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高原冻土对道路桥涵的危害及防治

文档作者：宋学东许召强程传超王熙文孙晓杰王龙飞文档来源：山东农业大学水利土木工程学院		点击数：	更新时间： 2022年10月13日
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第41卷第2期
2014年2月
建筑技术开发
Budilding Technique Development
Vo1．41．No．2
Feb．2O14
高原冻土对道路桥涵的危害及防治
宋学东 许召强 程传超 王熙文 孙晓杰 王龙飞
(山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安271018)
【摘 要】 在我国的西北和东北，尤其在青藏高原地区，冻土广布。动土的存在，使得土壤的不稳定性增加，给我国的路
桥交通的建设和养护带来了不少麻烦，严重威胁着路桥的稳定性。在凭借相关施工案例，参考大量文献的基
础上，总结介绍了冻土对道路桥涵的危害、动土的防治措施，减少后期养护的工程量。
[关键词】 高原冻土；道路桥涵；危害与防治
【中图分类号】 U443．17 【文献标志码】 A 【文章编号】 1001—523X(2014)02-0048—04
A BREAK TALK ABoUT THE HAI M AND PREVETIoN AND
CURE oF FoRZEN SoIL oN PLATEAU
Song Xue—-dong Xu Zhao··qiang Cheng Chuan-chao Wang Xi--wen Sun Xiao-jie Wang Long··fei
【Keywords]
In China S northwest and northeast，especially in the Tibetan Plateau，widespread permafrost．Groundbreaking
presence，making the soil increased instability to the country's road and bridge construction and maintenance of
transportation has brought a lot of trouble，a serious threat to the stability of the bridge．In this paper，by virtue of
the relevant construction cases，on the basis of extensive literature references，presents a summary of permafrost
hazards of road bridges and culverts，ground—breaking prevention measures to reduce the amount of post
maintenance works．
plateau frozen earth；road bridge；hazards and control
在高纬度和海拔较高的高原、高山地区，一年中
有相当一段时间气温处于零度以下，这是贮藏在土
中的水便会凝结成冰，冰与土冻结成整体，形成冻
土。冻土又分为多年冻土和季节性冻土。根据海拔
高度和纬度的不同。两种冻土的分布呈现出一定的
规律性。一般在纬度高于北纬35。、海拔在4 300 m
以上的地区均有不同程度的冻土。例如，青藏交界
的唐古拉山区、西藏的阿里郎地区北部、喜马拉雅山
脉高山台地都是多年冻土相对集中的地方。在西
藏，除林芝、山南的个别低海拔峡谷盆地外，季节性
冻土遍布全藏各地。在这些地区修建的公路、桥梁、
涵洞及其他人工构造物，经常会由于冻土的冻胀作
收稿日期：2013一l1—15
作者简介：宋学东(1962一)，男，山东省青州市人，毕业于山东省水利
学校，本科学历，山东省农业大学教授，从事实验室研究
与管理工作。
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用而造成不同程度的破坏。
工程实践证明：在冻土地区的公路建设中，低温
冻胀引起的过大变形和过大应力往往是路面强度、
厚度和结构组合的关键因素，而在小桥涵，挡墙，排
