季节性冻土对路面的影响分析及有效防治

杨宁皓 ，王传涛

（1.沈阳工学院，辽宁 沈阳 113122；2.山西金地源地质科技有限公司，山西晋中 030600）

0 引言

随着当今时代社会经济的发展，道路工程的建设质量及其使用效果也越来越受到社会重视。众所周知，季节性冻土会对路面造成比较严重的不利影响，很多的路面问题都是由于季节性冻土所致。因此，在道路工程的建设或者是维修养护过程中，相关单位一定要全面了解季节性冻土对路面所产生的影响因素，并通过合理的技术措施来进行防治。这样才可以有效提升路面质量，保障道路工程的应用效果，避免由于路面问题而影响交通运输质量或者是酿成重大交通安全事故。

1 公路冻土病害类型的分析

1.1 路基隆起、开裂

冻胀现象的发生往往出现在路面结构的路基部分，一方面是地表雨水、冰雪融化积水下渗；另一方面是地下水循环，冬季水分子与土质在低温下发生冻结作用，在行驶荷载的作用下使其路面结构由于不均匀受力，发生出现隆起、开裂等一系列病害。通过减小或阻断水分子的作用将可以有效防治季节性冻土的影响，对行车安全造成很大威胁。

同时，如果由于冻胀所引起的裂缝得不到及时有效的处理，裂缝的长度、宽度和数量也会在该因素的影响作用下不断增加，进而对交通质量和交通安全造成越来越大的威胁。比如，在陕北地区的某高速公路上，由于出现了很多严重的横向裂缝，使得总病害面积已经接近90%，同时，在该路面上也有一定数量纵向裂缝的存在，使得交通运输质量受到了及其严重的不利影响。再比如，吉林省长余高速在出现了横向严重挠曲之后产生了几条长度和宽度都很大的纵向裂缝，其中的一条纵向裂缝长度已经达到100m，宽度达到4cm，严重影响交通质量。

1.2 路面深陷、翻浆

季节性冻土地区冬季过后温度回升，冰雪融化产生大量的自由水，路基结构中的土壤与上层侵入的水结合形成泥沙，再通过行?荷载的作用下下层的泥浆被挤出，在这种春融冬冻的季节规律下循环往复，冻土地区冻融越来越剧烈，冬季过后土壤由于大量水分的侵蚀也没有压实，路面变得松软，开始出现变形沉陷等病害[3]，导致用于修补的投资加大耗时耗力，影响公路的正常运营。

通过调查可知，此类路面冻害大多发生在东北、华北和西北地区。比如，辽宁某市的28条主干公路都存在翻浆问题。再比如，甘肃S309线路临夏南阳山段每一年都会发生翻浆情况，严重时可导致路基隆起或下沉60cm左右，对车辆的正常通行造成严重阻碍，同时也加大了交通安全风险隐患。

2 季节性冻土对路面的影响分析

2.1 土体水分影响

在路面的冻胀开裂影响因素中，土地水分是最显著的一种物质影响因素。通过大量的工程实践表明，如果土地中的水分超出一定的界限，路面就会出现季节性冻胀现象。如果其他的外部条件完全相同，随土体中含水量越高，路面的季节性冻胀现象也就会越严重。在自然条件下，路基中的水分主要受到地下水位、降水以及地表水流动等各方面因素的影响，在这些影响因素中，对路面季节性冻胀情况影响最强的是路基附近的地下水位。如果地下的毛细水位可以上升到冻结线或者可以与冻结线接近，使得冻结区域可以或得到补给水源，这样就会使其出现比较严重的季节性冻胀现象。

另外，由于不同的土质会对季节性冻胀有不同的敏感性，其季节性冻胀的起始含水量也将呈现出显著的不同。根据相关学者的研究表明，在季节性冻土区域内，导致路基和路面冻害的一项最活跃因素就是路基中水分的迁移变化。如果土体具有足够的冻结敏感性，加之冻结时间充足，在路基中水分的迁移作用下和无自由水补充的状态下，季节性冻胀量将会非常大。因此在进行路面的季节性冻胀和开裂等问题的防治过程中，施工单位一定要注意做好土体水分限制，以此来达到满意的治理效果。

2.2 行车荷载因素

路面翻浆现象的一个主要影响因素就是行车荷载反复作用下所导致的暴露。在自然状态下，冻结期的土层也会呈现出冻胀和聚冰情况，但是在春季到来之后，随着温度的逐渐上升，原本土体中存在的水分过饱和情况也会逐渐改善，多余的水分将会在蒸发和渗透作用下逐渐消散掉，即使是出现了土层聚集情况也不会翻浆。但是如果经过汽车的反复荷载，就会导致土层一直处在一个干结状态，其中的水分不能够通过正常的蒸发和渗透作用排出，进而出现翻浆情况。根据相关研究显示，如果其他的条件完全相同，路面车辆荷载越重、车辆行驶越频繁，翻浆的情况也就越容易发生，且更加严重。

