杜江

摘要 文章結(jié)合俄羅斯遠東地區(qū)多年凍土路基處治前期研究實例，通過收集俄羅斯地區(qū)多年凍土路基處理方法，對俄羅斯地區(qū)現(xiàn)狀道路多年凍土路基病害進行調(diào)查。借鑒俄羅斯多年凍土地區(qū)成功實踐經(jīng)驗，并吸取多年凍土處治失敗案例的教訓(xùn)，進一步研究和優(yōu)化多年凍土處治措施。結(jié)合項目所在區(qū)域特點，在對楚科奇地區(qū)多年凍土特性研究基礎(chǔ)上，以提高凍土上限為目的，提出符合楚科奇地區(qū)的多年凍土處治方案。

關(guān)鍵詞 多年凍土；路基病害；凍土上限

中圖分類號 U416.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0086-03

0 引言

多年凍土是指凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)三年以上的含冰凍土層，多年凍土分為上下兩層，上層每年寒季凍結(jié)、暖季融化，稱為季節(jié)性凍融層，下層全年處于凍結(jié)狀態(tài)，稱為永凍層，永凍層的頂面稱為多年凍土上限[1]。據(jù)統(tǒng)計，多年凍土覆蓋了全球1/4的陸地，緯度和垂直地帶性明顯，主要分布在高緯度和高海拔地區(qū)。在北極圈以北的北冰洋沿岸地區(qū)廣泛分布著北半球最大的凍土分布區(qū)域，其中凍土分布最廣的國家是俄羅斯和加拿大。

1 工程概況

該項目位于俄羅斯楚科奇自治區(qū)，隸屬遠東聯(lián)邦區(qū)。西北與雅庫特交界，西南與馬加丹大區(qū)接壤，南與堪察加邊疆區(qū)毗鄰，東部與美國有海上邊界，是世界上最東北的邊疆地區(qū)，東與美國毗鄰。該項目為巴伊姆礦區(qū)至比利比諾的新建公路，全長約206 km，含道路、大安玉河橋、小安玉河橋、7座中橋及134道涵洞。全線設(shè)計時速70 km/h（山區(qū)段30 km/h），按雙向兩車道標準建設(shè)。

2 沿線周邊地形地貌

楚科奇地處俄羅斯東北部，地勢起伏較大，多屬楚科奇山脈東部，最高峰海拔1 158 m，北部和沿岸均為狹長平原，境內(nèi)地勢起伏較大，地勢平坦，楚科奇半島地表的多年凍土隨季節(jié)變化而廣泛發(fā)展。

項目地區(qū)海拔在180～600 m，沿山丘邊緣展現(xiàn)，沿河設(shè)置，水資源較為豐富，分布有大安玉河、小安玉河及眾多河流。項目區(qū)域河流的水源主要是雨雪，具有長期封凍，許多河流的河床都結(jié)冰到底部，冰壩廣泛形成。

3 沿線不良地質(zhì)及特殊性巖土

項目區(qū)域氣候?qū)儆诖箨懶詺夂?。冬天極其嚴酷而且時間長（11月—次年4月）。年平均最高溫度為?8.5 ℃，年平均最低溫度為?12.4 ℃，具體溫度統(tǒng)計如表1所示。

項目區(qū)域位于I1連續(xù)永久凍土區(qū)，年平均積雪天數(shù)212 d。每年冰凍期9個月，冰凍期為10月—次年6月。年均138 d見不到太陽，1月和12月為極夜，6月和7月為極晝。凍土及凍巖帶厚度達420 m，年變化層底部溫度達?8 ℃。

4 俄羅斯地區(qū)凍土研究

4.1 俄羅斯道路等級

俄羅斯道路分級標準的制定原則綜合考慮交通需求和道路狀況，確保道路安全、高效和可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)國際標準和國內(nèi)實際情況，俄羅斯將道路分為5級，道路分級如表2所示。

