多年冻土地区公路病害防治技术指南高原冻土.docx

震后交通基础设施重建技术系列指南之八

多年冻土地区公路病害防治技术指南

目 录

1 总则 1
2 术语、符号 1
2.1 术语 1
2.2 符号 3
3 冻土和冻土工程中的基本规定 4
4 公路沿线多年冻土勘查 5
4.1 公路沿线多年冻土勘察的基本要求 5
4.2 公路沿线冻土工程地质调查 6
4.3 公路沿线冻土工程地质勘探 9
4.4 冻土温度的确定 11
4.5 冻土物理和力学参数的测试 11
5 多年冻土地区公路病害 11
5.1 多年冻土地区公路病害类型和特征 12
5.2 多年冻土区公路病害分级 14
5.3 多年冻土区公路病害调查 17
5.4 多年冻土地区公路病害机理 19
6 多年冻土地区公路病害防治概述 24
6.1 多年冻土地区公路病害防治的目的和原则 24
6.2 防治的内容 25
6.3 防治的方法 25
6.4 防治的五个阶段 26
6.5 多年冻土区公路病害防治的标准 26
7 多年冻土地区公路路基设计 27
7.1 冻土路基设计的一般规定 27
7.2 少冰、多冰冻土地段的路基 29
7.3 高含冰量冻土地段路基 29
7.4 冰锥、冻胀丘地段路基 31
7.5 热融滑塌地段路基 32
7.6 热融湖（塘）地段路基 32
7.7 冻土沼泽（沼泽化湿地）地段路基 33
7.8 支挡建筑物 33
7.9 路基排水 34
7.10 取土场、弃土堆 35
8 多年冻土地区公路路基施工 36
9 多年冻土地区公路病害防治措施 38
9.1 预防措施一——保温路基 38
9.2 预防措施二——通风管路基 40
9.3 预防措施三——低架旱桥 42
9.4 治理措施一——遮阳板护坡 43
9.5 治理措施二——碎石护坡 45
9.6 病害治理措施的养护 47

1 总则
1.0.1 本指南主要根据青藏公路、214国道等研究较为深入的多年冻土区公路的观测资料分析总结并结合仿真分析研究而编制，对于其它多年冻土区公路的适用性还需要考虑当地气候、冻土环境的特殊性。
1.0.2 本指南主要内容为多年冻土区路基工程方面的病害。
1.0.3 本指南涉及多年冻土区公路路基设计一般原则、公路沿线多年冻土勘察、多年冻土区公路路基主要病害类型、病害形成机理、多年冻土区冻土工程地质条件稳定性评价、多年冻土区公路路基病害防治对策等方面的内容。
2 术语、符号
2.1 术语
2.1.1 多年冻土
冻结状态持续二年或二年以上的土（岩）。冻结状态下的多年冻土强度较高，但是由于其内部常常含有冰，冻土融化后往往发生融沉和融化压缩变形，强度大大降低，继而危害上部工程建筑物的稳定性。
2.1.2 融区
指多年冻土区内由于热力作用形成的非多年冻土地段。
2.1.3 地温年较差
某一深度处地温在一年中最高与最低温度的差值（一般按一年中最热月与最冷月的月平均温度计算）。
2.1.4 年平均地温
指年温度较差为零深度处的地温。年零较差的深度称为地温年变化深度。
2.1.5 季节冻结层
每年寒季冻结、暖季融化，其年平均低温高于0℃的地表层，其下卧层为非冻结层或不衔接多年冻土层。
2.1.6 季节融化层
每年寒季冻结、暖季融化，其年平均低温低于0℃的地表层，其下卧层为多年冻土层。
2.1.7 多年冻土天然上限
天然条件下，多年冻土层顶面的埋藏深度。
2.1.8 多年冻土人为上限
人为条件影响下，多年冻土层顶面的埋藏深度。对多年冻土地区的公路工程而言，路基下人为上限等于路面到路基下多年冻土层顶面的距离。
2.1.9 多年冻土下限
指多年冻土层下界面的埋藏深度。
2.1.10 衔接多年冻土
直接位于季节融化层之下的多年冻土。
2.1.11 不衔接多年冻土
季节冻结层的冻结深度浅于天然上限的多年冻土。
2.1.12 融沉系数
冻土在融化过程中，在自重作用下产生的下沉量与融化前相应厚度之比值。
2.1.13 融化压缩系数
指冻土在融化后，在单位荷载作用下产生的相对压缩变形量。
2.1.14 冻胀率
指单位冻结深度的冻胀量，即在某一冻结深度范围内的冻胀量与响应的冻结深度之比值。
2.1.15 冰椎
多年冻土地区地下水在寒季流出地表冻结所形成的冰体。河流中形成的冰椎也叫冰幔。
2.1.16 冻土沼泽
在多年冻土地区，由于地表水、地下水的影响，地面长期潮湿，生长喜湿和喜水植物，并有泥炭堆积的山前斜坡或山间洼地。