2.3 其他影响因素

除了上文所述的主要影响因素，导致季节性冻土对路面的影响因素还有很多，比如地形因素、植被因素、日照因素、公路走向因素等，这些因素将会导致公路两侧或者是公路不同地段表层温度存在较大差异，进而加大土质中水分聚流量差异和冻胀量差异，加重路面冻害情况。所以在具体的季节性冻土对公路路面影响的治理过程中，一定要加强对内部影响因素和外部影响因素的全面分析，找出具体的影响原因，然后根据实际情况，采取针对性的措施来进行治理。

3 季节性冻土对路面的影响的防控措施

3.1 限制水分的工程措施

在对路基的破坏中水分的迁移是一项重要因素，为了限制其作用需要通过一系列工程措施进行有效防治。

3.1.1 更换土质

路基的上部应采用稳定性良好不易发生冰冻作用的土质，如砾石材料。土壤含水量的大小决定了土质结冰的速度，经试验发现土质的含水率越高，水分子在低温条件下从液态水到与土颗粒结合成冰晶的速度就越快，因此更换土质对限制水分的迁移有一定作用。

3.1.2 设置防冻层

防冻层通常不易过厚应满足防冻最小厚度，主要起到限制水分和减少冰冻的作用，工程上可采用砂砾、粗粒砂等混合材料及石灰类稳定土、二灰类混合料或工业废料作为防冻垫层；不仅能够满足最小厚度，材料的强度、水稳定性也符合规范。

3.1.3 设置隔温层、隔水层

隔离层能够将外界水源与道路结构层隔离开来，有效控制冻胀率；除了从水分子方面考虑还可以设置隔温层，路基中的水总是从高温流向低温地区。将导热速率小的材料层设置在路基结构层中阻断或减小热传递，控制冻结深度，减少了水分子的迁移和数量，从而起到减小病害的影响。隔离层的材料一般选用多孔材料，如炉渣、矿渣、等混合料。厚度一般20～50cm，用料本身要满足抗冻性好、有一定的强度、水稳定性的要求。通过分析得到，限制地下水源的毛细作用，让路基尽量处于一种干燥或中湿的状态，以阻碍水分的方式控制冻结作用，达到消除病害的作用；除此之外，还应考虑外界自然因素，大气降水和冰雪融化。这对隔离层的位置有一定的要求，得到隔离层埋深要尽量大，但是应该设置在距离路基底面以上一段距离，如果隔离层位置放置过低，边沟水分流动和地表径流的水分都可能会从路基的边坡，隔离层的上方进入到上路基，隔离层的设置就起不到作用[1]。根据路基设置：隔离层的底部应高于地面水位20cm。边沟的积水位可以设置在约在地面以上10cm，隔离层应当设置在地面30cm以上位置才能符合要求。隔离层设置在路基顶面以下1.0m位置，隔离层底面距离地面50cm＞30cm[2]。

3.2 做好综合治理

为有效防止由于季节性冻土情况对路面的不利影响，尤其是车辆荷载作用所造成的不利影响，在进行路面建设以及维修的养护过程中，应做好综合治理工作。具体治理中，首先可以将半刚性的基层材质加以合理应用，通过双基层路面结构的形式来降低季节性冻土所导致的路面冻胀概率和翻浆概率。其次是在路面和路基之间设置一个碎石层，使其和隔水层相结合，这样就可以有效降低季节性冻土的深度，以此来避免由于季节性冻土情况所导致的路面冻胀变形以及翻浆等的情况发生。而且这种治理方法有更好的经济性，可实现治理成本的进一步节约。最后，为避免车辆行驶荷载对路面的不利影响，降低由于车辆荷载作用所引起的翻浆现象发生概率，交通管理部门也应该严格按照公路的实际通行标准来进行通行车辆的管理，将车载重量控制在路面所能承受的范围内，严格禁止超重车辆通行。通过这样的方式，才可以有效防止由于车辆荷载过重而加重季节性冻土对路面的不利影响，降低路面翻浆现象的发生概率，保障路面的使用效果，延长路面的使用寿命。

4 结束语

综上所述，路基的冻害是一项非常严峻的问题，其会影响到行人的安全、公路的运营，针对季节性冻土的问题不仅要从路基的稳定性与温度和水分两方面考虑，还要分析其应力变化。此外，路基发生翻浆、沉陷冻融时，路基内部的温度、水分子迁移、应力大小都有变化。本文考虑水分、温度的影响来分析路基的稳定性，但是没有将温度、水分、应力三者相互作用下的情况考虑进去，这对季节性冻土路基的研究是不全面的，因此更深层次的研究水、热、力三项耦合作用下的路基稳定性分析是非常必要的，这样才能够实现对季节性冻土路基的稳定性进行全面的分析。