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1、中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文）1冻土地区道路病害及其防治摘 要对多年冻土区路基路面冻害的类型进行分析，找到出现路基路面冻害的原因，用科学的原理推断出冻害的防治方法，并与实际相结合，系统地介绍了各种防治方法，为多年冻土区道路建设提供理论依据。论述了多年冻土地区常见的工程地质问题，介绍了多年冻土地区道路病害及其防治对策，对冻土地区道路建设具有参考作用。关键词：冻土；路基;路面; 道路病害；防治方法引言近年来，随着全球变暖及路面黑色化后，多年冻土上限退化明显，造成路基不均匀沉降和纵向裂缝等路基病害。同时由于特殊的气候和地理条件，多年冻土路面病害种类繁多，程度严重。这些路基路面病害，严重影响着公
2、路工程使用品种和使用寿命。在冻土地区修筑公路，由于冻土土质、温度、水及荷载之作用引起应力场之变化和重新分布，从而导致所修筑之路基、路面冻胀、翻浆、融沉；桥涵冻胀隆起和融化下沉、墙身开裂甚至错位等病害。冻土地区路基病害在铁路运营之前很严重，在行车运营后，时隔几年、十几年仍将陆续出现新的冻害，其破坏程度是罕见的，引起路内外工程界人士的关注。如何避免冻土地区公路、铁路发生病害，一直是高寒冻土区筑路科技工作者探索和研究之课题。1.关于冻土的介绍中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文）21.1 冻土的主要分布及影响冻土是指温度在 0以下含有冰晶的土壤和岩石。通常按土处于冻结状态的持续时间来划分冻土。由地面向
3、下，每年冬季冻结到一定深度，冻土状态的持续时间从几小时到几昼夜者为短期冻土。当夏季来临时这一冻结深度又全部融化的土层叫做季节性冻土。如果该土层冬季冻结后，在二、三年的夏季内，才能完全融化的叫做隔年冻土；当土层的冻结状态持续在二年或三年以上，夏季内也不能完全融化的称为多年冻土。我国的多年冻土，主要分布在北纬 46。以北的大兴安岭，或海拔 4500m 以上的青藏高原和新疆天山、阿尔泰山等地区，总面积接近 200 万平方公里，约占我国领土的 21.5。冻土是由各种成分组成的非常复杂的天然多相地层，含有矿物颗粒，固、液态水以及气体等。由于冻土独特的工程性质，在冻土地区会出现各种各样的工程地质问题。这些
4、不良的工程地质问题一方面会使已有的道路产生各种病害而影响公路建筑物正常的使用，同时也会导致公路养护维修费用大幅度提高，另一方面也严重制约冻土地区公路的建设发展。因此有必要对多年冻土区防治路基路面冻害进行研究和探讨，为今后在多年冻土区修建道路提供理论依据。1.2 国内外关于冻土冻胀问题的研究现状有关冻土的研究是在寒区经济发展的生产实践中产生和发展起来的。由于在冻土区的工程建设，产生了一系列关于冻土的问题，需要科学工作者研究土的冻结和融化规律、冻土的发育和分布规律以及在人为影响下冻土的变化，并在此基础上，提出经济合理、技术先进的治理方案，有效的防止和控制冻害，于是产生了冻土学，冻土学在其形成初期（
5、20 世纪 30 年代） ，就分为普通冻土学和工程冻土学两个分中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文）3支。普通冻土学研究冻土带的形成、发展历史和分布规律，冻土层的成分、性质、组构，冷生过程和现象，以及冻土带的温度动态和厚度等；工程冻土学研究在人类经济活动下冻土的行为、性质及其控制，工程冻土学以普通冻土学为基础。随着冻土地区建设事业的蓬勃发展，与各类工程建设密切相关的工程冻土学作为一门新兴学科，得到了较大的发展，并取得了相应的研究成果，冻胀就是其中的一个方面。人们很早就认识到土的冻胀问题对道路的破坏作用。为了减小冰冻破坏，延长道路的使用寿命，改善道路的使用性能，不少我们道路工作者一直在进行着对冰冻
