冻土地区公路桥梁基础冻胀破坏机理与防治措施

一、引言

在我国东北、西北及青藏高原等冻土分布区，公路桥梁工程面临严峻的冻胀破坏风险。据统计，青藏高原多年冻土区约 40% 的桥梁基础存在不同程度的冻胀开裂问题（吴紫汪 ， 2005），而东北季节性冻土区桥梁桩基的冻胀位移年均可达 10-30mm （丁靖康 ， 2018）。这种破坏不仅导致桥面铺装开裂、支座失效，甚至可能引发桥梁结构整体失稳。现有研究表明，冻土冻胀是水分迁移、温度场变化与土颗粒相互作用的复杂过程，其机理尚未完全明晰（赖远明 ， 2013）。近年来，随着寒区交通建设的推进，学者们针对冻土冻胀特性开展了大量研究，如张鲁新（2019）对青藏铁路桥梁基础冻胀的监测分析，以及马巍（2020）对冻土冻胀力计算方法的改进，但针对公路桥梁基础的专项研究仍显不足。本文结合现有成果，聚焦冻土地区公路桥梁基础的冻胀破坏问题，从机理分析到防治措施进行系统探讨。

二、冻土地区公路桥梁基础冻胀破坏的机理分析

（一）冻土冻胀的基本原理

1. 冻胀的物理化学过程

当温度降至 0% 以下时，冻土中的自由水首先结冰，形成冰晶透镜体，而未冻结水中的溶质浓度升高，产生渗透压力，促使周边水分向冻结区迁移（徐学祖 ， 2013）。马巍（2020）通过室内冻胀试验发现，当土颗粒粒径小于 0.075mm 的含量超过 30% 时，水分迁移速率显著增加，冻胀量可达粗粒土的5-10 倍。

2. 冻胀力的形成与分类

冻胀力按作用方向可分为切向冻胀力（沿基础侧壁向上）、法向冻胀力（垂直于基础底面）和水平冻胀力（作用于基础侧面）。张鲁新（2019）在青藏公路桥梁监测中发现，切向冻胀力是导致桩基上拔的主要因素，其峰值可达200-400kPa，超过桩基摩阻力时即引发基础位移。

（二）冻胀破坏的影响因素

1. 地质与土性因素

· 土颗粒组成：粉土、粉质黏土等细粒土的冻胀敏感性最强，其比表面积大，吸附水分能力强（丁靖康， 2018）。

· 含水率：当含水率超过塑限的1.5 倍时，冻胀量随含水率增加呈线性增长（吴紫汪， 2005）。

· 地下水位：水位距基础底面小于 3m 时，冻胀风险显著升高，因毛细水补给充足（赖远明， 2013）。

2. 气候与温度因素

· 降温速率：快速降温（ ≥ 5℃ /d）会抑制水分迁移，冻胀量较小；缓慢降温（ ⩽1%/c ）则促使水分充分迁移，加剧冻胀（徐学祖 ， 2013）。

· 负温持续时间：季节性冻土区的冻胀量与负温累积时长呈正相关，如东北寒区年均冻胀量比华北地区高 30%-50% （丁靖康 ， 2018）。

3. 基础结构与施工因素

· 基础埋深：当基础埋深小于冻土层厚度时，基底以下冻土的冻胀会产生法向力；埋深超过冻深时，主要受切向冻胀力作用（张鲁新， 2019）。

· 施工质量：桩基成孔时若孔壁坍塌，导致桩周土密实度不均，易引发局部冻胀差异（马巍， 2020）。

（三）冻胀破坏的典型模式

1. 桩基上拔与倾斜

在切向冻胀力作用下，桩基产生向上位移，当位移量超过 5mm 时，桥面铺装开始出现裂缝；若各桩基冻胀量不均，会导致桥梁墩台倾斜，影响结构受力状态（吴紫汪 ， 2005）。青藏高原某公路桥梁监测显示，桩基年均上拔量达 18mm ，3 年后墩台倾斜度超过 1/1000，被迫进行加固（张鲁新 ， 2019）。

2. 基础底板隆起与开裂

季节性冻土区的浅埋基础（如扩大基础），在法向冻胀力作用下，底板会向上隆起，当拉应力超过混凝土抗拉强度（ ⩾2.5MPa ）时即产生裂缝（赖远明 ， 2013）。东北某公路桥扩大基础的检测表明，底板裂缝宽度可达0.3mm，导致钢筋锈蚀。