4.2 俄羅斯地區(qū)公路壓實技術(shù)要求

俄羅斯地區(qū)按照路基設(shè)計規(guī)范中，路基強度基本指標是路基土壓實度，俄羅斯地區(qū)路基壓實度要求如表3所示。

4.3 俄羅斯公路路基回彈模量

由于俄羅斯地區(qū)常年平均氣溫非常低，均位于零攝氏度以下，道路路基處治方案有其本身的特點。根據(jù)俄羅斯規(guī)范規(guī)定，路堤回彈模量設(shè)計值E按公式（1）確定。

（1）

式中，EH——路基土回彈模量，根據(jù)查表（詳見表4）或者通過試驗確定（MPa）；ET——沼土回彈模量，通過壓縮或壓模試驗確定（MPa）。

在俄羅斯，為保證路基作業(yè)區(qū)的穩(wěn)定和強度，當路基回彈模量值低于容許值時，應(yīng)采取如下處理措施：

（1）路基的濕度狀況可以通過防水、隔熱、排水以及使用土工合成材料制成的滲水層進行有效調(diào)節(jié)[2]。

（2）采用砌石護坡或反壓護坡阻止路表水滲入路基內(nèi)部。

（3）在路床范圍內(nèi)采用透水性材料。

（4）俄羅斯多年凍土地基沉降計算。在俄羅斯地區(qū)，根據(jù)俄羅斯規(guī)范中路基沉降按公式（2）確定路基沉降，公式如公式（2）所示：

式中，β——無量綱系數(shù)，取0.8；σzp，i——第i層土壤在豎向荷載作用下的豎向附加應(yīng)力值（kPa）；hi——第i層圖厚度（m）；Ei——土層壓縮模量值（kPa）。

（5）俄羅斯地區(qū)多年凍土設(shè)計思路。在俄羅斯，解決多年凍土問題的主要思路是提高多年凍土的上限，通過填筑護道，給地基層保溫，同時確保多年凍土上的路堤穩(wěn)定性，使地基層始終位于永久凍土層，對于處于季節(jié)凍融層的路堤，路基填料要采用非凍脹性的碎石土填筑，多年凍土處治典型斷面如圖1所示。

5 俄羅斯地區(qū)多年凍土道路病害分析

通過調(diào)查俄羅斯地區(qū)公路病害并總結(jié)病害成因，分析研究結(jié)果具體如下：

（1）由于對多年凍土發(fā)生病害機制認識不足，處治方案很難適應(yīng)復(fù)雜的凍土地質(zhì)條件。尤其是在含冰量相對較高的凍土路段，凍土路基處理往往采用允許多年凍土局部融化的設(shè)計思路，但由于支撐設(shè)計的勘察資料與實際地質(zhì)狀況存在較大的差異性，高含冰量的凍土地基實際發(fā)生的沉降遠大于計算沉降，使得路基沉降變形及病害發(fā)展遠高于預(yù)期[3]。

（2）凍土工程技術(shù)措施缺乏適應(yīng)性，導(dǎo)致設(shè)計效果不盡如人意。采用一般的路基高度的設(shè)計思路通常只適用于與低溫基本穩(wěn)定區(qū)，并且具有一定的局限性，因此，采用一般的路基高度的設(shè)計思路很難保證地基凍結(jié)的狀態(tài)能夠一直持續(xù)下去，這對高溫條件下溫度變化更為敏感的線路安全穩(wěn)定將產(chǎn)生長遠的影響。與路基高度措施類似的問題還有土護道保溫措施。但基底多年凍土地溫可通過設(shè)置土質(zhì)護道有效降低。護道表面的年均溫度只有在溫度較低的凍土區(qū)才會比凍土區(qū)的自然狀態(tài)溫度低。整個冬季由于公路沿線地表積雪的影響，對冬季基礎(chǔ)降溫散熱不利，形成了厚而結(jié)實的雪蓋層[3]。

（3）截排水措施薄弱，多年的觀測數(shù)據(jù)表明，由于常年地表水和地下水的滲透及滲流作用，導(dǎo)致路基沉陷和形變病害頻發(fā)，甚至導(dǎo)致路基出現(xiàn)塌陷，在地下水和地表水富集的路段，這些問題表現(xiàn)得尤其突出。根據(jù)現(xiàn)場路基凍土病害調(diào)查，往往在路基坡腳附近設(shè)置排水溝的路段，凍土地基首先產(chǎn)生熱融沉陷，但若在路基坡腳20 m以外修建排水溝，容易導(dǎo)致路基坡腳與排水溝之間出現(xiàn)積水現(xiàn)象，坡腳積水加劇多年凍土病害的產(chǎn)生。加強道路地表水和地下水的截流引排，是防止多年凍土路基病害的必要措施，因此，要加強線路地表水的截排。

