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【摘 要】大兴安岭地区属多年冻土地区，如修建公路时，不考虑冻土这一特殊地质条件，不考虑当地的气候特征与地质特点，会给公路建设本身带来极大的困难。本文阐述了冻土对公路的潜在危害，并根据不同类型冻土的划分及性质，结合大兴安岭冻土防治经验，分别对多年冻土、岛状冻土提出了多种处理方案。
【关键词】冻土；公路；破坏；防治
一 冻土对公路的潜在危害
1.1冻土类型的划分
所谓冻土，是指温度等于或低于零摄氏度，且含有冰的各类土。根据其冻结时间和冻结状态可分多种类型，按冻结时间可分为季节性冻土和多年冻土。季节冻土是受季节的影响，呈周期性冻结、融化的土；多年冻土常存在地面以下一定深度，其上部（接近地表部分），往往受季节影响，冬冻夏融，这部分常称为季节融冻层（即活动层）。因此，多年冻土地区常出现季节冻结现象。冻土按水平分布又可分为连续多年冻土和岛状多年冻土，按冻结发展趋势则可分为发展型冻土和退化型冻土等。据调查林，大兴安岭地区除漠河县境内以外，全部为退化型冻土。
I类土为最好的地基土，可直接作为建筑物的地基；II类土为较良好的地基土，一般可直接作为建筑物的地基；III类土是一种过渡类型土，当作为建筑物地基时，基底融深不许超1M，该类土不但有较大的融化下沉量和压密变形量，而且还有较大的冻胀性，因此当这类土作为地基时，需采取专门措施，如深基、保温，以防止基底融化；IV类土做基底时原则上不允许发生融化，宜于采用保持冻土的原则，或采用桩基架空基础等；V类土做为基底时，不允许发生融化，且应考虑它的长期流变作用，故需进行专门处理，如砂垫层。
1.2冻土对公路的危害
冻土对公路的危害主要是冻土的融沉。如在冻土地段修筑路基时，破坏了冻土的保护层或路基填筑过薄行车后破坏了冻土环境都将引起冻土融沉现象的产生。
冻土沉陷问题是冻土地区公路建设的一大病害，自1953年中交第一公路勘察设计研究院就已投入了大量人力、物力对青藏公路冻土问题进行了研究，现已经有了一套成熟的经验。如“保护冻土，控制融化速率、综合治理”的路基设计原则基础上，提出“制冷阻热、减少辐射、增强对流、主动保护、综合治理、积极预防”这一新的路基设计原则，应对当今全球气温变暖对多年冻土区工程影响的挑战，于2002年启动的《多年冻土地区公路修筑成套技术研究》以于2007年初在北京通过交通部组织的鉴定验收。该项目在冻土工程基础理论、公路工程设计与施工技术等方面取得了大量成果，并在工程中得到大规模应用。
然而近年来，冻土退化已被诸多的研究结果所证实，冻土路基的稳定性面临气候变化影响下的冻土环境变化的极大威胁。气候转暖直接影响冻土工程环境，对于正在运营的建筑物，将增大冻害的破坏强度和数量，而对于拟建的建筑物，这种不稳定的寒区工程环境将增加建筑物设计原则的选取及冻土稳定性确定的难度，使寒区建筑物的工程建设面临着严峻的挑战。
二 冻土路段的辨别方法
一般冻土是通过钻探资料辨别的，在没有外业钻探资料的情况下，为了确定沿线冻土情况，可观察沿线的植被生长情况进行初步确定。植被位于大气圈和岩石圈之间，密切地参与两者的热量和水分的交换，影响着土的温度状态以及冻结、融化过程。多年冻土是气候和地质、地理条件相互作用的产物，各种自然景观，能反映出不同的地质、地理因素。现有资料表明，每个地段的每一种景观基本上能准确地反映出一定类型的多年冻土。植物是多年冻土区的一种景观，因此，能在一定程度上反映多年冻土类型及分布。