2.1.17 冻胀丘
由土的差异冻胀作用所形成的丘状地形。
2.1.18 热状（热管桩）
内部采用对流原理制作的汽－液两相或者单相液体工作的管状换热装置。
2.1.19 融化盘
在工程作用下，多年冻结地基土的一部分发生融化，形如盘、盆状，故称融化盘。
2.1.20 冻土核
指在天然地面上的工程填土内，残留或发育形成的冻土体。
2.1.21 不良冻土现象
又称不良冷生现象，指土体的冻结和融化作用产生的对工程有不利影响的新形成物及中小型地形，如冰椎、冻胀丘、融冻泥流、热融滑坍和热融湖塘等现象。
2.2 符号
2.2.1 冻土物理力学性质指标
1 ——冻土总含水率（%）；
2 ——冻土相对含冰率（%）；
3 ——冻土体积含冰率（%）；
4 ——冻土天然密度（Kg/m3）；
5 ——冻土骨架密度（Kg/m3）；
6 ——冻土干密度（Kg/m3）；
7 ——冻土塑性指数；
8 ——冻土孔隙比；
9 ——冻土融化下沉系数（%）；
10 ——冻土层的平均冻胀率（%）；
11 ——冻土未冻含水率（%）；
12 ——土的液性指数。
2.2.2 冻土热学性质指标
1 、——冻土、未冻土导热系数（W/m·K）；
2 、——冻土、未冻土体积热容量（J/m3·K）；
3 ——冻、融土的相变潜热（J）。
2.2.3 冻土季节冻结、融化层数
1 ——多年冻土天然上限（m）；
2 ——多年冻土人为上限（m）；
3 ——年平均地温（℃）；
3 冻土和冻土工程中的基本规定
3.0.1 多年冻土具有融化下沉性，根据土的融化下沉系数的大小，可以划分为不融沉、弱融沉、融沉、强融沉和融陷五级（参见附录A）。
3.0.2 多年冻土按含冰类型可分为少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层等五类。其中富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层又统称为高含冰量冻土。各种含冰类型冻土的判别依据参见附录B。
3.0.3 高原多年冻土的低温分区，按多年冻土年平均气温Tep，可分为以下四类：
1 多年冻土年平均低温-0.5℃时，属高温极不稳定冻土区。
2 多年冻土年平均低温-1.5℃ <-0.5℃时，属高温不稳定冻土区；
3 多年冻土年平均低温-3.0℃ <-1.5℃时，属低温基本稳定冻土区；
4 多年冻土年平均低温<-3.0℃时，属低温稳定冻土区。
3.0.4 多年冻土区各类工程地基设计应根据冻土的低温分区和工程地质分类进行，并遵循以下设计原则：
1 保护多年冻土的设计原则；
2 延缓多年冻土融化速度的设计原则；
3 破坏多年冻土的设计原则。
3.0.5 在高含冰量的低温稳定区和低温基本稳定区应采用保护多年冻土的设计原则。
3.0.6 高温不稳定区应根据其使用条件和工程地质条件，经技术经济比选后，确定采用保护多年冻土的设计原则或延缓多年冻土融化速度的设计原则。
3.0.7 高温极不稳定区应根据其使用条件和工程地质条件，经技术经济比选后，确定采用延缓多年冻土融化速度或破坏多年冻土的设计原则，或者采用消弱浅层冻土（譬如，低架旱桥等）影响的原则。
3.0.8 按破坏多年冻土的设计原则，采取预先融化状态设计时，可按季节冻土进行地基设计。
4 公路沿线多年冻土勘查
对公路沿线多年冻土的了解程度对于待建公路的设计、施工以及已有公路的病害治理具有重要意义。
众所周知，多年冻土最大的特点就是长期处于负温且含有冰，属极不稳定的复杂多相体系，其工程性质随温度、应力和水分变化而变化。对于公路沿线多年冻土特征和分布的详细了解，一方面可以使得设计工作更加合理，另一方面可以促进公路的科学施工，同时也有利于认识已有公路病害的形成原因，提出更加有针对性的治理方案和措施。
4.1 公路沿线多年冻土勘察的基本要求
公路沿线多年冻土勘察就是要为公路的设计、施工、病害治理提供完整、详细的冻土工程地质资料，为达到这一目的，公路沿线的多年冻土勘察应满足下列要求：
1 查明表层至少8m以内的冻结与非冻结松散土层的分布，或者基岩面的埋深；
2 查明表层至少8m以内的冻土特征和分布，确定冻土上限与冻土年平均地温，了解多年冻土的厚度；
3 实验测定冻土的各项物理参数（包括总含水量、含冰量、容重等）；
