高原多年冻土区域的公路路基变形问题及控制

木沙·如孜

(新疆交通建设管理局项目执行二处，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 冻土的定义与特点

冻土指的是含有水分的较为松散的岩石与土体，当气温低于0 ℃时，路面的土体当中开始形成冰。冰的出现是路面土体出现冻结的关键标志，简单来讲含有冰的土是“冻土”，不含冰的土是“寒土”。由此，可以说冻土就是内部含有冰的岩土，在0 ℃以下环境中，其有着常见岩石的特性，自身的强度不亚于混凝土。未出现冻水的数量情况和岩土的矿物质数量、成分，以及冻土的温度相关。同时存在水与冰情况，让多年冻土有着独特的性质。

路面土体出现冻结的标志就是土体内部的水冻结为冰的整个过程。土体内部孔隙当中水冻结时存在着的物理反应过程与化学反映过程。比如，土体中的水出现迁移，矿物质之间的水胶转变成冰胶，水冻结体积出现膨胀等等。空气、水、冰以及矿物质是冻土组成的基础成分，详细的说冻土的形成是由土体中的矿物质颗粒、空气以及水蒸气、土体中的冰夹层以及胶结冰、土体中的强结合水以及弱结合水四部分组成体系。这四项基础成分决定着土体的物理化学性质、内在结构以及力学特质等。

2 公路路基的实地考察

2.1 路面情况调查

在进行多年冻土区域公路的实地考察当中，发现一段公路路面的变形及损坏程度非常明显，这和公路路面自身的热平衡有着一定关系。通过对比，可看出公路路基的表面出现有突起和沉陷的情况现象，公路路基的柔性面损伤程度要比刚性面更加严重，这说明冻土区域的冻融情况极大程度对柔性路面产生了影响。

2.2 钻芯取样

在实地现场，总共钻取24个芯样，在刚性公路路面上钻取了四个。通过探究发现，大多公路的刚性路基并没有形成了板体性，最大的原因是因为冻土区域的气候条件导致公路的刚性基层出现了比较大的干缩情况或者温缩情况。

2.3 弯沉情况

采用贝克曼梁方法来检测冻土区域公路的弯沉状况，然后运用国家规定标准汽车对公路路面展开测试。通过测试发现，公路路面中段弯沉问题要比两侧更加严重，与此同时，公路路面阳坡出现弯沉的深度要比阴坡更深。这说明公路路面出现弯沉主要因为车辆的荷载。

3 公路路基变形情况研究

3.1 冻土融沉的性质与特点

在公路路基的自重压密影响和作用之下，冻土区域的公路路基段出现向外排水的情况，并且出现固结和下沉问题，此过程其实就是冻土自身的融沉性质。冻土融沉性质是致使冻土区域多年公路路基变形的关键因素，同时也是冻土区域公路建设工程当中十分显著的特点。依据多年来对冻土区域的公路路面调查得知，不论何样的路面土质，在其自由排水较为充足状况之下，冻土的融沉指数与其含水量之间呈现正比关系；假如含水情况一样时，粗粒土的融沉性最小，而粉质黏土的融沉性最强。在增加公路路面的荷载以及压密的作用下，溶解之后冻土面积因为内部空隙间的水向外排出，从而出现了压缩，在水殆尽前，冻土中夹层土体出现下沉的速度非常缓慢，且冻土公路路基的整体下沉速度也将非常缓慢。

3.2 冻土季节性的融化层冻胀特性

多年冻土区域在季节更迭当中将出现冻结膨胀的情况，此情况就是冻土土体自身的冻胀特性。此情况主要来自冻土土体当中的含水情况、土体的颗粒成分以及矿物成分、土体的冻结条件等。冻土土体的冻胀特性和其水量上升的情况之间呈现正比关系，和温度情况之间呈现反比，冻土的温度越低，其冻胀性就更高。因为冻土土体结构的疏密程度不同，所以其自身的冻胀程度就不一样，冻土土体之间层的冻胀特性最明显也最强，反之下层冻胀特性最弱。土体2/3以上的冻结程度称之为强冻胀地带。冻土土体自身的冻胀特性与自身的密度有着不可分割的关系，土体的密度越高，自身的冻结程度就随之上升，但当土体自身的密度到达了1.68～1.8 g/cm的时候，土体的密度越高，冻胀程度反而下降。土体自身的冻胀特性和增加的荷载之间呈现反比情况，其随着增加的荷载而降低。

3.3 公路路基的冻融过程

因为受之冻胀性、间隙中水份迁移以及路面融沉等多项原因影响，冻土区域的冻融时长会因此出现改变，此物理力学不断影响和作用到冻土公路路面之上，致使公路路基自身的性能逐渐降低。多年冻土的公路依据变化可以划分成四个时期，其一稳定的冻结时期、其二稳定的融化时期、其三不稳定的冻结时期、其四不稳定的融化时期。

公路路基就造型来分析其是线形的建筑物，因此依据平面的非稳态相变温度场的相关方程式来展开分析，研究结果表明，其温度场的出现伴随着时间的改变而出现改变，并且是因为水量在各个层次的公路路基土体当中分布不平衡而导致的。新疆帕米尔地区公路建设施工多年之后的每月冻融分布图。能够看出，冻土公路路基的温度场分布并不均匀。

4 多年冻土区域公路路基变形的控制策略

(1)环境气温的变化致使公路路基内部的温度场出现改变，这是导致公路路基出现损害和变形的重要前提，因为公路线路走向影响，以及太阳辐射影响，公路路基有着阳坡和阴坡的不同，所以公路路基自身内部温度的不均衡是导致公路路基温度场不对称的重要原因，且其不对称问题导致多年冻土区域公路人为上限也呈现不对称，最终使得公路路基出现损害和变形。

(2)从公路路基的温度梯度当中能够看到温度梯度中通常在坡脚出现最大值，此表明坡脚对于温度改变更加敏感，冻土区域公路路基在融化阶段与冻结接单，路基的温度场朝着Y方向出现改变，且由于深度不的逐渐加深，其温度改变对公路路基的影响会随之下降。

(3)经过上述分析能够得出，不管是土体冻结的过程还是土体融化的过程，公路坡脚的温度梯度数据较大，所以融化的深度也较大，公路坡脚的应力致使路基出现纵向的裂缝。不管是在熔化阶段或是冻结阶段，公路路基内部的应力和坡脚的应力数值差距比较大，应力之间的差距导致土体出现剪切力，最后致使坡脚出现裂缝。公路路基的纵向应力差异是导致公路路基裂开的关键原因。

(4)公路路基的损害变形发展规律和公路路基的温度场紧密相关，应该根据各个地段的公路路基分析其自身的温度场改变规律，进而运用有效的策略来把控公路路基的变形，起到提升路基稳定性的作用。

5 结 语

土体的物理特性、化学特性，以及调查地区地下水分布状况、地区气候等等都是影响土体出现冻胀的关键因素，要想有效控制冻土危害就要做到理论分析与实际调查相联系，找到土体结构对于土体冻胀带来影响的规律，然后进行总结，此对于未来进行多年冻土区域公路路基设计；对当前冻土区域公路养护、检查；对冻土区域公路路基防冻策略以及设计理论等有着重要的指导意义和价值。