但是由于多年冻土的成分和性质是有多种因素决定的，植物只是其中的一个因素，所以用植物指示多年冻土只能是相对的。即使是同一种植物，在不同地区可能指示出不同的多年冻土类型。所以在利用植物作为多年冻土的指示标准来掌握多年冻土类型和分布规律时，必须充分了解当地的自然条件，尤其是植物的生态条件和多年冻土特征，以及两者之间内在联系。在其他地区得到的植物与冻土的指示关系，决不能任意地在其他地区使用。在大兴安岭冻土区成长兴安松等木本植物，形成森林；在大兴安岭地区凡是有森林分布的地方往往有多年冻土，在无森林的地带，冻土常常分布在沼泽茂盛长塔头草的地方，而在兴安岭林区内凡水藓类植物盛长之处，多年冻土厚度大，地温亦较相邻地段低。多年冻土区土壤的低温条件，使植物根系所吸收的水分满足不了植物正常生长的需要，同时又减弱了植物的生化作用，妨碍了植物根系蛋白质的合成，导致根系生长缓慢、发育不良，使其长、宽和分枝的发育都不正常。在我国东北大、小兴安岭的兴安松，由于根系埋深浅，在疏稀的原始林区内，一遇风季往往有风倒木形成。在大兴安岭地区与多年冻土有密切关系的植物群落有：1、岭脊沼柳、苔草群落；2、岭脊丛桦、苔草甸状群落；3、岭脊丛桦、苔草藓类群落；4、岭脊沼柳、苔草藓类群落；5、缓坡小叶樟、苔草群落；6、缓坡小叶樟、藓类群落；7、缓坡水冬瓜、赤扬、苔草、沼柳群落；8、缓坡藓类、丛桦、落叶松群落；9、缓坡藓类、苔草、落叶松群落；10、缓坡藓类、杜香群落；11、阶地沼柳、草类群落；12、谷地柳、草类群落；13、谷地丛桦、草类群落；14、谷地苔草、甸林群落。
三 冻土路段的处理措施
3.1多年冻土路段的处理措施
多年冻土是经过长期地质及自然因素演变形成的，与周围环境是相适应的一旦破坏很难在控制住。即使青藏公路修建已经积累了很多成功的经验，但是全球气温在逐渐转暖，多年冻土已经转化为退化型冻土，除非施工时将冻土换填至若融沉层，其他保持冻结等的防治措施也只能在短期内起到作用，不能保证公路使用期内沉陷不发生。
在多年冻土地区进行路基设计时，按冻土具体条件，可分别采取保持冻结原则或容许融化原则，基本内容是：1、对饱冰冻土和含土冰地层，设计时应该遵循保持冻结原则；2、在富冰冻土地段，当含水量较大、且路的等级较高，设计时要遵循保持冻结原则；3、当含水量小，融化后不能发生过量沉陷时，设计一般按容许融化原则进行；4、在少冰冻土和多冰冻土地段，如允许破坏多年冻土时，路基设计与一般地区相同。 大兴安岭多年冻土上限不定，有的地段1米，有的地段破开草皮就是冻土上限，而一般要3米以下能达到弱融沉层，按照冻土不破坏原则，一旦冻土破坏就要换填至弱融沉层，这样不仅大大增加了工程造价也会使工程进度减慢。建议连续冻土段不破坏原貌，采用以下方法进行防治。
1.保护冻土。在进行公路设计时，通过采取适当的措施，如设置保温层、保温护道、铺筑浅色路面等措施保证公路的人为上限不低于天然上限。该原则主要用于低温多年冻土段，年平均地温为-1.5～—3.5℃，含冰量高，冻土人为上限较浅的路段。
2.控制融化速度。其路基高度按满足公路设计使用年限内路基变形量不大于允许变形量的设计方法进行设计。该原则主要用于地温较高，年平均地温-0.5～-1.5℃，含冰量低的路段。
3.加速融化。主要用于地温较高少冰冻土或富冰冻土且厚度较薄的地段。前一类，冻土融化的下沉量较小，当基底融深为3～5m时，即使下沉量大一些，一般不会危及路基稳定性。后一类可采取挖除预先融化富冰土层或用人工爆破、机械铲除富含冰层并换填干燥土层。