4 查明公路沿线的不良冻土工程地质现象，即冻胀丘、热融滑塌、热融湖沼、浅埋的厚层地下冰，富含冰的沼泽湿地等的分布特征和形成规律；
5 调查地下水的分布与埋藏条件、着重查明冻土层上水以液相水存在的时间、最大的寒水层厚度，冻土层下水的排泄出露带、涌水量，水温及变化动态；
6 查明地表水的分布与变化规律、径流量、季节性集水（汇水）地段、范围，对工程可能产生冲刷、侵蚀和融蚀的地段；
7 查明现有工程各种病害的产生原因与分布，如道路冻胀隆起翻浆或热融湖塘、路肩崩坍、路面路基开裂，涵洞破损、桥墩台倾斜、断裂及房屋冻融变形破坏等。
4.2 公路沿线冻土工程地质调查
工程地质调查通常包括对地面景观、自然与工程现象及露头的观察、填图，基础资料的收集和对代表性工点、居民点的访问。通过公路沿线的冻土工程地质调查，可以初步确定冻土分布范围，划分冻土工程地质类型冰对工程地质条件进行初步评价，为全面的勘探、钻探、坑探、物探点的布设定位提供依据。
4.2.1 公路沿线冻土工程地质调查内容
（1）收集工作区水文气象资料，特别是气温、低温、降水、河水流量及洪水资料。目前，青藏高原多年冻土区内定点的水文气象台站较少，工作区内上述资料可能处于空白，为满足设计工作的需要，临时设点进行一些补充、对比观测是必要的，这应列入工程地质调查的整体计划中，最好是超前安排。
（2）调查不良冻土工程地质现象，进行相应的测绘工作与填图工作，对其危害性分别作出判断，提出防治工程病害方法措施。具体调查内容包括以下几个方面：a、冻胀丘，分布范围、规模大小、类型、一年生还是多年生、生成发育过程和消融过程、固定的还是活动的、补给水源（地表水、冻土层上水、冻土层下水）、水温、流量；b、热融现象：类型（热融滑坍、热融塌陷、热融坍塌）、分布的地形条件、发生的内外部因素（地形条件、土质与含水条件、自然水流的侵蚀与流水热融、植被、地表状况的认为破坏情况、人为挖方、挖掘坡脚）、规模大小（热融体深度、查过浓度、宽度）、热融体土层性质（最大容身、含冰量大小、富含冰土层厚度）、热融速度、发展趋势（初期、发展期、稳定静止期）；c、沼泽湿地：分布的地形条件（山间低洼盆地、山前平缓台坡和越岭平台）、规模大小、积水条件（沼泽水源补给、地表水、地下水、季节性或常年性）、沼泽土质类型（表面植被发育状况，上部覆盖是属草炭类型还是泥炭类型、厚度，最大融化深度，冻结层含冰量、厚度）；d、厚层地下冰：分布范围、厚度、埋深及形成发育条件。
4.2.2 地下水调查
地下水调查一方面是为评价其可能产生的危害和危害程度提供可靠依据，同时也可以寻找供水水源。常年存在的液相地下水特别是冻土层下水对路基、桥涵工程影响较大，表4-1可以作为初步判断的依据。
表4-1 冻土层上水与层下水的判断参考依据
含水层
分布位置
液相水
存在时间
泉水涌水量
水温
伴生冻土现象
危害性
供水意义
冻土
层下水
山前断裂带
河谷断裂带
常年
较大（>2L/S）、较大
稳定
排泄带每年均有冻胀丘产生
大
大
冻土
层上水
谷、盆地
河流阶地
季节性
（一般6～10月）
较小（<1L/S）、间歇性
不稳定
偶尔有融冻滑塌产生
一般
暖季
4.2.3 现有工程建筑物的调查是冻土工程地质调查的重要内容，尤其是青藏高原多年冻土地区。现有工程的一些工程作用与现象可以作为是否存在多年冻土的指示。对现有工程基础的稳定性分析可以帮助判断冻土的工程地质条件，同时工程的病害与成功案例可以为新的类似工程直接提供借鉴。青藏高原东部多年冻土区主要的工程建筑是道路工程（路基与桥涵）和居民住房，对这些工程的调查应侧重如下内容。
路基病害：确定路基基底的冻土工程地质类型，冻结基底的土层性质与物理性质，填土路堤的结构、成分与高度，道路建成运行时间，道路运行稳定性特征及病害特点，病害发生时间，病害类型，病害原因。
涵洞病害：确定涵洞结构类型，基础埋深、基础土质类型与含冰性质，涵洞过水状况，冰塞现象，涵洞病害情况，涵洞病害的原因分析。
桥墩台病害：调查桥墩台所处的冻土工程地质条件（土质条件、冻土条件、水文条件），墩台病害特征等。
房屋病害：调查房屋地基土性质，冻土条件，基础类型与基础埋深，病害特征（墙壁热融沉断里、屋内热融下沉、冻胀～融化差异引起的墙壁裂缝、倾斜等）。若是连续发生屋内及强体下沉现象，一般可以判断为多年冻土地基。
4.2.4 融区调查
