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多年冻土对公路的危害
我们都知道，青藏铁路穿过很多的地区都是多年冻土区，那么多年冻土对公路的危害有哪些呢?我们一起来看看!
1、多年冻土地区的两种公路病害
1)冻胀：在有冻胀性土的路段，当有水分供给时，在冬季负气温作用下，水分连续向上聚流，在路基上部形成冰夹层、冰透镜体，导致路面不均匀隆起，使柔性路面开裂，刚性路面错逢或折断的现象称冻胀。
冻胀性分类：通常是在土质分类的基础上，按土的冻胀性强弱划分为三类或四类，分别为：轻冻胀、冻胀、重冻胀、特重冻胀。
2)翻浆：在有冻胀性土的路段，当冬季负气温时，水分连续向上聚流、冻结成冰，导致春融期间，土基含水过多，强度急剧降低，在行车作用下路面发生弹簧、裂缝、鼓包、冒泥等现象称翻浆。
翻浆分类，根据导致翻浆的水分来源分为五类，分别为地下水类、地面水类、土体水类、气态水类、混合水类。根据翻浆高峰时期路面变形破坏程度，将翻浆路段分为三级，分别为轻型、中型、重型。
2、影响冻胀与翻浆的因素
公路冻胀与翻浆是多种因素综合作用的结果。土质、水、温度与路面是影响冻胀的四个主要因素，翻浆除这四个因素影响外，还受行车荷载因素的影响。在上述诸因素中，土质、温度和水是形成冻胀和翻浆的三个基本条件。
1)土质：粉性土具有最强的冻胀性，最容易形成翻浆。这种土的毛细水上升较高祈且快，在负温度作用下水分易于迁移，如水源供给充足可形成特别严重的冻胀，在春融时承载能力急剧下降易于形成翻浆。粘性土的毛细水上升虽高，但速度慢，只在水源供给充足且冻结速度缓慢的情况下，才能形成比较严重的冻胀和翻浆。粉性土和粘性土含有较多的腐植质和易溶盐时，则更易形成冻胀和翻浆。粗粒土在一般情况下不易引起冻胀和翻浆，因其毛细水上升高度小、聚冰少，且在饱水情况下也能保持一定的强度;但当粗粒土中粉粘粒含量超过一定量以后，冻胀性明显增加，也能形成冻胀和翻浆。
2)水：冻胀与翻浆的过程，实质上就是水在路基中迁移，相变的过程。路基附近的地表积水及浅的地下水，能提供充足的水源，是形成冻胀和翻浆的重要条件。秋雨及灌溉会使路基的含水量增加，使地下水位升高，从而促成冻胀与翻浆的形成。
3)温度：没有一定的冻结深度或冰冻指数(冬季各月每日负气温的总和)是难以形成冻胀和翻浆的，没有更大的冻结深度或冰冻指数是难以形成严重冻胀和翻浆的。而在同样冻结深度或冰冻指数的条件下，冻结速度和负温作用的特点对冻胀和翻浆的形成有很大影响。例如，在初冬时气温较高或冷暖交替变化，温度在0℃~3℃~-5℃之间停留时间较长，冻结线长时间停留在土基上部，就会使大量水分聚流到距地面很近的地方，形成严重的冻胀和翻浆。反之，冬季一开始就很冷，冻结线下降很快，水分来不及向上迁移，土基上部聚冰少，那么冻胀和翻浆就较轻或不出现。另外，春融期间的气温变化及化冻速度对翻浆也有影响。如春季开始化冻时，天气聚暖，土基急剧融化，则会加重翻浆。如春融期间冷暖交替并伴有雨、雪，也会使翻浆加重。
4)路面：冻胀与翻浆都是通过路面变形破坏而表现出来的。因此，冻胀与翻浆和路面是密切相关的。路面类型对冻胀与翻浆有影响。如在比较潮湿的土基上铺筑沥青路面后，由于沥青路面透气性较差，路基中的水分不能通畅地从表面蒸发，可能导致聚冰增加，冻胀量增大，以致出现翻浆。路面厚度对冻胀与翻浆也有影响，路面厚度大时可减轻冻胀，可减轻或避免翻浆。
5)行车荷载：公路翻浆是通过行车荷载的作用最后形成和暴露出来的。虽然路基有聚水、有冻胀，春融时含水过多，但无行车荷载作用，是不可能产生翻浆的。当其它条件相同时，在翻浆季节，交通量愈大，车辆愈重，则翻浆也会愈多、愈严重。
3、防治冻胀与翻浆的工程措施
1)做好路基排水
良好的路基排水可防止地面水或地下水侵入路基，使土基保持干燥，减少冻结过程中水分聚流的来源。