4.提高路基高度，降低垂直地温梯度。路基的高度应以降低垂直热流至接近热平衡为原则，使冻土上限埋深达到可能融化的最大深度，一般要根据实测资料，进行热学计算得到。（建议多少冰冻土地段填土高度1.5米以上，富冰冻土填土高度1.8米以上，饱冰冻土填土高度2.2米以上，含土冰层填土高度2.6米以上）
5.放缓边坡或加宽加高护坡道。护坡道的宽度不宜小于2～3m，在排水不畅的地段不宜小于5m。高度一般0.8～1.5m为宜（主要考虑到经济性）。如放缓边坡，则边坡坡度可取1：2.5～3.0。
由于冻土在逐年退化，保持冻结虽不能保证长期冻土路基稳定，但对连续冻土段来说，冻土退化是连续性的，只要冻土不被破坏，填土高度差别不大，冻土退化后将产生均匀沉陷，并且沉陷量不会很大，即对行车舒适性和安全性不会产生大的影响。
3.2岛状冻土路段的处理措施
岛状冻土是不连续的，冻土段大小也是不规则的，如果按保持冻结原则进行施工，冻土段与正常路段将产生不均匀沉陷，不能保证路基的长期稳定，将会产生跳车现象。根据工程造价，综合考虑，建议如下防治措施：
1.岛状冻土冻土段延公路方向100米以内，采用换填碎石土等不融沉类土（或弱融沉类土）至弱融沉层。
2.岛状冻土冻土段延公路方向超过100米，可采用连续冻土沉陷防治方案，并在岛状冻土段边缘与正常路段衔接处20米范围内采取路基土稳定、加铺钢筋网、铺设土工隔栅等加固措施，防止不均匀沉陷的产生。
3.冻土沉陷路段设置水泥混凝土预制块或沥青混凝土等过渡路面
由于大兴安岭地区公路沉陷路段多为冻土路段，而要彻底根治冻土路段沉陷，就要将沉陷路段做下处理至若融沉层，这样就大大增加了工程造价，如果是连续冻土路段还会影响相邻路段的冻土退化。为了节约工程造价及保持相邻路段稳定，冻土沉陷路段可设置混凝土预制块或沥青混凝土过渡路面，当冻土继续融化下沉以致影响行车舒适性时，可将混凝土预制块移出，用砂砾垫层找平后重新安置混凝土预制块，或在沥青混凝土过渡段上继续铺筑沥青混凝土找平。此项工作将反复进行，待该段路面不再产生沉陷现象时，在采用原路面结构重新修筑该段路面。
四 冻土地区公路的其它病害及防治措施
4.1翻浆
在高寒冻土地区，由于在土壤冻结过程中汇聚了过多的水分，且土质状态不好，到春暖化冻时水分不能及时排出，从而造成土基软弱，强度降低。在车辆荷载的作用下，路面发生弹簧、裂纹、鼓包、车辙、唧泥等现象，称为翻浆。
4.2冻胀
高寒不良土质中所含的水分在负温下结晶，生成各种形状的冰侵人体而导致土体积的增大。其主要表现是土层表面不均匀的升高。冻胀土与结构物基础之间主要产生冻结力和冻胀力（分为切向冻胀力、法向冻胀力、冻胀反力）。
冻胀本身不仅引起道路破坏，还可引起桥梁、涵洞基础的冻害，特别对早期所修建的尤为突出。主要表现为桥梁墩、往基础冻胀隆起，融化下沉，台身在切向冻胀力和法向冻胀力共同作用下出现裂缝，甚至墩（台）基础整体上抬或倾斜。涵洞冻害主要表现为洞身的冻胀隆起和融化下沉，端墙及八字翼墙圬工开裂及涵洞管节的错位和脱离。
4.3防治措施
翻浆、冻胀的防治措施主要有以下几方面：
1）路基施工前详细调查公路沿线的病害并对公路全线测弯沉，必要时进行钻探；
2）结合病害调查情况、弯沉数据及钻探情况制定处理方案；
3）主要处理措施为清除换填，填料采用良好的不冻胀土。
五 结束语
大兴安岭为多年冻土地区，穿越多年冻土区的路段也占有相当比例，若不考虑多年冻土这一特殊地质条件，不考虑当地的气候特征与地质特点，不仅会给公路建设本身带来极大的困难，也将使建成的公路产生严重破坏，同时给国家造成巨大经济损失和不良的社会影响。所以对公路冻土路段的详细分析，并制定切实可行的防治措施是非常必要的。
