低路面翻漿現(xiàn)象的發(fā)生概率，保障路面的使用效果，延長(zhǎng)路面的使用壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，路基的凍害是一項(xiàng)非常嚴(yán)峻的問(wèn)題，其會(huì)影響到行人的安全、公路的運(yùn)營(yíng)，針對(duì)季節(jié)性凍土的問(wèn)題不僅要從路基的穩(wěn)定性與溫度和水分兩方面考慮，還要分析其應(yīng)力變化。此外，路基發(fā)生翻漿、沉陷凍融時(shí)，路基內(nèi)部的溫度、水分子遷移、應(yīng)力大小都有變化。本文考慮水分、溫度的影響來(lái)分析路基的穩(wěn)定性，但是沒(méi)有將溫度、水分、應(yīng)力三者相互作用下的情況考慮進(jìn)去，這對(duì)季節(jié)性凍土路基的研究是不全面的，因此更深層次的研究水、熱、力三項(xiàng)耦合作用下的路基穩(wěn)定性分析是非常必要的，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)季節(jié)性凍土路基的穩(wěn)定性進(jìn)行全面的分析。