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摘要:冻土工程问题一直是一项世界性难题，本文详细论述了冻土地区的工程设计难点，总结了我国多年冻土地区工程设计与施工相关经验及多年来我国冻土地区工程建设行之有效的理论、方法、材料和技术，对指导寒区及多年冻土区工程设计具有指导意义。
关键词:冻土危害；多年冻土；解决措施
引 言
在中国东北、青藏高原等地区工程设计中，经常遇到场区选址为多年冻土地区的情况。由于地质特殊，给总图的道路基础及室外管线等设计工作带来了一定的难度。因此，有必要对多年冻土区域工程设计要点进行探讨研究。
1.多年冻土地区简述
1.1多年冻土的概念
冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土(数小时、数日以至半月)、季节冻土(半月至数月)以及多年冻土。多年冻土又称永久冻土，指的是持续二年或二年以上的冻结不融的土层。永冻土地区土质可分为上下两层:上层每年夏季融化，冬季冻结，称活动层，又称冰融层;下层常年处在冻结状态，称永冻层或多年冻层。
地球上冻土区的面积约占陆地面积的50%，其中，多年冻土面积占陆地面积的25%。冻土层的厚度从高纬到低纬逐渐减薄，以至完全消失。一般来说，海拔越高，冻土层越厚，低温也越低，永冻层顶的埋藏深度越小。随着气候变暖，冻土在不断退化。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。土层的冻融变化是土木工程建设中必须考虑的重要因素，处置不当将带来严重后果。
1.2多年冻土对工程的危害及问题
冻土对工程建筑的危害主要表现为冻胀和融沉作用。即在冻结状态时,虽然压缩性变小并具有较高强度,但在冻结过程中产生体积膨胀,形成地面隆起和地基鼓胀（冻胀丘、冰椎、寒冻劈裂、冻拔石、冰楔等现象）；冻土融化后,岩土中冰屑的骨架支撑作用消失,导致体积缩小,地基承载力降低,压缩性增大,岩土体下沉陷落（热融滑塌、热融洼地、热融湖塘、热融冲沟、热融沉陷、融冻泥流等现象）。冻土作为建筑及道路地基时,因冻胀融沉的反复活动,可使房屋、桥梁、道路、管线等建筑沉陷、开裂、倾倒,铁路、公路凹凸不平,管线拉裂，甚至局部陷落,威胁交通与运输安全。
多年冻土区域工程建设面临问题：高病害率、维护困难、花费巨大、不良反响。借鉴青藏公路为代表的多年冻土区道路。面临三大难题：高原缺氧、脆弱生态环境的干扰、建设和运营中的冻土变化。丘吉尔间铁路（270km）修复重建，仅1978-1983年间花费3000余万美元，我国青藏公路1985年第三期整治以来，花费超过20亿元。
2.多年冻土的工程处理措施
2.1多年冻土路基的设计原则
多年冻土路基设计，可采取两种不同的设计原则：1.保持冻结状态。2.允许融化状态。
保持冻结状态即指在工程项目施工及使用期间，地基土始终保持冻结状态。
允许融化状态又可以根据具体条件分为两种：逐渐融化状态（即指在结构物施工和使用期间，地基土处于逐渐融化状态）和预先融化状态（即在结构物施工前，使地基融化至计算深度或全部融化）。
一般来说，当冻土厚度较大，土温比较稳定，或者融沉性很大时，采取保持冻结状态的设计原则比较合理，特别是那些不采暖房屋和带不采暖地下室的采暖结构物最为适宜。反之，采用允许融化状态。本文主要针对多年冻土保持冻结状态下，分析冻土地区地基处理措施。
2.2道路设计处理措施