6 針對楚科奇地區(qū)多年凍土處治方案

項目前期進行了長期調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)多年凍土病害呈現(xiàn)如下特點：病害發(fā)生頻率高、病害持續(xù)時間長、病害一旦發(fā)生，處治難度大等。針對以上特點，并結(jié)合已有處治經(jīng)驗，推薦采取的處治措施如下：

6.1 隔熱材料技術(shù)

針對既有公路凍土工程施工及運營期間暴露出來的問題，特別是對含冰量大、沉陷量大的地區(qū)，建議加強凍土保護的設(shè)計原則：一是加強包括地表植被覆蓋，以起到對凍土地溫的保護作用。二是包括聚苯乙烯、聚氨酯等隔熱材料等新材料、新工藝的應(yīng)用。

6.2 拋石護坡技術(shù)

根據(jù)以往項目多年凍土處治經(jīng)驗，采用塊石滿鋪路基，對保護多年凍土起到明顯作用。通過設(shè)置試驗段采用拋石護坡滿鋪路基，試驗結(jié)果表明，采用拋石護坡滿鋪的路基經(jīng)過兩次凍融循環(huán)，地基地溫下降約0.8 ℃，多年凍土上限高度抬升約1.2 m，充分表明拋石護坡對降低地基地溫效果明顯。其工作原理是在寒冷季節(jié)，塊石間較大的孔隙產(chǎn)生空氣對流作用，塊石間冷空氣的對流利于地基充分散熱而使凍土地基地溫有效降低，其冷卻效果與塊石大小、空隙率等密切相關(guān)[3]。

6.3 熱棒導(dǎo)熱技術(shù)

采用導(dǎo)熱介質(zhì)對地基凍土層進行主動降溫，目前國內(nèi)外多采用氟利昂、氨水作為導(dǎo)熱材料。其工作原理是利用管內(nèi)導(dǎo)熱介質(zhì)的氣化吸熱作用，依靠冷凝器與蒸發(fā)器的溫差，在冬季大氣溫度低于凍土地溫時，通過對流循環(huán)將基底熱量傳導(dǎo)到大氣中，達到冷卻地基的作用。熱虹吸管可以在大氣溫度比凍土溫度高的情況下自動停止工作，不會把大氣的熱量帶到地基里面去[3]。

6.4 關(guān)注全球氣候變化帶來的沖擊

全球變暖導(dǎo)致地表溫度變化，嚴重影響多年凍土穩(wěn)定性，考慮公路運營的周期較長，多年凍土設(shè)計必須考慮全球氣候變暖導(dǎo)致地溫逐漸上升對凍土退化的影響，特別是含冰量較高的凍土路段，應(yīng)采取必要的預(yù)防性措施，彌補地溫上升對多年凍土造成的影響。

7 結(jié)語

通過實地調(diào)查和技術(shù)交流，凍土工程的知識有了進一步提高。認真總結(jié)和吸取項目周邊既有路基凍土病害的經(jīng)驗教訓(xùn)，進一步研究優(yōu)化凍土病害處治措施，通過對楚科奇地區(qū)多年凍土技術(shù)的研究實踐，完善多年凍土設(shè)計理論，在主動冷卻理念研究基礎(chǔ)上，采取主動降溫措施，或以橋代路的措施，對高溫極不穩(wěn)定區(qū)域的凍土層含量較高的地段和凍土不良現(xiàn)象較為發(fā)展的地段進行主動降溫，以提高多年凍土上限。

參考文獻

[1]房建宏. 青藏高原東部多年凍土區(qū)高速公路建設(shè)適應(yīng)性對策研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)， 2017.

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[3]錢征宇. 俄羅斯貝阿鐵路多年凍土工程技術(shù)綜述[J]. 中國鐵路， 2022（5）： 29-34.