水沟等浆砌工程中，各种冻胀力又往往是在设计施
工中必须加以研究的控制因素。
1 冻土对公路桥涵的危害
1．1 冻胀和冻胀力
1．1．1 冻胀及影响冻胀的主要因素
土冻结时体积的膨胀作用，除土中原有的水分
冻结成冰体积膨胀外，主要是土冻结过程中，水分向
冻结锋面迁移冻结所致，这种现象称为土的冻胀作
用，简称冻胀。它是土体冻结时最主要的物理力学
过程。冻胀深度的分布是不均匀的，在多年冻土区，
土的最大冻胀率出现在地表下1／3左右的冻结深度
处。
第41卷 宋学东，等：高原冻土对道路桥涵的危害及防治 第2期
影响冻胀的主要因素：
1)土体类型：粗颗粒土冻胀小甚至不冻胀，而细
颗粒土一般冻胀较大。
2)含水状况：土体含水量大，则冻胀严重；当土体
含水量小于某一值时，土的冻胀率为零。
3)冻结条件-冻胀速度快则形成整体构造冻土，
冻胀1b,冻结速度慢时，一般冻胀较严重。
1．1．2 冻胀力及其分类
伴随土的冻胀，在建筑物基础将产生冻胀力。
当建筑物的重量和附加荷载不足以与之平衡时，建
筑物将在冻胀力的作用下产生冻胀变形，严重时将
引起建筑物的破坏。依据冻胀力作用于基础表面的
部位和方向，可分为切向冻胀力、水平冻胀力(侧面法
向冻胀力1、法向冻张力。见图1。
胀力
f 1 f f f f f l T-法向冻胀力
图1 冻胀力示意
土基冻结时，土中的大部分水变成冰，导致土体
膨胀，使土颗粒产生位移，造成地面和土地的其他临
界面隆起，膨胀，但当路面结构层、桥涵构造物及其
他防护工程修建在冻土地区时，冻土层的膨胀受到
限制而不能膨胀时，便产生相当大的冻胀力，作用于
构造物与冻胀土的接触面上。在土、水、温度和约束
力四个方面相互作用下，造成对结构物的严重破坏。
1．2 对路基及路面的冻害
1．2．1 沉陷
路基的沉陷病害是高原冻土地区最常见、最主
要的路基病害，一些高原冻土地区的路基沉陷问题
普遍存在；在青藏公路最严重的某波浪路段，其波峰
与波谷的沉陷落差近1．5 11"1。高原冻土地区的沉陷
病害主要表现出路基不同程度、不同形状的下沉，从
而形成路基的波浪现象、反拱现象等；出现这些现象
的实质就是因路基施工，使原有的地表层增厚并变
得相对松软，这样就导致其对太阳的辐射热易于向
地表深部传递，让路基下的冻土层在热传递的过程
中发生融化、凝固的反复出现，另外，高原冻土上限
附近的冰冻层厚度存在着一定的差异，其路基的表
层由于不同因素的影响，其对太阳辐射热的吸收及
传递其热量的大小都存在一定的差别，从而导致路
基的固结沉降量的不同，使高原冻土地区路基出现
不同程度、不均匀沉陷。
1．2．2 翻浆
冬季，路基在含水量处于饱和或超饱和的状态
下，土体中的水分在温差作用下开始向冰冻线移动，
路基上层水分增多，并且逐渐结成聚冰层，体积急剧
增大。大量水分积聚在土基上层，随着气温的下降，
零度等温线不断下移，形成一层、两层或多层聚冰
层。路面产生不均匀膨胀、变形严重影响行车的安
全性和舒适性。春季气温逐渐回升，使基上层的土
体首先融化，下层土体尚未解冻，形成不透水层，致
使水分渗透不下去，使土基强度很快降低以至失去
承载能力，在行车作用出现翻浆、弹簧断裂鼓包等现
象，严重妨碍行车，甚至中断交通，造成严重的经济
损失。
1．2．3 路面裂缝
裂缝分为纵向裂缝、横向裂缝和网状裂缝(龟
裂)三种形式。产生裂缝的原因，主要有两种：一是
受路基土的不均匀冻胀和受施工缝影响所引起的路
面纵向裂缝。这种裂缝沿道路纵向开裂，基本与行
车方向平行或稍有倾斜，大多数分布于路面的中部，
在两侧行车带附近和路面的边缘也有少量纵缝分
布；二是因低温收缩产生的低温横向裂缝。在西藏
的冬季，当温度降低时，沥青材料的收缩应变与路面
上行车荷载引起的应变之和超过材料本身的应变能
力，也即当低温下沥青材料的延变能力不足时，路面
就会开裂。由于二三级道路的路面中，纵向比横向
的累积变形大，所以这种裂缝多表现为横线裂缝。
1．3 对桥梁涵洞的冻害
切向冻胀力平行作用于桥涵基础侧面，是多年
冻土地区基础设计的控制因素。切向冻胀力是土体
类型，土体含水量，温度及冻结速度的函数。依据有
关实验资料，细粒土的最大切向冻胀力可达77．5 kPa，
粗颗粒土可达6．3 kPa。虽然切向冻胀力的值不是很
大，但由于桥涵基础的侧表面积很大，作用于基础的
抬升力一般很大，在切向冻胀力作用下，经常出现桩
基础上拔变形，致使建筑物破坏。
桥涵墩台基础受到冻土的危害时，个别涵洞因
基础埋置深度不足而导致的基础变形和因台背填土