参考文献：
1 《多年冻土区水文地质及工程地质学》 黑龙江.东北林业大学出版社
【关键词】冻土；公路；破坏；防治
一 冻土对公路的潜在危害
1.1冻土类型的划分
所谓冻土，是指温度等于或低于零摄氏度，且含有冰的各类土。根据其冻结时间和冻结状态可分多种类型，按冻结时间可分为季节性冻土和多年冻土。季节冻土是受季节的影响，呈周期性冻结、融化的土；多年冻土常存在地面以下一定深度，其上部（接近地表部分），往往受季节影响，冬冻夏融，这部分常称为季节融冻层（即活动层）。因此，多年冻土地区常出现季节冻结现象。冻土按水平分布又可分为连续多年冻土和岛状多年冻土，按冻结发展趋势则可分为发展型冻土和退化型冻土等。据调查林，大兴安岭地区除漠河县境内以外，全部为退化型冻土。
I类土为最好的地基土，可直接作为建筑物的地基；II类土为较良好的地基土，一般可直接作为建筑物的地基；III类土是一种过渡类型土，当作为建筑物地基时，基底融深不许超1M，该类土不但有较大的融化下沉量和压密变形量，而且还有较大的冻胀性，因此当这类土作为地基时，需采取专门措施，如深基、保温，以防止基底融化；IV类土做基底时原则上不允许发生融化，宜于采用保持冻土的原则，或采用桩基架空基础等；V类土做为基底时，不允许发生融化，且应考虑它的长期流变作用，故需进行专门处理，如砂垫层。
1.2冻土对公路的危害
冻土对公路的危害主要是冻土的融沉。如在冻土地段修筑路基时，破坏了冻土的保护层或路基填筑过薄行车后破坏了冻土环境都将引起冻土融沉现象的产生。
冻土沉陷问题是冻土地区公路建设的一大病害，自1953年中交第一公路勘察设计研究院就已投入了大量人力、物力对青藏公路冻土问题进行了研究，现已经有了一套成熟的经验。如“保护冻土，控制融化速率、综合治理”的路基设计原则基础上，提出“制冷阻热、减少辐射、增强对流、主动保护、综合治理、积极预防”这一新的路基设计原则，应对当今全球气温变暖对多年冻土区工程影响的挑战，于2002年启动的《多年冻土地区公路修筑成套技术研究》以于2007年初在北京通过交通部组织的鉴定验收。该项目在冻土工程基础理论、公路工程设计与施工技术等方面取得了大量成果，并在工程中得到大规模应用。
然而近年来，冻土退化已被诸多的研究结果所证实，冻土路基的稳定性面临气候变化影响下的冻土环境变化的极大威胁。气候转暖直接影响冻土工程环境，对于正在运营的建筑物，将增大冻害的破坏强度和数量，而对于拟建的建筑物，这种不稳定的寒区工程环境将增加建筑物设计原则的选取及冻土稳定性确定的难度，使寒区建筑物的工程建设面临着严峻的挑战。
二 冻土路段的辨别方法
一般冻土是通过钻探资料辨别的，在没有外业钻探资料的情况下，为了确定沿线冻土情况，可观察沿线的植被生长情况进行初步确定。植被位于大气圈和岩石圈之间，密切地参与两者的热量和水分的交换，影响着土的温度状态以及冻结、融化过程。多年冻土是气候和地质、地理条件相互作用的产物，各种自然景观，能反映出不同的地质、地理因素。现有资料表明，每个地段的每一种景观基本上能准确地反映出一定类型的多年冻土。植物是多年冻土区的一种景观，因此，能在一定程度上反映多年冻土类型及分布。但是由于多年冻土的成分和性质是有多种因素决定的，植物只是其中的一个因素，所以用植物指示多年冻土只能是相对的。即使是同一种植物，在不同地区可能指示出不同的多年冻土类型。