融区调查大致分为两大类，其一是分布于大片连续多年冻土区中的早期融区，其二是分布于多年冻土下界附近，近期冻土退化形成的融区。前者分布往往成线状和带状，后者为片状。正确确定融区有助于寻找良好的工程地质地段，以降低工程造价，确定居民点位置和供水水源地。在地面调查阶段确定融区主要的依据是：常年径流或者径流期长的大中江河的河槽、河漫滩阶地等；地下水活动或直接作为排泄带的构造断裂破碎带，包括山前断裂、河谷断裂等，大部分存在融区。这种融区类型除了地形标志外，地下水（泉）常年排泄、寒季冰椎的产生均可以作为判断依据，这是可以进一步通过测定浅层低温以判断其宽度与分布范围。活动型冻胀丘多数是因周围多年冻土作为个水曾、融区含水层受季节冻结层作用（受压）而形成的，据此不但可以判断有稳定融区分布，而且可以判别其周围有多年冻土存在；常年性给水水井，这也是融区存在的标志，如214过道上的温泉、黄河沿、玛多等地的水井和109国道上不冻泉水井，沱沱河沿水井均具有融区的标志作用；冻土区内一些居民点，基础稳定，多年使用仍完好，一般多属融区；道路工程，随填土高度较低，但经多年运行，路基稳定，极少有病害，这些路段也可能是融区。
4.2.5 多年冻土的指示标志
在109国道唐古拉山以北、214国道巴颜喀拉山以北地区，海拔在4400m以上的均属多年冻土分布去，这些地段年平均气温一般低于-3.5℃，根据海拔来判断这些地段属多年冻土是容易的。较难识别的是大山系间的河流、谷盆低洼地以及高山多年冻土分布下界附近的冻土岛，而判别这些冻土岛是工图工程地质调查阶段的主要任务之一。据以下标志可以初步判断多年冻土是否存在：
（1）永久性冻胀丘和热融滑坍、热融崩塌等不良冻土现象是指示多年冻土存在的重要标志；
（2）每年7～9月间的道路热融深翻浆和民房基础多年连续热融下沉等工程病害也是多年冻土存在的重要标识。
下列现象可以作为冻土是否存在的参考指标：残留小型冻胀丘群分布既可能表示冻土已退化消融，同时也往往可能指示有少量冻土岛存在；在普遍较干燥地段分布相对发育的“植被岛”，及山前平缓台地，山间低洼的“植被岛”同时表示此处赋存多年冻土；有些活动性小冻胀丘分布的沼泽湿地；平缓干燥地段上的“湿地岛”（在暖季雨后更潮湿）等。
4.3 公路沿线冻土工程地质勘探
公路沿线冻土工程地质勘探应在工程地质调查基础上进行，勘探点的布设应坚持点、线、面相结合，特别是在线路勘探中不搞勘探电平均布设。工程地质条件单一、简单的地段，原工作程度较高地段和有可靠实践经验可借鉴的地段等可以减少勘探点和勘探工作量。在下列地段则应增大勘探密度、增加勘探工作量：厚层地下冰地段、沼泽湿地发育地段、低填浅挖地段、岛状冻土分布地段、融区与冻土过渡地段、典型工点和重点工程地段。冻土工程地质勘探应采用综合勘探技术手段，特别要重视高技术的应用，以钻探为主导，以坑探为补充，以物探为联系及扩充，统一布置，互为一体。
4.3.1 工程地质钻探
通过钻探工作要确定土岩特别是松散土层的组成成分、厚度及物理性质，冻土的组成成分、含冰特征与含冰量，冻结松散层厚度，天然冻土上限、天然最大融化上限，为冻土物理、热物理和力学参数测定提供样品，为冻土地温测量（冻土年平均地温等）提供测孔。
（1）钻孔布置
公路路基工程平均每公里5个以上钻孔，一般地段250m一个，简单地段300m一个，复杂地段100m一个。挖方地段一般必须打孔。路基钻孔深度一般不得小于8m。
（2）钻进与采样
冻土钻孔直径一般要求89mm以上，通常采用干钻，以低钻速、小进尺、多提钻来提高岩芯采取率和冻土样。
（3）岩芯的观察与编录
对岩芯的观察与编录除了要完成普通的编录以外，还要对冻土特征做详细描述，譬如冻土的含冰类型（参见附录B）、冻土的结构和构造（参看附录C），同时还要对冻土的融沉性进行现场初判（参见附录D）。对少、多冰冻土岩芯和被钻探严重扰动的岩芯（在钻进速度较慢的碎石土地段，岩芯可能由于长时间的被摩擦而融化）而言，判断岩芯是否冻结比较困难。因此，要仔细观察岩芯中残留的微量冰屑、冰晶花，可以借助放大镜观察；观察冻融岩芯分界深度（即钻探时的融化深度），观察分析冻土上限位置和多年冻土含冰分布规律。在大部分情况下，由于钻探工作并非在达到最大融化深度时进行，因此往往不能够通过岩芯的冻融界面来判断上限，此时经常采用的一个方法是观察岩芯中含冰量的变化，在含冰量变化显著的位置可能就表明此处就是上限。准确的上限确定依靠测温资料、结合地表、土质、含水量、气候等因素综合判别给出。