路基范围内的地面水、地下水都应通过顺畅的途径迅速引离路基，以防水分停滞浸湿路基。为此，应重视排水沟渠的设计，注意沟渠排水纵坡和出水口的设计，在一个路段内重视排水系统的设计，使排水沟渠与桥涵组成一个完整的通畅的排水系统。
为降低路基附近的地下水位，可采用截水渗沟。
2)提高路基填土高度
提高路基填土高度是一种简便易行、效果显著且比较经济的常用措施。同时也是保证路基、路面强度和稳定性，减薄路面，降低造价的重要途径。
提高路基填土高度，增大了路基边缘至地下水或地面水位间的距离，从而减小了冻结过程中水向路基上部迁移的数量，使冻胀减弱，使翻浆的程度和可能性变小。
路线通过农田地区，为了少占农田，应与路面设计综合考虑，以确定合理的填土高度。在潮湿的重冻区内粉性土地段，不能单靠提高路基填土高度来保证路基路面的稳定性。要和其他措施，如砂垫层、石灰土基层等配合使用。
3)设置隔离层：
隔离层设在路基中一定深度处，其目的在于防止水分进入路基上部，从而保持土基干燥，起防治冻胀与翻浆的作用。
4)换土：
采用水稳定好，冰冻稳定性好，强度高的粗颗粒土换填路基上部，可以提高土基的强度和稳定性。
5)注意路槽排水：
在冻胀与翻浆严重地段，应注意做好路槽排水，通常采用砂垫层和横向盲沟等措施。
6)加强路面结构：
在冻胀和翻浆地段，常使用整体性好的石灰土、煤渣石灰土、水泥稳定砂砾等半刚性结构层，以加强路面结构。
7)加设防冻层：
在中、重季节冻结区和多年冻土区的高级、次高级路面，在有可能冻胀的路段，为防止不均匀冻结，路面总厚度不应小于下表的规定。 路面防冻最小总厚度(cm)
8)铺设隔温层
一、路基土的冻胀影响因素
1.土质对路基土产生冻胀的影响
土壤性质对路基冻胀的影响主要体现在颗粒组成和矿物组成上。在土壤粒度超过0.1mm时，土壤水分容易排出，而不会发生冻胀，但随土壤粒度的降低及分散程度的提高，冻胀率也相应提高。在粒度0~0.05mm的土壤中，土壤会出现冻胀现象，而在0.05~0.002mm的土壤中，土壤的冻胀率最大。在粒度低于0.002mm时，也就是在粘土粒度范围内，土壤的分散度增加，从而降低了土壤的含水量，降低了冻胀率。在地基土微粒特别是粘性土壤中，矿物组成对冻胀的作用更为明显。土壤致密程度对土壤的冻胀也有一定的影响，当土壤含水量达到一定程度时，地基土的密度减小，会使土壤的孔隙度增加。在致密程度低的土壤中，由于存在充分的孔隙和空隙，使冰在不影响土壤中的微粒间距以及不发生冻胀率的情况下自由膨胀。
由于压缩程度的增加，土壤中的自由水填充了土体之间的空隙，从而限制了路基内凝结的水分，使路基的冻胀率增加。在一定的密度下，土粒之间的孔隙最小，达到了最优的粒径分布，此时，土壤的致密可以最大限度地提高土壤的含水量，从而达到最大的冻胀率。
2.水对路基土产生冻胀的影响
路基土冻结时，土壤中的湿度是引起冻胀的必要条件，而含水的路基土并不是所有的冻胀都会发生，只有当土壤含水量超过一定限度时，才会发生冻胀。这是在一定的负温情况下，当地基土冻胀率为0时，路基的含水量就是初始冻胀含水量。在地基土含水量低于此值时，就算整个土层都被冰和未冻水填满，也不会发生冻胀。如果路基土壤在密闭状态下冻结，仅仅是地基土壤中的水分的输送，并不会引起太大的冻胀率，但有地下水补充时会出现不同情况。而地下水对路基冻胀的作用则与地基土的毛细水升高高度有关。在冻土冻融过程中，冻结锋与地下水之间的距离大于或小于毛细水的抬高，在毛细水补充的情况下，路基出现冻胀概率较大。
3.温度对路基土产生冻胀的影响
在高寒冻土区，由于外部环境温度的影响，路基土壤的温度也会随之改变。负温是路基土壤冻结的先决条件，是影响路基土冻结过程、冻结时间和未冻水量的重要因素。路基土在冻土过程中，由于土壤粒子的表面能的作用，使未冻结的液体变成了未冻水，而非冻水与固体冰之间存在着一种动态的平衡关系：随着地基土壤温度的提高，部分冰溶解，使冻水道中的水含量增加。与此形成对比的是，在路基土壤温度下降的情况下，部分未冻水结冻为冰冻区的土壤水分含量有所下降。由于在负温和封闭状态下，路基土壤中的水分持续冻结，使其自由水量不断下降，使路基土壤的含冰率逐渐升高，从而使路基土壤发生冻胀。