冻胀而导致的涵台鼓胀、断裂，有个别的涵洞基地埋
置标高未达到最大冻土深度的要求，基础在法相冻
胀力和切向冻胀力的共同作用下，被不均匀胀力剪
断，涵台身竖向断裂，多年的冻胀变形积累，使整个
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第2期 宋学东，等：高原冻土对道路桥涵的危害及防治 第41卷
结构物破坏。也有涵洞基础和墙身本身强度较高，
桥身本身没有发生裂缝破坏现象，但却造成涵台基
础整体标高升高，产生涵洞跳车因台背填土冻胀还
造成八字翼墙倾斜变位，甚至整体失稳。在多年冻
土地区的青藏线上还会造成因人为因素造成天然上
线变化，致使许多桥涵基础遭受冻害，表现为基础上
抬、倾斜、桥起拱、涵洞断裂，甚至失效破坏，严重的
影响正常交通，给国家造成很大的经济损失。
多年冻土地区桥梁病害主要类型总结为：1)桥
涵基础变形：主要表征为基础冻胀和融化下沉，桥面
弯曲变形，涵身倾斜、断裂。2)桥梁基础混凝土破
坏：主要现象有混凝土开裂、剥蚀、保护层脱落、钢筋
暴露并锈蚀。3)防护工程破坏：主要表现为锥形护
坡沉陷、八字墙移位和倒塌。
1．4 对挡土墙及路基排水设施的冻害
1)挡土墙的整体倾斜。挡土墙在整体刚度和强
度满足的情况下，由于墙背填土水平冻胀力的作用
发生整体倾斜。2)挡土墙不规则裂缝。由于挡土墙
水文地质不良，气候严寒，浆砌片石挡土墙在冻胀力
作用下产生沿灰浆缝方向不规则的裂缝，墙体严重
变形乃至丧失抵抗压力的能力。3)边沟、截水沟常
常被季节性冻土破坏的变形，“耍龙”、倒塌、急流槽
断裂现象非常普遍。这是因为这些结构物断面尺寸
一般比较小，加上都是砌浆片石材料，成品的整体性
很差，在并不强烈的冻胀力作用下就会产生破坏。
2 冻土地区公路桥梁冻害的防治
2．1 路基防冻
多年冻土层路基病害的防治目的是确保在路基
修筑后，多年冻土不会发生影响路基稳定的热融下
沉，在工程中一般采用改善多年冻土或保护多年冻
土的措施达到目的。
1)改善冻土条件
①改善土的冻胀性能。可以采取预融或挖除的
方式完全或部分破坏路基下冰层，当采用预融的方
式时，在路基填筑前，应完全清干冻土融化的水分。
填筑路基的土要选择水稳性好的，强度高的非冻胀
或弱冻胀土，如砂砾、砂、碎砾石等。即便在取料困
难地段，当水文地质条件不好时，也应该在路基上部
50～80 cm厚度范围内要填筑上述好料，在冰冻严重
地区，还应更厚一些。同时，对冻胀地区的路基压实
要做特别的处理，使之达到最大密实度，以减少土壤
中毛细水的上升高度，从而减轻地下水向上转移的
程度，减小冻胀机会。②改善路基的水文条件。首
先要做好路基路面的排水设计。对表面水，采取边
沟、截水沟、排水沟以及路面纵、横向坡度等措施将
路基范围内的水排到范围外，防治积水下渗。对地
下水，可采取设置盲沟、节水暗沟等方式，将水截断
或拍道路及范围外。设置隔离层可以防止地下水侵
入路基的上部。透水性隔离层材料宜选用碎石、砾
石、粗砂等。
2)保护冻土条件
在面对多年冻土的问题上，我们可以采取让多
年冻土保持冻结的方式控制其融化速度。在路基使
用年限范围内，将融化速度、深度控制在允许变形范
围内。我们可以通过调控辐射、调控传导方式和调
控对流来解决热辐射、热对流和热传导等热量从大
气中向路基传播的问题。
2．2 沥青路面低温裂缝的防治
沥青路面低温裂缝的防治，要从路面材料，路面
结构以及混合料级配等方面进行改善，以提高沥青
路面的抗裂性能，保证其低温下的使用质量。1)从
路面材料着手。沥青作为沥青路面的结合材料，在
高原冻土地区，要尽量采用在低温下仍具有一定的
延展性和弹性，且与矿料间的粘结力较强的高标号
沥青，尽量采用改性沥青，沥青的抗老化能力也是一
项值得关注的指标。沥青在加热过程中必须控制加
热的时间和温度，防治高温老化。防治路面低温开
裂，沥青混合料中的矿质材料应选用碱性材料，(如
石灰岩等)因为碱性材料具有较强的吸附性和抗低
温裂缝能力，所以施工中尽量避免酸性材料。2)严
格掌握混合料的配合比。采用粗料式级配矿料可减
少沥青用量和沥青薄膜的厚度，从而有效提高路面
的低温抗裂性。
2．3 桥涵基础的冻害防治
土质、水分和温度是造成桥涵基础冻害的基本
因素，在选择防治桥涵基础冻害方案时，必须充分考
虑结构特点、水文地质条件等因素，做到因地制宜、
就地取材、节约投资、施工方便、效果可靠。
1)改变土的冻胀性
对桥涵埋置不深的明挖扩大基础，原则上要求