（4）钻探取样
钻孔样品含水量与容重分析试验一般要在现场完成，有孔必做。在冻土上限之上，一般取样间隔不得大于0.5m，在冻土上限附近（±0.5m）取样点距不得大于0.25m，在多年冻土层内点距一般为0.3～0.4m。若含水量与容重在垂向空间上分布较均匀，可以用“点取法”，若分布不均匀，最好用刻槽平均取样。供测定热血参数的样品，一般不得少于2Kg，而供测定冻土力学参数的样品，一般不得少于10Kg，最好在15Kg以上，因此靠一钻孔采样往往满足不了要求，而需要采用多个钻孔联合取样。对于道路工程热物理、力学参数试验仅要求取代表性土样进行试验，对道路工程每百公里取3～4个试样。
4.3.2 工程地质坑探
坑探可以作为勘探点网的一个重要组成部分，布置于两钻孔间以增加勘探密度，也可用作钻孔的补充，弥补钻孔取样的不足，为观察冻土提供直观样品；坑探也是判断多年冻土上限的重要手段。坑探深度一般要超过冻土上限以下0.5～1.0m，细颗粒土坑探还可以配合钎探，扩大深度。坑探大小一般为（0.8～1.0）×（1.2～1.5）m，上宽下窄。高原地区的旱天最适合探坑挖掘。为防止冻土层上水或雨雪水深入探坑，应快速施工，当日开工，当日完成，并做好编录、取样和回填工作。
4.3.3 地球物理勘探
地球物理勘探方法具有轻便、快捷的优点，结合钻探、坑探等资料可以把有限的点状地质资料推广至线状甚至面状的资料，大大提高了多年冻土勘探的地质信息含量。根据目前的技术发展状况，我国的多年冻土物探主要采用探地雷达来完成，尤其是仅10a来，探地雷达已成为青藏高原多年冻土区和我国东北多年冻土区冻土探测的得力技术手段。
借助于钻探、坑探等常规探测方法，雷达探测可以确定多年冻土的分布界限以及多年冻土的上限，同时在部分路段也可以确定冻结松散层厚度和基岩埋深。在公路工程中，雷达勘测通常采用每公里500个测点，在复杂路段测点要加密至每米至少1个测点。在进行公路纵向地质雷达勘测时，探测深度一般在10m～16m之间；在横向探测时，主要用来寻找上限的位置，探测深度一般选择8m左右。使用探地雷达进行公路沿线冻土勘测的最佳时间在9～10月，此时季节融化深度一般都达到上限位置，有利于通过雷达波寻找上限。
探地雷达同其它物探设备一样，除了要结合钻探、坑探资料以外，沿线地形、地貌、地物、植被、路况等信息的记录，对于探地雷达资料的解译也是必不可少的。
4.4 冻土温度的确定
确定冻土温度就是要确定多年冻土的年平均地温，在有些情况下还要开展一些辅助观测，譬如地中热流观测以及地面热量平衡综合观测等，这些资料在室内实验中一般是无法确定的，需要通过现场观测来获得。
冻土地温观测要提供可靠的温度场变化，而且要确定一批冻土特征参数，主要有地面解冻与冻结的起始时间、冻土上部融化层年最大融化深度出现时间、冻土上限深度、融化层完全冻结的时间、持力层的年最高和年最低地温及出现时间、冻土温度的年变化深度、冻土年平均地温以及冻土的地温梯度和变化趋势等。要取得大部分的地温指标，钻孔深度一般要深于15m，最好能穿过多年冻土层或更深。热敏电阻由于测温精度高、体积小，往往是多年冻土地区现场测温的首选。埋设探头的方式有两种，一种是固定预埋于地下，这样可以较准确的测定地温；另一种是活动式的，即在需要测温的位置，预埋测温管（钢管或者工程塑料管），在需要测温的时间把测温探头放入。后一种方法可以减少测温设施被破坏的可能性，而且易于修复和更换传感器，有利于长期、反复使用，其缺点就是管内可能存在对流，影响测温的精度。
4.5 冻土物理和力学参数的测试
公路工程中的冻土工程地质勘察不但有常规试验项目，而且有相当数量的冻土专项试验，这些试验有一部分是在室内完成的，譬如颗粒分析、未冻水含量等。
多年冻土的参数测试主要侧重于冻土的热学参数、融化变形指标以及部分力学参数。冻土的基本热物理参数包括导热系数、热容量和导温系数，这三个参数是冻土热工计算的常用基本指标，在现场工程勘察中很难直接获得，常常要在试验室内来测定。导热系数在室内多用稳定状态热流计法测定，现场多用不稳定态探针法测定（精度较低），热容量采用量热法来测定，而导温系数用正规状态法测定。由于这些参数的测定需要的工作量较大，在实际应用过程中，常常采用查表法。一般情况下，常见土类的热学参数可以从附录I中查得。冻土的融化压缩系数和融沉系数常常用来表达冻土的融化变形性质，这两个指标分别参见附录E和A。在多年冻土公路路基工程中，往往还需要知道冻土的容许承载力。但是由于这个指标的测定非常复杂，再加上冻土结构的变异性较强，经常采用经验值（参见附录F）。