4.外荷载对路基土产生冻胀的影响
外荷载对地基的冻胀有一定的影响。由于地基土体受到外加的外力作用，使土体之间的接触压力增加，从而使路基土壤的冻融温度下降，从而对整个路基土壤的含水量变化产生一定的影响。在荷载作用下，土壤颗粒间的间隙减小，致密性增加，土体密度增加，土体之间的作用力也随之增加，这也限制了未凝结的湿气的迁移和聚集，降低了冻胀率。尽管外荷载可以在一定程度上抑制路基土的冻胀率，但要结束路基土的冻胀，就必须承受较大的外压，而这种外压随土壤性质的变化而变化。土壤中的微粒越细小，所需的外界压力也就越大。
二、工程概况
新建沈阳至白河高速铁路工程SBJL-TJ-8标段位于吉林省白山市安图县长白山管委会境内。线路全长44.437km。线路自白山市抚松县三道松江河大桥引出，向东北经过曙光林场、胜林林场，引入安图县二道白河镇，与既有敦白铁路相接。
1.工程特点
（1）地处高纬度严寒地区，冬期施工需加强防冻措施。线位地处高纬度严寒地区，最冷月平均气温-16.9℃～-13.5℃，极端最低气温-38.4℃，最大冻结深度1.98m，最大积雪深度达0.62m，高铁路基冻胀控制施工技术和监测技术，路基填料的控制标准和填筑工艺；隧道、桥梁、排水系统等结构本体的防冻技术是本工程的重点技术；控制性隧道冬季连续施工，施工过程需要采取有效措施确保冬施质量。
（2）线路经过多处环境敏感点，生态环境保护要求高。线路经过地区涉及长白山水源保护区、自然保护区、风景名胜区、林区等多处环境敏感点，需坚持主体工程和环保工程同步实施，并采取有效的防护水土流失防治措施，建设过程中不断优化，预防和控制对环境的不良影响。
（3）线路穿越林区、与既有道路多处交叉，协调难度大。线路穿越松江河和露水河国家森林公园等森林保护区，临时设施、取弃土场、弃渣场及施工便道等红线外临时用地征用手续繁杂；线路多处跨越河流、沟渠、既有道路，需办理相关行政手续及专项认证许可，建设过程中协调难度大。
（4）当地砂料资源较为匮乏，尤其是河砂资源严重不足。沿线河砂资源严重不足，需远运。加之地方政府严管采石和严禁采砂，施工时需采取有效措施确保地材供应。
2.地质特征
（1）地质构造。该路线穿越区域为中朝准地台、辽东台隆东北、铁岭-靖台拱龙岗断裂、太子河-浑江凹陷褶断束、桓仁台穹褶皱束交界。浑河和浑江河谷在中生代形成了断陷盆地。晚第三纪新生代后期，因陆屑岩的堆积作用，形成了一套煤层岩。中新生代断层具有明显的分异特征，主要表现为火山爆发，岩浆侵入、玄武岩覆盖范围较广。该区构造复杂，构造类型以NNE—NNE向、NW向、环状构造为主。
（2）地质条件。这一地区属长白山玄武岩火山岩台地，多为山地，地势较低，多为林地，部分地区为沼泽地。表覆粘性土、碎石类土和火山堆积层，腐殖土为林地，软土为沼泽地。玄武岩的下部为第三系。地下水主要是由第四系的孔隙水和基岩裂缝水组成，其深度通常为3.0~10.0 m。玄武岩中存在着岩洞和软弱的夹层，而粘性土、火山堆积层和玄武岩的全风化层则是膨胀的。林带表层土壤水分含量高，承载力差，强度差。
（3）不良地质和特殊岩土。根据气象数据，从11月至次年3月，温度低于0℃，属于寒冷地带，地表土普遍存在冻胀性，最大冻土厚度为1.38~1.98 m，应采取相应的措施来降低和控制冻胀对工程的影响。
三、冻土路基病害的主要治理措施
1.排水措施。路基排水系统的健全，能有效阻止道路的蓄水，降低土壤含水率，确保路基的干燥，从而减少在高寒地区发生的冻土现象。为避免道路周围的雨水渗透到地基上，必须通过完善的排水系统将周围的水全部排出，以防止雨水渗透到路面上。要注意排水系统的设计，使水流沿截排水沟排水。