基地埋于冻结线以上不小于25 cm的非冻土中。当
条件所限不能达到以上要求时可采取换填土的方法
进行防治。同时可采取加固河床的办法防治河床冲
刷下切，从而达到基础防冻的目的。另外，在季节性
河流的河床中还可用各种保温材料，如冰雪、砂砾等
材料加盖在河床上，以达到减少冻深、防治冻害的目
的。实践表明：冬季在桥涵孔径范围内积一定深度
的水可以起到相当满意的防冻保温作用。据试验：
(下转第53页)
第4l卷 唐飞，等：小型机器在路面平整度控制工艺方面的探讨 第2期
痕迹。
3．9 磨光
混凝土终凝后，用5 In长铝合金尺按3 mm标准
进行检测，要求合格率达到90％以上，达不到时查找
原因，下次施工时重点防范。对检查出的凸起部位，
确定范围，作好记录及明显记号3 d后用磨光机磨
除。
3．10 刻槽
在混凝土终凝后进行刻槽，使用的刻槽机有两
种，一种是江苏靖江生产的KW40型刻纹机，一次课
文40 em宽，缝宽3．5 mm，缝间距2．1 em，每台每天刻
槽300 m 左右，另一种是山东枣庄生产的悬轨式多
用混凝土刻槽机，一次刻槽1．2 m宽，缝深5 mm，缝
间距1．8 cm，每台每天刻槽850 m ，这种刻槽机刻出
的纹直顺，一次到位，来回可施工，一次刻槽长度达
12 rn。这两种机器的操作都只需要两个人即可，一
人操作机器，一人在前沿事先划好线牵引机器。
4 施工中注意的事项
1)在施工整体安排时，将桥涵的桥面铺装、桥头
搭板与路面同时施工，减少桥涵和路面各自施工标
高衔接不上的可能性、消除桥头跳车的现象。
2)在进行填仓施工时，会有一些砂浆黏在两侧
已完成好的混凝土表面上，施工时设专人清除，消除
对平整度的影响。
3)气温高于30％时，不能施工。
4)施工时出现刮风现象，应用塑料薄膜将已人
仓的混凝土盖好，以防水分的散失，并立即停止拌
料。
5)拌制的混凝土水灰比要控制好，水少则施工
方便。
6)在膨胀处，缝两端分开施工时，后施工的一端
要特别注意衔接。
5 结束语
综上所述，在大型摊铺机受财力、技术等因素的
制约尚无法全面推广应用之前，采用小型机具修筑
水泥混凝土路面仍不失为近期水泥混凝土道路的主
要施工方法。工程实践表明，只要施工工艺正确，施
工人员严格控制施工过程中的每一关键工艺，水泥
混凝土路面的平整度是可以提高的。
参考文献
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20o1
[2】赵济海，王哲人，关朝雳．路面不平度的测量分析与应用．北京：北
京理工大学出版社，2000
[3】李继业，张玉稳，主编．公路工程施工质量问题与防治．北京：化学
工、 出版社，2006
(上接第50页)
一般冰冻深1 In，相当于普通砂砾土冻深1．6 m。
2)减少或消除冻结力
将桥涵基础的桩基与外界隔离起来：①用沥青
将涂敷在桥涵基础侧表面，减少基础表面和冻土的
冻结力；②运用套管的方法，将桩基与外界隔离，用
钢板制成的圆筒套在桩周围，在桩侧与套管的间隙
处注入黄油等隔温材料，套管底部焊接刚度大的底
脚，嵌固在暖土中，保护桩基。
2．4 涵墙及挡墙的防冻措施
如前所述，处在水文地质不良的地段的涵洞台
身及挡土墙经常被台背的水平冻胀力作用造成很大
的位移、倾覆甚至倒塌，实践中可通过减少墙台背填
土的冻胀性达到减小水平冻胀力的目的。1)加强排
泄水设施，尽力减少台背填土中的水含量。例如，挡
墙的泄水孔位置设置要合理有效，防治路面、路肩积
水渗入下挡墙背，上档墙上方设置截水沟、饮水槽，
不让水渗人墙背。2)精心选用墙背填料，用于墙台
背的填土要有良好的抗冻性，例如，粗砂、碎砾石等。
在季节性冻土地区的公路建设中，低温冻胀引
起的过大变形和过抗力往往是控制路面强度、厚度
和结构组合的关键因素；在桥涵等人工构造物的设
计施工中，冻胀力更应是不可忽视的关键因素。在
冻土地区施工，一定要考虑土结构与融化时的特点，
认真了解土的冻胀性，采取有效防治措施，减少和避
免冻胀的破坏作用。
参考文献
[1】胡世权，闫化浩．青藏铁路多年冻土区冻胀的危害与防治．中国农
村水利水电，2004(8)
【2】程爱君，叶阳升．多年冻土地区路基冻害分析及防治措施．铁道建
筑．2006(7)
[3】丁剑霆，李敬梓，陈脚，唐铭东．浅谈季冻区桥涵基础的冻害与防
治．交通科技与经济，2000(02)
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