5 多年冻土地区公路病害
5.1 多年冻土地区公路病害类型和特征
根据对青藏公路、214国道、新藏公路、青海省其它多年冻土地区公路和东北多年冻土地区公路病害的调查和分析，多年冻土地区公路的病害主要是由于多年冻土的融化和季节活动层的冻融变化所引起，譬如路基沉陷病害、道路翻浆、路面不均匀冻胀等；另外，在多年冻土地区由于气候严寒，一些局部的冰冻病害也时常发生，譬如涎流冰、冰椎、冻胀丘等。
5.1.1 路基沉陷病害
路基热融沉陷病害是多年冻土地区最主要的病害类型，是多年冻土地区和季节冻土区、非冻土地区公路病害最根本的差别。路基纵向的不均匀沉陷可以产生波浪病害，而横向的不均匀沉陷又可以诱发路基纵向裂缝。在高含冰量的多年冻土区，尤其是在采用沥青路面的路段，往往由于冻土保护措施不够，路基下的多年冻土发生融化，最终导致路面波浪病害；在阴阳坡差异显著的多年冻土路段，同样由于路基两侧下部冻土的不均匀融化，结果导致路基内部和路面出现纵向裂缝。无论路面波浪，还是路基纵向裂缝，都严重降低了公路的行车能力和行车安全性。在发生路基热融沉陷的路段，其路面病害率均显著高于其它路段，更高于季节冻土区和非冻土区的路面病害率。
多年冻土地区的路基沉陷病害几乎全部发生在高含冰量路段，采用沥青路面公路的沉陷病害要比浅色混凝土或者砂砾路面公路的沉陷病害严重。除了多年冻土的含冰量对公路沉陷病害有决定作用以外，多年冻土的年平均地温也对路基沉陷变形量有重要影响。在不稳定和极不稳定多年冻土区，公路沉陷病害的发生率要大大高于基本稳定和稳定带。另外，多年冻土地区的路基沉陷病害在每年的10月份，即冻土达到最大融化深度时，沉陷病害最严重。随着寒季的到来，活动层回冻，基土冻胀，路基沉陷变形减小。因此，多年冻土地区的路基沉陷变形具有年度周期变化的特点。
5.1.2 翻浆和不均匀冻胀
公路翻浆就是指路面下的高含水量垫层材料——泥浆，在行车荷载作用下被从路面挤出的一种现象，是公路病害的一个主要表现形式。虽然翻浆病害在多年冻土区、季节冻土区和非冻土区都有出现，但是寒冷地区的翻浆具有自己的特征。
在季节冻土地区，公路发生翻浆病害以前，路面冻胀现象比较明显；其次，季节冻土区的公路翻浆病害多发生在春季，多是路面下的高含冰量基层材料融化所致。
多年冻土区的翻浆病害特征与季节冻土区既有上面的相似之处，也有不同点。在多年冻土地区，经常可以看到公路在秋季还发生翻浆现象。如果说季节冻土区春季的翻浆是浅层翻浆，是由基层材料引起，那么多年冻土地区的秋季翻浆则可以说是深层翻浆，是由天然基底中的高含冰量冻土融化所引起。
5.1.3 其它类病害
在多年冻土地区，由于地形的影响，地表径流和地下径流往往会给公路的稳定性带来可能无法预料的危害。在这些类型的病害中，涎流冰和冻胀丘是其中发病率较高的二种病害类型。
（1）涎流冰
涎流冰又叫冰椎，是地下水溢出地表而形成的冰体。涎流冰多形成于山前坡地，由于公路从山前穿过，阻挡了地下水的流通，随着水头压力的增加，在地表的薄弱处将溢出水流。在寒冷气候条件下，溢出的水冻结成冰，即为涎流冰。涎流冰多为冻结层上水冻结所致，绝大部分都是季节性的。在寒季形成，在暖季消融。
涎流冰多是由于地下水通道受到公路工程的影响所致。因此，如果在修建公路的同时，没有在可能出现地下水径流的位置设置好排水通道，往往会在公路的上坡侧形成涎流冰。当涎流冰的规模较大时，涎流冰可能会漫到公路路面，严重影响行车；即使涎流冰的规模不大，也会由于冻融变化，对公路路基的稳定性构成威胁。图5-1为青海省X411公路K67+820附近的涎流冰。该涎流冰在融化后，已经在公路的坡脚形成积水。

图5-1 青海省X411公路K67+820附近的涎流冰
（2）冻胀丘
与涎流冰类似，冻胀丘也是在承压水的作用下形成的。当地下径流的通道因某种原因（地下水出口冻结或者是新修建筑物）被阻挡以后，如果地表土层已经发生冻结或者表土层较厚，地下水无法溢出地表，将在地下发生冻结。在外来水源的补给作用下，地下冰体不断增厚，当地下空间被冰体充满后，地表将在冻胀作用下向上隆起，形成冻胀丘。冻胀丘按其存在的时间分为季节性冻胀丘和多年生冻胀丘。
