寒冷地区公路工程冻融破坏的土木工程防治技术与实践

1、引言

寒冷地区冬季温度较低，降雪量较大，公路工程长时间处在冻融循环的环境下，结构内的水不断被重复冻结和消融，容易诱发路基失稳，路面开裂和桥涵结构断裂。冻融破坏在提高养护成本的同时，也会造成交通中断和危及行车安全。冻融破坏预防与控制技术的研究对于提高寒冷地区公路工程质量和延长使用寿命有一定的实际意义。土木工程防治技术从优化材料选择，完善结构设计和加强施工工艺入手，能够有效地抵抗冻融作用的影响，确保公路工程稳定性和耐久性。

2、寒冷地区公路工程冻融破坏的类型及成因

2.1 路基冻融破坏

路基的冻融破坏以冻胀，融沉为主。冻胀就是路基土内部水分结冰结成冰体并发生体积膨胀而引起路基表面凸起；当春天的气温逐渐上升，冰层开始融化，土壤的孔隙变得更大，其承载能力减弱，从而导致路基沉降。原因是路基土所含自由水过多，负温时冻结引起体积变化。细粒土如粉土和粉质黏土具有较强的保水性，在冻结过程中水分迁移聚集和冻胀特别显着。另外，路基压实度的不足将增大孔隙率，给水分的运移提供了空间并加重冻融破坏程度。

2.2 路面冻融破坏

常见的路面冻融破坏有龟裂，松散，坑槽和唧泥。面层材料经冻融循环作用后内部孔隙水冻结形成压力使材料结构发生裂缝；融化后水的入侵使材料强度下降，车辆荷载作用下会产生松散、坑槽等病害。基层在冻融作用下会出现不均匀沉降现象，造成面层的不均匀受力而加剧裂缝。如果路面排水不畅及雨水向基层及路基的渗透将进一步放大冻融破坏效应。沥青路面由于其低温脆性更容易发生冻融循环过程中低温开裂和水损害的叠加作用。

2.3 桥涵结构冻融破坏

桥涵结构冻融破坏主要发生于墩台，基础，桥面等部位。混凝土结构内部孔隙水发生冻结和膨胀会使结构表面脱落，裂缝发展以及钢筋裸露后发生锈蚀而使结构承载力下降。支座在冻融作用下会发生变形或者破坏，从而影响桥梁受力稳定性。涵洞进，出口处由于水流的冻结和冲刷，容易出现涵身破损和基础淘空等问题。产生的原因是混凝土密实度不够，抗冻性指标达不到标准，或者是防水措施无效造成水分不断入侵。

3、寒冷地区公路工程冻融破坏的土木工程防治技术

3.1 路基防治技术

路基防治以控制含水率，改良土性为中心。采用换填法，将路基表层易冻胀的细粒土换填为粗粒土（如碎石、砂砾），利用粗粒土透水性好、冻胀性小的特点，减少水分聚集。对于不可换填地段，应用灰土挤密桩及水泥土搅拌桩深层处理技术以增加地基承载力及抗冻性。设置隔水层（如油毡、塑料膜）和排水系统（如盲沟、渗沟），阻断地下水上升通道，及时排出路基内部积水。路基压实需要满足规范规定的压实度、减小孔隙率、减小水分渗透空间。

3.2 路面防治技术

路面设计需要选用抗冻性较好的材料。沥青路面使用改性沥青改善了低温抗裂性及水稳定性；基层选择半刚性材料如水泥稳定碎石和石灰粉煤灰稳定土，同时掺加早强剂和防冻剂以提高抗冻能力。在水泥混凝土路面中使用引气混凝土并引入微小气泡以减轻冻胀压力的同时严格控制水灰比以增加密实度。已经建立了一个全面的路面排水系统，这包括了路缘石的排水、中心隔离带的排水以及基层的排水，以防止雨水渗透到建筑的结构中。路面结构层的厚度需要与局部最大冻深相结合进行设计，以保证冻融作用范围小于基层的范围。

