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多年冻土路基病害与整治

1、研究背景及内容

全球多年冻土的分布面积约占陆地面积的23%，主要分布在俄罗
斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地，其中我国的多年冻土分布

面积高达215万km2，约占世界多年冻土分布面积的10%，占我国国
土面积的22.4%，是世界上第三大冻土大国，而我国的多年冻土主要
分布在青藏高原、大小兴安岭、祁连山、天山和阿尔泰山等高山、高
纬度地区。
多年冻土是一种特殊土类。其特殊性主要表现在它的性质与温度
密切相关。常规土类性质主要受颗粒的矿物和机械成分、密度和含水
量控制，多半表现为静态特性。多年冻土的性质除受上述因素控制以
外，同时它的性质随温度和时间都在变化，表现为动态特性。所以，
冻土是一处对温度十分敏感且性质不稳定的土体。
随着全球气候的逐渐变暖和人类活动加强，多年冻土上限呈现出
下降的趋势，多年冻土也在不断退化，对路基路面的稳定也造成了极
大威胁。关键的是冻土在冻结、融化时具有特殊的物理、力学性质变
化。土壤冻结时最重要的物理过程是水分的迁移和重分布，而冻土融
化时最重要的是物理力学变化是结构、强度的急剧衰减。从而在冻融
循环中不断地改变着土层的形态结构和物理力学性质，导致工程建筑
物基础的反复变化与破坏。在大多数情况下，病害的发生发展过程与
变化结果具有单向、不可逆的规律。
冻土地区筑路工作中的问题除了一般寒区道路中常见的路基冻
胀、翻浆路面冻融松散低温开裂外，还有冻土地区特有的道路病害—
—路基热融沉降、边坡热融滑塌。

2、多年冻土路基病害
2.1热融沉降（陷）

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因气候转暖，或森林砍伐与火灾，或修建工程构、建筑物，特别
是采暖型的建筑，破坏了原来地面的植被和热力动态，使其冻结与融
化深度加大。导致地下冰或富冰土层融化，于是在上覆土层自重及建
筑物荷载作用下，地基土便出现沉降或深陷现象，从而使建筑物无法
正常运行，甚至破坏。这是多年冻土区各种建筑物遭受冻害的主要原
因。
2.2融冻滑塌
在地下冰发育的斜坡上，由于路堑工程或挖方取土，或河流侵蚀
坡脚，使地下冰层或富冰土层外露，而不断融化，造成上覆植被或土
层失去支撑而不断下滑。
2.3冰丘、冰椎、延溜冰
在季节融化层中含有丰富的地下水层时，冬季地表冻结过程中，
随着地表冻土层增厚，由于下卧多年冻土层隔水，季节融化层中的地
下水流受阻而承压。当该孔隙水的压力足够大时，在地表较薄弱处即
被不断增加的受压孔隙水顶托而逐渐隆起，形成丘状体，称之为冰丘；
当地表层不足以承受水压力时，空腔水与孔隙水便破土而出，在地表
漫延，并冻结成冰椎。
延溜冰的产生主要由于公路上侧土壤中的过饱和水分、泉水、沟
溪中的水，在移动过程中，水流被下降的气温自下而上逐层冻结，水
源不断供给，形成较大面积的冰覆盖层。延溜冰沿公路长度分布少则
几米，多达几百米，冰的厚度有几厘米到几米。它一般发生在冬季或
初春，持续的时间较长。根据调查发现，延溜冰多发生于林区、山岭、
坡地、沟谷，以及泉眼、河流附近，受气温、地形、冻深及水分条件
影响。
2.4季节融化层的冻胀
冻胀是冻土区筑路时需要考虑的另一重要病害现象，在多年冻土
地区，处于不良地质、水文条件下的路段，路基土冻结过程中会发生
水分迁移现象。水分不仅向冻结锋面迁移，而且在冻结中凝结成冰，
由于冰的密度略小于水，故在冻结的过程中伴随着体积的膨胀，从而
造成路基土的冻胀。冻胀的发生是需要两个必要条件的，一是有充足
的水分补给源，二是有水分补给的通道。

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冻胀本身不仅引起道路破坏，还可引起桥梁、涵洞基础的冻害。
这种病害在冻土地区早期修建的桥梁、涵洞工程中尤为突出，由于当
时的工程技术人员认识和掌握冻土的自然规律以及未能及时采取防
护措施致使桥梁、涵洞发生破坏。主要表现为基础上抬、倾斜造成桥
梁拱起，涵洞断裂，甚至失效等破坏。

3、多年冻土路基的病害成因分析
3.1融化盘的形成
特别是高温冻土区融化盘的形成是导致路基病害的主要原因之
一。由于黑色路面吸热，造成路基下冻土的正积温增加，路基下冻土
上限因各种因素增深，致使路基以下冻土的上限在横断面上形成一种
“盘状”的凹陷部分，即融化盘。
融化盘的出现和存在，不仅促进了路基下融化盘内水的自然汇集
和蓄水，使融化盘上下的土体含水量或含冰量增大，而且使人为上限
由初始的浅盘逐渐变成深盘状。水的存在，使每年积累的能量在融化
盘内部夏季土体融化但冬季不能被冻结，这就出现了融化不冻核，也
称为融化夹层、不衔接层。融化夹层是一层含水量大、土的固结程度
小、模量低的软弱结构层，这对路基的稳定性影响很大。
3.2偏移的融化盘导致路基不均匀沉降、纵向开裂
由于路基阴阳面使路基两侧路肩下的地温分布产生较大的差异，
温度场的不对称又使得路基底部最大融深位置发生偏移，引起路基在
横断面