冻胀丘对公路的危害体现在它的聚水作用。对于季节性冻胀丘，暖季的融水会危及路基的稳定；对于多年生冻胀丘，由于冻胀丘年复一年的增长，表土所承受的拉应力越来越大，冻胀丘将开裂，水流溢出侵蚀路基。在青藏公路多年冻土段，甚至还曾经发生过冻胀丘爆炸，地下水喷涌而出的例子。在有些情况下，冻胀丘甚至可能就发生在路基的下部，直接危害路基的稳定和行车安全。图5-2为青海省X411公路K120左右路基左侧上坡出现的冻胀丘。冻胀丘的丘底直径大约在15m左右，表面已经开裂，表土层下30cm左右可见厚层地下冰，由于调查时间正处在寒季末，尚没有出现冰融水溢的现象。

图5-2为青海省X411公路K120路基左侧上坡出现的冻胀丘
5.2 多年冻土区公路病害分级
路面病害是路基上各种病害的综合反映，也是评价多年冻土地区公路病害状况的基本依据。但是，对于不同的路面而言，病害的表现方式差异较大。要准确评价路面的病害程度，就需要按照不同的路面形式来评价路面和路基的状况。根据多年冻土地区的公路实践，以及未来公路等级不断提高的趋势，下面就分别以沥青路面和水泥混凝土路面来划分多年冻土地区公路病害的等级。
5.2.1 沥青路面
沥青路面的破损可以分为裂缝类、松散类、变形类及其它类等四大类。
（1）裂缝类病害包括龟裂、不规则裂缝、纵向裂缝和横向裂缝四种。当龟裂局限于轮迹带，伴随车辙发生时，往往是路面基层不良或者底基层软弱所致；否则，如果龟裂既不局限于轮迹带，也不伴随车辙发生时，则往往是由于路面施工的缺点引起。不规则裂缝主要是由温度变形或者稳定层的反射裂纹引起。在涵洞、桥梁等结构物与普通路基的结合部位，横向裂缝常常出现，此外，在施工接缝处也易于出现横向裂缝。除了结构上造成的横向裂缝以外，温度应力和稳定基层的反射也经常是路面横向裂缝的产生原因。沥青路面的纵向裂缝，其形成原因比较复杂。轮迹带的短纵向裂纹往往是疲劳裂缝的开始，由于结合料老化，此种裂缝总是开始于沥青路面层的上部；长的纵向裂纹往往是路基变形引起的，并且易于在裂缝处形成属性台阶。此外，温度应力也会引起纵向裂缝，但是这种裂缝的宽度较小，裂缝深度也很浅。
从以上分析可见，沥青路面的四种裂缝中，只有长的纵向裂缝才可能是由于路基变形引起。沥青路面下多年冻土的融化变形是多年冻土地区路基变形的主要原因，自然也就是沥青路面长纵向裂缝形成的原因。因此，多年冻土地区沥青路面长纵向裂缝的合理分级是评价多年冻土对沥青路面裂缝类病害影响的基础。为了全面评估多年冻土地区沥青路面的裂缝病害，三种主要裂缝的划分指标参见表5-1。
（2）多年冻土地区的松散类病害主要包括坑槽、啃边和松散。坑槽是结构性破坏，既包括面层，也包括基层坑洞，通常是由于水从开裂的表面渗入基层，基层软弱而至。如果不能及时修补，坑洞在行车荷载和雨水作用下将进一步扩大，从而对行车安全构成威胁。啃边是指路面边缘有10cm以上的范围发生破碎脱落，多是由于路肩部位路基填料压实不足所致。松散是指细集料和粗集料失去嵌锁力，在长期行车荷载等作用下发生的一种老化现象。可见，多年冻土地区的松散类病害与多年冻土没有直接关系，因此，此处并不对其进行病害分级。

表5-1 公路沥青路面裂缝病害分级
破损类型
分级
外观描述
分级指标
计量单位
龟
裂
轻
初期龟裂，缝细、无散落，裂区无变形
块度:20～50cm
m2
中
裂块明显，缝较宽，无或轻散落或轻度变形
块度:<20cm
m2
重
裂块破碎，缝宽，散落重，变形明显，急待修理
块度:<20cm
m2
纵
裂
轻
缝壁无散落或轻微散落，无或少支缝
缝宽:≤25mm
m2
中
缝壁可见散落，有支缝
25mm～250mm

重
缝壁散落重，支缝多
缝宽:>250mm
m2
横
裂
轻
缝壁无散落或轻微散落，无或少支缝
缝宽:≤5mm
m2
重
缝壁散落多，支缝多
缝宽:>5mm
m2

（3）变形类病害包括沉陷、车辙、搓板、波浪等4种类型的病害。车辙是由荷载引起的变形，表现为轮迹带上的纵向凹陷。形成此种类型的病害可能有三种原因：一是行车荷载超过了设计荷载，二是沥青路面面层材料不良或者厚度不足，三是基层或者底基层材料不良或者压实度不足。搓板与波浪都表现为路面连续起伏，只是两者的波长不同。搓板的波长较短，主要由基层和底基层或者上路床软弱所致，多发生于季节冻土区，在多年冻土区也有出现，受秋季降雨和地下水位的影响较大；波浪的波长较长，主要是由于下路床、天然基底软弱或者多年冻土融化所致，常发生于多年冻土地区，多年冻土融化是此类病害的主要原因。除了波浪以外，沉陷病害显然也是多年冻土地区的典型病害，对这两种病害的划分标准参见表5-2。

