黑龙江省多年冻土区路基病害形成机理

王 锐 于晓坤 王 者

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040; 2.黑龙江工程学院土木与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)



黑龙江省多年冻土区路基病害形成机理

王 锐1于晓坤1王 者2

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040; 2.黑龙江工程学院土木与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

以黑龙江省冻土区公路工程为例，对纵向开裂、路基融沉、边坡冻融松散、冻胀和冰丘等常见病害进行了机理分析，旨在为黑龙江省多年冻土地区道路的养护与维修提供理论参考。

冻土地区，病害机理，路堤边坡

黑龙江省北部是我国最寒冷的地区之一，在年平均气温低于0 ℃的条件下，地下形成多年冻土，冻土主要以岛状和连续形式分布。随着我国经济的发展和中俄贸易的增加，黑龙江省地区公路建设里程也随之增长。与此同时，大量公路也相继进入养护与维修阶段，其养护与维修工作被提升到非常重要地位。在冻土地区修筑道路工程，上覆路基改变了原有多年冻土的热力学平衡，多年冻土开始压缩融化，冻土上限下移，融化后的冻土在上覆压力的作用下亦开始压缩，导致多年冻土区路基的不良地质现象的发生，其常见病害有：纵向开裂、路基融沉、边坡冻融松散、冻胀和冰丘等病害，将对冻土路基强度、稳定性带来严重的影响。这些病害不仅会破坏道路结构整体稳定性，还会对行车安全产生一定的影响。基于此，针对冻土区路基常见的道路病害进行机理分析，为黑龙江省多年冻土地区道路的养护与维修提供理论参考。

1 纵向裂缝机理分析

在多年冻土区修筑公路，冻土不可避免的会受到施工的干扰破坏，如清除地表上部的腐殖土，或因填筑路基的土体材料砂砾含量较多，密实度较大，导热性能强，热量会沿土层较薄的路基坡脚方向向下、向里传导，使路基坡脚下的冻土层融化，深度大于路基底面融化深度，这使得边坡处地基下冻土首先失去原有冻土的物理力学性质，冻土开始融化压缩，其强度明显降低，边坡稳定性下降；随着热量的传递，边坡处热量不断向路基中心扩散，随着时间的推移，在其上土压力的作用下，被挤压产生较大的形变，且路基两侧下陷深度大于路中部位，导致路基在边缘处被拉裂，导致纵向开裂病害的发生。

2 路基融沉机理分析

路基融沉也是冻土地区路基的主要病害，在全球气候变暖的影响下，我国多年冻土整体呈退化趋势，同时在工程施工过程中，人为的使外部热量进入地基，影响多年冻土的热平衡，使得多年冻土开始融化，导致路基下伏冻土上限下降，使得冻土上限处冻土失去原有的承载力，其力学性质降低，形成融化夹层，在上部路基土体自重和车辆冲击荷载的影响下，融化夹层产生压缩变形，路基整体失去稳定性，路基产生融沉现象。特别是在地基下多年冻土含冰量较高，冻土类型为富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层时，冻土区路基融沉病害尤其的明显。同时在施工过程中，由于路基填土不均匀也是导致融沉病害的主要原因之一。路基融沉病害会导致路面的不平整，不仅导致了通行能力的下降，更给行车的安全和舒适带来了一定程度的影响。

3 边坡冻融疏松机理分析

在黑龙江大小兴安岭丘陵地区或山前缓坡地段，通常地下有发育良好的地下冰，由于路堤边坡空隙率较大，其遭受雨水的冲刷较严重，而雨水和地下径流容易汇集在边坡坡脚处，路基边坡坡脚长期浸泡在水中，在毛细孔隙存在的条件下，坡脚自由水不断向路基边坡侵入，降低路基边坡的强度与稳定性；同时在外界大气温度大幅度升降的影响下，其遭受的冻融循环破坏较为严重，在反复冻融作用下，最终使路基产生了边坡冻融疏松破坏，致使路基边坡产生滑塌失稳破坏。

4 冻胀机理分析

土中水冻结时相变成冰，体积增大9%，当土中水体积膨胀足以引起土颗粒之间相对位移时就形成土的体积膨胀，称为土的冻胀[3]。夏季，由于路基改变原有多年冻土的热力学状态，冻土上限处的冻土开始融化，产生融化夹层。融化夹层下部是冻土，是一个封闭的界面，冻土融化后的自由水无法通过渗流而排出，融化夹层底部处于饱和状态。冬季，随着气温的降低，自由水开始冻结，同时在毛细孔隙存在的条件下，自由水开始向冻结区迁移集聚，当地基土体因冻胀而产生的冻胀力大于上部土体自重时，多年冻土路基在地基冻胀力的作用下而隆起，由于地质条件的不同，不同断面的地基土的含水率的不同，使得路基发生不均匀冻胀，进而导致路基变形开裂等病害。

5 冰丘机理分析

在多年冻土区修建公路，由于道路设计与地质条件因素的影响，不可避免要开挖路堑。由于部分路段开挖路堑较深，势必会造成地下水露头，使得坡面不断的有水渗出或涌出。水的存在严重影响路基运营期间的稳定性。主要表现为：在夏季，路堑边坡不断涌出的地下水使该段路基长期处于中湿和过湿的状态，降低路基的强度，影响路基的稳定性。而进入冬季，随着大气温度的不断降低，自由水开始冻结，由于路基土体处于中湿和过湿状态，路基将产生不均匀冻胀；同时在地下水不断涌出的条件下，路堑边坡和道路表面将覆盖大量的冰，影响道路的正常使用。

6 结语

随着我国经济的快速发展，我国公路里程逐渐增加，大量公路也相继进入养护与维修阶段，其养护与维修工作被提升到非常重要地位。黑龙江省北部是我国最寒冷的地区之一，地下形成多年冻土，在多年冻土地区修筑公路，势必会改变原有冻土热平衡状态，导致各种道路病害发生。基于此，针对多年冻土区路基运营工程中常见病害有：纵向开裂、路基融沉、边坡冻融松散、冻胀和冰丘等病害进行机理分析，旨在为黑龙江省多年冻土地区道路的养护与维修提供理论参考。

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On formation of diseases on roadbed in many-year frozen soil areas in Heilongjiang Province

Wang Rui1Yu Xiaokun1Wang Zhe2

(1.College of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China; 2.College of Civil Engineering and Architectural Engineering, Heilongjiang Engineering College, Harbin 150050, China)

Taking the road projects in frozen soil areas of Heilongjiang Province as the example, the paper analyzes the mechanism for the diseases including the longitudinal craze, roadbed melting and settlement, loose frozen of slopes, frost heave and ice mounds, so as to provide some theoretic reference for the maintenance of the roads in frozen soil areas in Heilongjiang Province.

frozen soil area, disease mechanism, embankment slope

1009-6825(2017)16-0148-02

2017-03-24

王 锐(1988- )，男，硕士，助理工程师; 于晓坤(1971- )，女，硕士，高级工程师; 王 者(1998- )，男，在读本科生

U416.1

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