所以在利用植物作为多年冻土的指示标准来掌握多年冻土类型和分布规律时，必须充分了解当地的自然条件，尤其是植物的生态条件和多年冻土特征，以及两者之间内在联系。在其他地区得到的植物与冻土的指示关系，决不能任意地在其他地区使用。在大兴安岭冻土区成长兴安松等木本植物，形成森林；在大兴安岭地区凡是有森林分布的地方往往有多年冻土，在无森林的地带，冻土常常分布在沼泽茂盛长塔头草的地方，而在兴安岭林区内凡水藓类植物盛长之处，多年冻土厚度大，地温亦较相邻地段低。多年冻土区土壤的低温条件，使植物根系所吸收的水分满足不了植物正常生长的需要，同时又减弱了植物的生化作用，妨碍了植物根系蛋白质的合成，导致根系生长缓慢、发育不良，使其长、宽和分枝的发育都不正常。在我国东北大、小兴安岭的兴安松，由于根系埋深浅，在疏稀的原始林区内，一遇风季往往有风倒木形成。在大兴安岭地区与多年冻土有密切关系的植物群落有：1、岭脊沼柳、苔草群落；2、岭脊丛桦、苔草甸状群落；3、岭脊丛桦、苔草藓类群落；4、岭脊沼柳、苔草藓类群落；5、缓坡小叶樟、苔草群落；6、缓坡小叶樟、藓类群落；7、缓坡水冬瓜、赤扬、苔草、沼柳群落；8、缓坡藓类、丛桦、落叶松群落；9、缓坡藓类、苔草、落叶松群落；10、缓坡藓类、杜香群落；11、阶地沼柳、草类群落；12、谷地柳、草类群落；13、谷地丛桦、草类群落；14、谷地苔草、甸林群落。
三 冻土路段的处理措施
3.1多年冻土路段的处理措施
多年冻土是经过长期地质及自然因素演变形成的，与周围环境是相适应的一旦破坏很难在控制住。即使青藏公路修建已经积累了很多成功的经验，但是全球气温在逐渐转暖，多年冻土已经转化为退化型冻土，除非施工时将冻土换填至若融沉层，其他保持冻结等的防治措施也只能在短期内起到作用，不能保证公路使用期内沉陷不发生。
在多年冻土地区进行路基设计时，按冻土具体条件，可分别采取保持冻结原则或容许融化原则，基本内容是：1、对饱冰冻土和含土冰地层，设计时应该遵循保持冻结原则；2、在富冰冻土地段，当含水量较大、且路的等级较高，设计时要遵循保持冻结原则；3、当含水量小，融化后不能发生过量沉陷时，设计一般按容许融化原则进行；4、在少冰冻土和多冰冻土地段，如允许破坏多年冻土时，路基设计与一般地区相同。 大兴安岭多年冻土上限不定，有的地段1米，有的地段破开草皮就是冻土上限，而一般要3米以下能达到弱融沉层，按照冻土不破坏原则，一旦冻土破坏就要换填至弱融沉层，这样不仅大大增加了工程造价也会使工程进度减慢。建议连续冻土段不破坏原貌，采用以下方法进行防治。
1.保护冻土。在进行公路设计时，通过采取适当的措施，如设置保温层、保温护道、铺筑浅色路面等措施保证公路的人为上限不低于天然上限。该原则主要用于低温多年冻土段，年平均地温为-1.5～—3.5℃，含冰量高，冻土人为上限较浅的路段。
2.控制融化速度。其路基高度按满足公路设计使用年限内路基变形量不大于允许变形量的设计方法进行设计。该原则主要用于地温较高，年平均地温-0.5～-1.5℃，含冰量低的路段。
3.加速融化。主要用于地温较高少冰冻土或富冰冻土且厚度较薄的地段。前一类，冻土融化的下沉量较小，当基底融深为3～5m时，即使下沉量大一些，一般不会危及路基稳定性。后一类可采取挖除预先融化富冰土层或用人工爆破、机械铲除富含冰层并换填干燥土层。
4.提高路基高度，降低垂直地温梯度。路基的高度应以降低垂直热流至接近热平衡为原则，使冻土上限埋深达到可能融化的最大深度，一般要根据实测资料，进行热学计算得到。（建议多少冰冻土地段填土高度1.5米以上，富冰冻土填土高度1.8米以上，饱冰冻土填土高度2.2米以上，含土冰层填土高度2.6米以上）