6、作用的本质研究。1.2.1 国外研究现状关于冻土的冻胀问题，在 1885 年俄国工程师斯图金伯格提出了冻土水分迁移假说，将毛细管的作用导致水分迁移，与土体冻胀相联系，人们才认识到水份迁移是导致土体冻胀的主要根源。1916 年美国人泰伯提出水分迁移是由结晶力作用下移动的，而在土中有被水填充的不同直径的孔隙存在时，则大孔隙中先形成冰晶体，而小孔隙中小冰晶体还没冻结（冰晶体直径越小，融解温度越低） ，在结晶力作用下，从没有结冰的小孔隙吸取水分，使大孔隙冰晶体不断地增大，冻胀产生。但是，真正和工程联系起来去研究，还是 19 世纪 30 年代以后前苏联在远东多年冻土地区修建第一条铁路开始的。随着在冻土地
7、区修筑公路，铁路等工程，暴露出许多冻害问题，前苏联及美欧学者开始对冻融现象、机理进行许多科学试验和系统的理论研究，投入大量人力物力，前苏联在该领域一直处于领先地位。30 年代后期美国学者贝斯考，通过观察冰的形成过程，认为在自然条件下，土的分散性和毛细管作用紧密相关，而在水分迁移过程中，中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文）4土的分散性是通过毛细管作用表现出来的，提出了将毛细管水上升高度作为冻胀性评价的指标，与地下水、土粒的性质综合起来评价土的冻胀。1958 年另一位美国科学家居密克斯在对冻土中水分迁移机理的论述中，认为按照土的孔隙率，冻结时土中水分迁移借助于薄膜机构、毛细管机构、蒸汽机构同时进行
8、作用。而最有效的途径是由毛细管薄膜机构，来为冻土带中生长起来的冰晶提供水分补给。1961 年，Everett 首先根据毛细理论分别对冻胀和冻胀力进行定量解释和估计，毛细理论被称为第一冻胀理论，该理论一经提出，曾一度被广为接受并且很快发展。然而，毛细理论却不能解释不连续冰透镜是如何形成的，并且，该理论低估了细颗粒土中的冻胀压力。认识到毛细理论的不足，1972 年，Miller 提出：在冻结锋面和最暖冰透镜底面存在一个低含水量、低导湿率和无冻胀的带，称为冻结缘。冻结缘理论克服了毛细理论的不足，得到广大学者的认可，称为第二冻胀理论。随后后来冻土界学者分别从不同角度对冻结缘形成、发展及特征进行试验和理
9、论分析研究，提出了大量的相关论文。1973 年，前苏联的崔托维奇冻土力学一书出版，系统地论述了冻土力学的试验、理论和实际应用，标志着冻土研究这个领域进入了新的发展阶段。在冻胀模型方面，1973 年，Harlan 首先提出正冻土水热输运耦合模型，该模型是建立在部分已冻土的未冻水迁移与非饱和土的水分迁移类似的基础之上，是一种水动力学模型，没有讨论不连续透镜体的形成，也不考虑外部荷载，只是假设当含冰量达到临界值时才会发生冻胀。1985 年，对于冻融土强度参数的研究，一些学者的研究表明，土经冻融后强度变化有降低、不变、增大三种，主要取决于土的状态和试验条件。关于冻融土基本物理性质的研究，1979 年,
10、Chambelain 等中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文）5通过研究发现，细粒土经冻融后土的孔隙比减小，但土的渗透性增强，土的塑性指数增大；1990 年，Zimmie 等也指出，经过冻融后土体的渗透性会比开始大 12 个数量级；1996 年，Eigenbrod 认为冻融后土体的体积随冻融循环次数的增加而增大，但逐渐趋于稳定。在 1997 年“国际地层冻结和冻结作用研讨会”上，日本学者Kunio Watanabe 通过室内冰冻试验，用 CCD 照相机观测了冻结锋面的微观结构。美国学者 KarenS.Henry、芬兰学者 S.Saarelainen 和日本学者 F.Tsuchiya 分别报道了用
11、土工布隔断毛细水作为防冻材料的室内外试验结果；日本学者 Sinichiro Kawabata 报道了用石灰土换填法处理路基冻胀。2002 年，基于冻融土室内试验进行的力学性质研究，学者Simonse 等研究发现，冻融后土的模量会降低 25%60%。在 2003 年第八届国际冻土大会上，俄罗斯学者 VUlitsky 认为俄罗斯铁路路基变形主要表现为冻胀和融陷，并运用泡沫聚苯乙烯材料作为保温层以减少路基变形，保持路基稳定；上述内容基本反映了目前国外关于土体冻胀研究的进展情况和所取得的成就。1.2.2 国内研究现状我国对冻胀的研究开始于上世纪 60 年代。50 年代初期，道路建筑事业迅速发展，由于技