3.3 桥涵结构防治技术

桥涵混凝土需满足抗冻等级要求，采用高强度等级水泥，减少水泥用量，掺入矿物掺合料（如粉煤灰、硅灰）改善和易性与密实度。在混凝土浇筑时加强振捣以保证密实和避免蜂窝及麻面的产生。设置防水层（如涂防水涂料，铺防水卷材等），防止水分侵入结构内部。墩台基础为扩大或桩基础时，埋置深度应比局部最大冻深大，以免地基土受冻胀作用。对于支座，伸缩缝等易损坏的构件，应选择耐寒型的产品，定期清除积雪及冰块以防冻融受损。

3.4 排水系统优化技术

排水系统对于预防和控制冻融破坏具有重要意义。在路基的两侧布置边沟和截水沟引地表径流到路基范围以外；在填方路段设护坡道以免坡脚积水。地下排水利用渗井和渗沟来降低地下水位和路基土含水率。在道路边缘设排水基层及纵向集水沟以排出渗透在道路中的水。在桥涵进出口处布置防冻胀涵台和铺砌片石，以防水流结冰后冲刷结构。排水系统材料需要选择耐寒和抗腐蚀材料，例如 PVC 管和浆砌片石，以保证在冬季能够正常工作。

4、寒冷地区公路工程冻融防治技术的实践应用要点

4.1 勘察设计阶段

勘察阶段需详细调查项目区域的气象资料（例如，最大冻深，极端低温，降雪量等）、地质条件（比如土层的分布，地下水位的高低）和水文情况，为设计提供依据。在设计中需要以冻深为基础计算出路基最小埋深并选取适当的路面结构组合及材料抗冻指标。对于高填方和陡坡路段需要专门抗冻融设计并加设抗滑桩和挡土墙作为支挡结构以预防冻融诱发滑坡。桥涵基础设计中需要对冻胀力进行验算以保证结构的稳定。

4.2 材料选择与控制

施工中使用的材料需要达到抗冻性的要求。路基填料塑限和液限要求满足规范要求，尽量避免采用高冻胀性土；粗粒土级配要合理，以保证夯实后透水性良好。沥青混合料需要进行低温弯曲应变和其他指标的测试，混凝土需要确定抗冻等级和含气量。外加剂（如防冻剂、引气剂）的掺量需通过试验确定，避免对材料性能产生负面影响。物料入场前需经抽样检测，对不符合条件的物料一律不准使用。

4.3 施工工艺控制

在进行路基施工时，应尽量避免在雨季进行，实施分层压实，确保每一层的厚度不超出规定的标准，并且压实度必须达到或超过 96% 。冬季施工中需要将路基土含水率控制在最佳含水率的 ±̈ 以内，并根据需要通过翻晒或者洒水等方式进行调节。路面基层的施工需要保证混合料的均匀混合，适时碾压并在养生期保持潮湿以免被冻伤。沥青路面的摊铺温度需随气温的变化而调节，当温度在 10^∘ ° C 以下时需要保温；在水泥混凝土路面浇筑完成后，必须迅速进行保温覆盖，以确保其强度能够达到设计标准的 70% 或更高，这样才能保证其能够承受冻害。桥涵混凝土的浇筑要避开低温时段并采取加热骨料和热水拌和的方法确保入模的温度，在养护过程中加盖保温被或者通电加热。

4.4 养护与监测

在运行过程中需要制定定期监测制度对路基沉降，路面裂缝和桥涵结构破损进行检测，及时发现问题并进行处理。冬季应及时排除路面积雪、结冰现象，以免冰雪向路面结构渗透；春季融雪期增强排水，避免路基积水。对于发生冻融破坏地段进行局部修补和压浆加固；严重断裂的地段需要大修和替换损坏的结构层。需要对桥涵支座，伸缩缝进行定期的清洗与润滑，以防被冻住而破坏。

5、结论

总之，寒冷地区公路工程冻融损伤是诸多因素综合影响的产物，路基，路面和桥涵的损伤形式也不尽相同，需要有针对性地采取换填，材料改良和排水优化等土木工程防治技术。在实际工作中，勘察设计阶段准确调研，严格选材，施工工艺规范管控，运营期有效维护是确保防治效果的重点。综合运用多种技术措施可以显著增强公路工程抗冻融能力、延长使用寿命、减少养护成本。今后需要对新型抗冻材料以及智能化监测技术进行深入研究，从而为寒冷地区公路工程冻融防治工作提供更加有效的解决措施。

参考文献

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