排水坡度的设计，截排水沟要与桥涵形成一个畅通、完整的排水体系。有管渗沟能有效地减少路基地下水位，截水渗沟能对地下水进行截流，并能排出地下水，同时考虑冻结深度的影响。当渗水盲沟内的水需要由线路一侧引向另一侧排出时，需要于路基下设置横向排水管。此外，还应注意路基边坡的排水问题，特别是在易出现冻胀、翻浆区时，应采用边坡支撑渗沟或者坡顶截水渗沟等措施，将边坡内的积水排出，不至于浸泡路基。如果路基所用的材料有渗水，应及时将渗水渗出，特别是在春融解冻的情况下。沿渗水盲沟排水方向，每隔30m和平面转折点、纵坡变坡点等处，设置圆形检查井，井内设防寒木盖，防寒木盖由两块半圆形木板组成。
检查井露出侧沟平台或保温护道0.1m，防止地表水流入井内。渗沟内的水排出位置设置保温出水口，其中A型保温出口适用于渗沟内的水引至地势低洼处的情况，B型保温出口适用于渗沟内的水排至涵洞的情况。在室外气温较低的情况下，保证盲沟内水能顺利排出，也能避免或减轻路基的冻胀现象。
2.保温护道。作为路基病害的一种有效措施，热防护也是许多路基普遍采用的一种方法。在降低外部气温的同时，还能有效地阻止地下水的下渗、蓄积和冲刷。保温护道的设计要求相当苛刻，必须选用符合特定要求的合格填料和护道结构，护道的大小和渗透性都要特殊考量，过去的护道形式已经难以达到保温目的，片石护道会加快路基的融化和沉降，无法达到保温护道的目的，因此，该方案只适用于不破坏冻土的情况，且适用范围有限。具有支撑功能的护坡可以有效地处理路基、边坡的滑坡，是一种较持久、效果较好的防治方法。高路堤以护路为主，台阶式护路更适合季节性的路基，能有效地预防边坡崩塌的道路病害。支承护坡可抵抗冻土融化引起的变形破坏，并可有效地预防路基病害，因此，此类护坡通常不采用片石结构。
3.换土。在冻土地基处理中，采用冻结和水分稳定性较好的粗粒状土壤，采用更换填筑地基，是改善冻土地基病害的一种途径。这些粗粒土具有较高的强度，不仅能增加路基的强度，还能改善整体的稳定性和耐久性。不是全部的路基都能达到换填土的要求，仅在路基标高有限的情况下不能增加，而若周围有粗粒土，而原路基的土质已被破坏，则可采用填换土方法。更换填土的数量根据不同的需要而定，通常根据地基承载力、铁路等级等因素而定。可参照其他区域的施工经验，在地基上部70cm处填入更换填土，并按强度要求确定更换填层的厚度，计算出铺层的厚度。
4.土工织物、EPS导温垫床。土工织物法是目前最常用的处理方法，具有排水、隔离、渗滤、加固等功能。EPS是一种新型的抗冻土工程高分子材料，是一种用来储存于聚苯乙烯中，经过发泡、成熟处理、模制成型的发泡材料。EPS泡沫材料的密度为45kg/m3，其热膨胀系数低，气体含量高，吸水性低，遇水后保温效果良好，承载能力强，变形压强，是近年来在寒冷地区广泛应用的一种新型路面病害治理材料。
5.采用遮阳棚调控辐射。为了避免在冻土区如路堤、边坡等地区发生病害，可以使用遮阳篷遮蔽阳光和防止雨水冲刷。利用这种物理方式来降低路基表面的温度，可以减轻冻结土壤中的冻结现象，减少路基冻土层和路面塌陷等病害。采用遮阳板调节辐射，是对路基进行物理降温的一种方法，最适合在高寒地区应用，其白天辐射较大，昼夜温差较大。同时，可在其外表面涂上高反射物质，增加其辐射量，并强化其物理效果，从而增加其反射系数。
四、结束语
在高寒地区铁路施工中，要充分考虑不同的工程地质条件对路基土体的冻胀效应，并根据不同的地质条件采取相应的控制措施。根据影响路基土冻胀的各种因素，在铁路建设中，必须严格控制路基的含水量，并对分层压实的厚度进行控制，并采用其他有效的压实措施，例如用振动压路机进行路基的压实，从而保证地基的致密。修建较为完备的排水体系，在冬季冻结期间尽可能地将路基周边的水源排除，以减少路面地基上的冻胀量，以确保路面的稳定性。
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