12、术标准低，没有采用有效的防冻抗冻措施，致使道路的冻胀翻浆破坏大量出现，严重阻碍交通运输事业的发展，从而得到人们对该领域研究的重视，经过冻土研究工作者半个多世纪的努力，取得了丰硕的成果。1965 年在全国道路冻害防治会议上，交通部研究院等单位针对不同道路的水文条件类型，提出了路基水分集聚计算公式，总结了灰土垫层，石灰与砂桩在改善路基水温状态，减少道路冻害方面取得的成中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文）6功经验。中国建筑研究院，哈尔滨建工学院及黑龙江省低温建筑科学研究所等单位在房屋冻胀破坏分析与室内冻胀试验研究的基础上，提出土的冻胀分类并纳入设计规范，对保证房屋安全及稳定方面起到了相当大的作用。7
13、0 年代初期，根据青藏公路、铁路的建设、运营与科研实践，总结提出了我国第一部冻土地区铁路勘测设计文件，东北地区也对多年冻土与翻浆冻害地区的公路设计做出了规范性规定。70 年代中到 90 年代，经济建设的飞速发展使道路建设与科研工作上了一个新台阶，先进的技术手段与方法使研究工作更为细致和深入，无论在理论上还是实践上都取得了大丰收。1981 年，吴紫汪等发表了“土的冻胀试验研究” ，对土的冻胀机制，动力与变化规律等进行研究，为道路工程的冻胀成因，分类和病害防治措施的制定提供了理论依据。在此基础上，科研人员对土体冻胀引发路基病害的原因进行了深入的试验研究分析，对各种影响因素与冻胀之间的关系提出了不少
14、经验公式，并给出冻胀分类方案。分析了粒度成分对冻胀的影响，提出以 12%粉粘粒含量作为使饱水条件粗粒土冻胀率产生飞跃的临界值，并可作为分类界限。即粉粘粒含量小于 12%时，冻胀率不大于 2%，而粉粘粒含量大于 12%时，冻胀率显著增大。1982 年，吴紫汪发表“冻土工程分类” ；根据冻土冻胀、融沉及强度之间的联系，提出冻土综合分类表。1983 年，孔庆铨发表“素混凝土般衬砌渠道地基冻胀土壤的分级及防冻害措施” ，提出了不同土质条件下地下水埋深对冻胀影响的定量关系图。又通过分析观测的数据资料，给出不同土质的冻胀率经验公式。1983 年，陈肖柏等发表“冻结速率与超载应力对冻胀的作用” 。中国矿业大
15、学徐海学院毕业设计（论文）7提出任何地基土都要承受上覆荷载的作用，因此必须考虑超载对冻胀性的影响，通过冻胀观测场地研究了荷载对冻胀的抑制作用，提出了经验公式。1988 年，朱强、付思宁等发表“论季节冻土的冻胀沿冻深分布” ，根据甘肃省 1979 年以来的渠道冻胀试验成果,得出了 4 种冻胀沿深度分布的类型及其与地下水位和土质条件的关系。1993 年，戴惠民、王兴隆发表季节冻土区公路桥涵地基土冻胀性研究。根据粘性土、细砂的原位冻胀试验，提出公路桥涵地基土冻胀性分类及其依据。1994 年，戴惠民、乐鹏飞等发表了季冻区公路路基土冻胀性研究一文，该文提供了大量的现场试验资料和室内模拟资料，提出了粉性土
16、路基冻胀模型及其临界高度，并对冻胀类型进行分类。2001 年，张建明、吴青柏、童长江等发表了一篇题为公路工程冻土类型划分研究的论文，在总结分析国内外已有冻土分类方案的基础上,针对中国现行公路工程冻土分类标准中存在的不足之处,结合目前对青藏公路沿线多年冻土研究的最新成果,提出了以多年冻土含冰特征与多年冻土年平均地温的综合指标冻土热稳定性为基础的公路工程冻土类型划分方案,并对所划分出的三种冻土类型给出了相应的冻土路基设计原则。2002 年，郑秀清等著的水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动一书以大量的室内外试验资料为基础，系统分析了土壤的季节性冻结和融化规律、冻融土壤水分入渗的基本特性、阻渗机理及主要影响因素，建立了冻土入渗参数预报模型。2006 年，吉林大学李向群博士对季冻区公路冻害进行了调查研究，并从设计、施工、养护等方面提出了详尽的防治措施。中国矿业大学徐海学院毕业设计（论文）82007 年，吉林大学谷宪明博士的毕业论文中，对季冻区公路路基冻胀翻浆及整治措施进行了较详细的分析。以上研究,基本上