表5-2 公路沥青路面变形病害分级
破损类型
分级
外观描述
分级指标
计量单位
沉
陷
轻
深度浅，行车无明显不适感
深度:≤100mm
m2
中
深度较大，行车不适
100mm～250mm
m2
重
深度深，行车明显颠簸不适
深度:>250mm
m2
波
浪
轻
波峰波谷高差小
高差：≤25mm
m2
重
波峰波谷高差大
高差：>25mm
m2
沥青路面其它类病害包括泛油、磨光、修补病害、冻胀和翻浆，除了冻胀和翻浆与多年冻土地区的严寒气候有一定关系之外，前三种病害与多年冻土没有明显联系，此处不再对上述5种类型病害再做病害分级。
5.2.2 混凝土路面
目前，混凝土路面在我国的冻土工程实践中还比较少，仅有部分试验路段，借鉴沥青路面中关于病害类型与多年冻土关系的分析，初步用混凝土路面的裂缝病害、断裂板病害、竖向位移类病害和错台病害来评估多年冻土地区混凝土路面的病害程度，根据《公路水泥混凝土路面养护技术规范》（JTJ 073.1-2001），对上述几种病害做出如下分级：
（1）裂缝病害
按裂缝缝隙边缘碎裂程度和缝隙宽度，裂缝病害可以划分为下面3个轻重程度：a、轻微——缝隙边缘无碎裂或错台的细裂缝，缝隙宽度小于3mm；或者，填缝良好、边缘无碎裂或错台的裂缝。b、中等——缝隙边缘中等碎裂或错台小于10mm的裂缝，且缝隙宽度小于15mm。c、严重——缝隙边缘严重碎裂或错台大于10mm，且缝隙宽度大于15mm。
（2）交叉裂缝和断板
按裂缝等级和板断裂的块数可以划分为下列3个轻重程度等级。a、轻微——板被轻微裂缝分割成2～3块；b、中等——板被中等裂缝分割成3～4块，或被轻微裂缝分割成4块以上；c、严重——板被严重裂缝分割成4～5块，或被中等裂缝分割成5块以上。
（3）水泥混凝土面层的竖向位移类病害包括沉陷和胀起，按其对行车的影响可分为下列3个轻重程度等级。a、轻微——车辆以限速驶过时仅引起无不舒适感的轻微跳动；b、中等——车辆驶过时产生不舒适感的较大跳动；c、严重——车辆驶过时产生过大的跳动，引起严重不舒适或不安全。
（4）错台病害，按相邻板边缘的高差大小可分为3个轻重程度等级。a、轻微——错台量小于5mm；b、中等——错台量5～10mm；c、严重——错台量大于10mm。
5.3 多年冻土区公路病害调查
多年冻土地区公路病害调查的目的是为病害防止提供基本资料，对多年冻土区公路病害调查的程度和结果直接关系着病害防治措施是否得当、治理工作能否成功。多年冻土地区公路病害调查的目的在于查清病害的状况、特征和发展趋势，病害的发生原因，以便正确的评价多年冻土区公路病害，为病害治理提出合理的治理依据和治理措施。
5.3.1 多年冻土区公路病害状况调查
多年冻土区公路病害状况调查是为了确定病害防治的计划并为可能到来的维修提供依据，对重点病害类型和病害路段应长期观察，研究其变化规律，分析路面产生病害的可能原因，拟定处治方案。由于不同路面的病害表现形式有所不同，因此病害调查的内容也有所不同，下面以沥青路面和混凝土路面为例，给出这两种路面的病害调查方法和调查内容。
（1）沥青路面
沥青路面病害调查的内容包括裂缝、沉陷、搓板、波浪和翻浆。仔细查看路面上存在的病害状况，正确区分病害类型和严重程度（按5.1节的规定确定），记入沥青路面损坏状况调查表，准确至平方米，不规则形状的损坏面积计算时先按当量面积计算，然后根据破损程度乘上系数确定，评价段次按100m设定，每张表为一个路段的实测记录，记录表格见附录G。对于单条裂缝，其损坏面积按裂缝长度乘以0.2m计算。对于波浪、搓板、沉陷类型的破坏，可用三米直尺测其最大垂直变形，以确定其严重程度。
（2）水泥混凝土路面
水泥混凝土路面病害状况以病害类别（5.2节中提到的四类病害）、轻重程度和出现的范围或密度三项属性表征。各种病害的定义和轻重程度分级，按5.2节的规定确定。各种病害和轻重程度出现的范围或密度，以调查路段（或字路段）内出现该种病害和轻重程度等级的混凝土板块数占该路段（或子路段）板块总数的百分率计。同一板块内存在多种病害或轻重程度等级时，以最显著的种类或最重的程度计入系数。调查工作采用目测和仪器量测方法。混凝土路面的病害调查表参见附录H。
5.3.2 多年冻土区公路病害背景