5.放缓边坡或加宽加高护坡道。护坡道的宽度不宜小于2～3m，在排水不畅的地段不宜小于5m。高度一般0.8～1.5m为宜（主要考虑到经济性）。如放缓边坡，则边坡坡度可取1：2.5～3.0。
由于冻土在逐年退化，保持冻结虽不能保证长期冻土路基稳定，但对连续冻土段来说，冻土退化是连续性的，只要冻土不被破坏，填土高度差别不大，冻土退化后将产生均匀沉陷，并且沉陷量不会很大，即对行车舒适性和安全性不会产生大的影响。
3.2岛状冻土路段的处理措施
岛状冻土是不连续的，冻土段大小也是不规则的，如果按保持冻结原则进行施工，冻土段与正常路段将产生不均匀沉陷，不能保证路基的长期稳定，将会产生跳车现象。根据工程造价，综合考虑，建议如下防治措施：
1.岛状冻土冻土段延公路方向100米以内，采用换填碎石土等不融沉类土（或弱融沉类土）至弱融沉层。
2.岛状冻土冻土段延公路方向超过100米，可采用连续冻土沉陷防治方案，并在岛状冻土段边缘与正常路段衔接处20米范围内采取路基土稳定、加铺钢筋网、铺设土工隔栅等加固措施，防止不均匀沉陷的产生。
3.冻土沉陷路段设置水泥混凝土预制块或沥青混凝土等过渡路面
由于大兴安岭地区公路沉陷路段多为冻土路段，而要彻底根治冻土路段沉陷，就要将沉陷路段做下处理至若融沉层，这样就大大增加了工程造价，如果是连续冻土路段还会影响相邻路段的冻土退化。为了节约工程造价及保持相邻路段稳定，冻土沉陷路段可设置混凝土预制块或沥青混凝土过渡路面，当冻土继续融化下沉以致影响行车舒适性时，可将混凝土预制块移出，用砂砾垫层找平后重新安置混凝土预制块，或在沥青混凝土过渡段上继续铺筑沥青混凝土找平。此项工作将反复进行，待该段路面不再产生沉陷现象时，在采用原路面结构重新修筑该段路面。
四 冻土地区公路的其它病害及防治措施
4.1翻浆
在高寒冻土地区，由于在土壤冻结过程中汇聚了过多的水分，且土质状态不好，到春暖化冻时水分不能及时排出，从而造成土基软弱，强度降低。在车辆荷载的作用下，路面发生弹簧、裂纹、鼓包、车辙、唧泥等现象，称为翻浆。
4.2冻胀
高寒不良土质中所含的水分在负温下结晶，生成各种形状的冰侵人体而导致土体积的增大。其主要表现是土层表面不均匀的升高。冻胀土与结构物基础之间主要产生冻结力和冻胀力（分为切向冻胀力、法向冻胀力、冻胀反力）。
冻胀本身不仅引起道路破坏，还可引起桥梁、涵洞基础的冻害，特别对早期所修建的尤为突出。主要表现为桥梁墩、往基础冻胀隆起，融化下沉，台身在切向冻胀力和法向冻胀力共同作用下出现裂缝，甚至墩（台）基础整体上抬或倾斜。涵洞冻害主要表现为洞身的冻胀隆起和融化下沉，端墙及八字翼墙圬工开裂及涵洞管节的错位和脱离。
4.3防治措施
翻浆、冻胀的防治措施主要有以下几方面：
1）路基施工前详细调查公路沿线的病害并对公路全线测弯沉，必要时进行钻探；
2）结合病害调查情况、弯沉数据及钻探情况制定处理方案；
3）主要处理措施为清除换填，填料采用良好的不冻胀土。
五 结束语
大兴安岭为多年冻土地区，穿越多年冻土区的路段也占有相当比例，若不考虑多年冻土这一特殊地质条件，不考虑当地的气候特征与地质特点，不仅会给公路建设本身带来极大的困难，也将使建成的公路产生严重破坏，同时给国家造成巨大经济损失和不良的社会影响。所以对公路冻土路段的详细分析，并制定切实可行的防治措施是非常必要的。
参考文献：
1 《多年冻土区水文地质及工程地质学》 黑龙江.东北林业大学出版社