3. 桩 - 土界面脱空与承载力退化

冻胀过程中，桩周土体冻结膨胀会挤压桩基，而融化时土体沉降与桩基脱离，形成脱空区，使桩基摩阻力降低 30%-50% （徐学祖 ， 2013）。多次冻融循环后，桩基承载力可能下降至设计值的 60% 以下（丁靖康 ，2018）。

三、冻土地区公路桥梁基础冻胀破坏的防治措施

（一）地基处理技术

1. 换填抗冻胀材料

将基础周围冻胀性土换填为碎石、砂砾等粗粒土（粒径 >2mm 的颗粒含量 ⩾70% ），可降低水分迁移能力。吴紫汪（2005）在青藏公路试验段中发现，换填厚度 2m 的碎石层后，基础冻胀量减少 60%-80% 。换填时应设置反滤层，防止细粒土渗入。

2. 地基土改良处理

采用水泥、石灰等固化剂改良地基土，提高土体密实度与抗冻性。马巍（2020）的试验表明，掺入 5% 水泥的粉质黏土，其冻胀率从 8% 降至 3% 以下。对于粉土，可采用强夯法（夯击能 ）提高土体密实度，降低孔隙率至 25% 以下。

（二）基础结构优化设计

1. 桩基埋深与构造优化

· 埋深控制：多年冻土区桩基埋深应超过天然上限 2-3m ，季节性冻土区埋深需大于标准冻深（张鲁新， 2019）。例如，东北寒区标准冻深 2.5m ，桩基埋深宜 ⩾3.5m. 。

· 桩身构造：采用变直径桩（上部直径大、下部直径小），增大上部摩阻力抵抗切向冻胀力；桩身设置环形凸台（间距 1-2m ），增加冻胀力的抵抗面积（丁靖康， 2018）。

2. 基础形式优选

· 桩基础 vs 扩大基础：冻土区优先采用桩基础，因其可通过深埋减少冻胀影响；扩大基础仅适用于冻胀性弱的地基（徐学祖， 2013）。

· 钻孔灌注桩 vs 预制桩：钻孔灌注桩与周围土体结合更紧密，冻胀力分布更均匀，优于预制桩（赖远明， 2013）。

（三）温度调控技术

1. 主动温控措施

· 热棒技术：在桩基周围埋设热棒（直径 89-108mm ，长度 10-15m ），利用氨的气液相变将地基热量导出，维持地基土冻结状态。张鲁新（2019）在青藏铁路应用中发现，热棒可使桩基周围地温降低 2-3C ，有效抑制冻胀。

· 电伴热系统：在基础周边铺设电伴热带（功率 20-30W/m ），冬季通电加热地基土，控制冻结深度。该技术适用于小型桥梁或局部冻胀严重区域（马巍 ， 2020）。

2. 被动温控措施

· 保温层设置：在基础外侧铺设聚苯乙烯泡沫板（厚度 10-15cm ），其导热系数 ⩽0.03W/（m⋅K） ，可使地基土冻结深度减少 40%-50% （吴紫汪，2005）。

· 通风管技术：在路基下方埋设直径 30-50cm 的通风管，利用自然风降低地基温度，适用于季节性冻土区（徐学祖， 2013）。

四、结论与展望

冻土地区公路桥梁基础的冻胀破坏是土 - 水 - 热多因素耦合作用的结果，其机理涉及水分迁移、冻胀力形成与基础 - 土体相互作用。本文通过理论分析与案例研究，明确了冻胀影响因素与破坏模式，并提出从地基处理、结构优化到温度调控的综合防治体系。研究表明，换填抗冻材料、热棒温控与桩基构造优化是目前最有效的防治手段。未来，可进一步探索以下方向：（1）新型智能温控材料（如相变材料）的应用；（2）基于大数据的冻胀预测模型；（3）生态友好型防治技术（如太阳能热棒）的研发，以实现冻土地区桥梁工程的可持续发展。

参考文献

[1] 吴紫汪 . 冻土工程地质 [M]. 北京 ： 科学出版社 ， 2005.

[2] 丁靖康 . 季节性冻土区桥梁桩基冻胀机理与防治技术研究 [J]. 公路交通科技 ， 2018， 35（06）： 89-95.

[3] 赖远明 . 寒区工程理论与技术 [M]. 北京： 高等教育出版社 ， 2013.

[4] 徐学祖 ， 王家澄 ， 张立新 . 冻土物理学 [M]. 北京 ： 科学出版社 ，2013.