多年冻土区域道路稳定成败关键在路基，路基的成败关键在冻土，冻土的关键问题在融沉。传统的筑路技术，只能延缓冻土融化，不能根本上保证路基稳定，借鉴国内外工程经验，国内冻土专家提出“冷却路基”的思路。
冷却路基的原理就是通过控制辐射、控制对流和传导，使道路热量散失，减少向路基传导，达到路基降温的目的。在工程中，通过材料、道路结构等简单可行的办法调控这三种传热方式。
2.2.1控制辐射：改变表面的颜色，路基遮阳。
采用浅色路面及浅色材料：浅色路面增大反射率，减小辐射热。据观测资料表明，浅色路面可使路面温度降低2.0℃以上。浅色路面目前有：水泥混凝土浅色路面；路面喷涂浅白油漆等耐久材料；使用改性浅色沥青，并选用浅白砂材配方；喷涂浅色反光路面材料。
路基遮阳棚，遮阳棚上设置遮阳板，对热辐射进行遮挡，可以大大减少由于外界气候对于多年冻土的影响，有利于多年冻土的生存。
2.2.2控制对流：块抛石路基、管道通风热管
块抛石路基是解决冻土工程成本较低廉、效果较好、运用最多的方式。将道路基础下增设较大颗粒卵石或者砂砾石1m左右的垫层。主要是利用卵石、砂砾石等粗颗粒材料的较大孔隙和较强的空气自由对流特性。这样做不仅可以保证冻结过程中不产生水分迁移和聚冰现象且在冻结过程中水分从冻结锋面的高压端向非冻结面压出；而且还使得冬夏冷热空气由于空气密度等差异而不断发生冷量交换和热量屏蔽，其结果有利于保护多年冻土。
管道通风是在道路基础采用非冻胀性砂砾料垫高，并在其中埋设通风管道,通风管道应与当地风向的主导风向一致，它可以利用冬季自然通风使地基土体保持冻结状态，在夏季，可将通风管道口堵塞，阻止热空气的进入，达到保温的目的。
热管是一种由碳素无缝钢管制成的高效热导装置，5米埋入地下，地面露出2米。具有独特的单向传热性能，热量只能从地面下端向地面上端传输，反向不能传热。在冬季，热管内工作介质由液态变为气态，带走管内热量。热管可以将冷量有效的传递储存于地下，有效地阻止热量向下传递，是一种可控热量传递的高效传导装置。
2.2.3控制传导：保温隔热法、调整路基高度、利用潜热、热半导体
保温隔热法在路基底部或者周边设置保温隔热层，增大热阻，以推迟地基土的融化，降低融化深度，进而达到防冻胀的目的。保温材料还起到防渗水、加强路基整体性的作用。保温材料可选用EPS保温板。
提高路基高度，为保持地基土的冻结状态，保证多年冻土上限不下降，可采用卵石、砂砾石等作为垫层材料，设计足够厚度的垫层，然后在其上建设道路。
2.2.4针对当地生态环境的脆弱性，场地土方设计，尽量少挖多填，减少对现状冻土的影响。
2.3建筑及管线的处理措施
建筑单体采用架空地面，架空净空高度大于等于0.6米，并加强建筑底板保温措施。以解决建筑物与地面相接的问题，通风基础也有利于散热，同时解决各专业底板穿管线的问题。
建筑地基采用架空通风基础，建筑首层地面架空处理。基底标高埋至季节性冻土深度以下，基础底面和侧面回填非冻胀性的中砂和粗砂不小于300mm厚。为增强结构适应地基不均匀变形的能力及减少现场湿作业工作量降低劳动强度，上部结构采用钢结构。
建筑管线尽量在室内敷设，建筑在首层板底架空层内汇集至水平干管，排水构筑物（集水坑，化粪池、污水处理构筑物均在架空层内敷设）部分管道确需穿越室外做架空敷设，根据需求及经济性局部管线采用电伴热保温。
3.结语
我国对于多年冻土路基的处理措施的研究已经确定了巨大的进步，但是在一些方面仍然需要进行深入地研究。冻土地区工程设计角度采取有效地措施处理冻土工程难题，同时还要有严格施工程序，制定好适合当地的施工方案，后期还要检测多年冻土退化过程中地基稳定性及其变化趋势，确保地基的安全性和稳定性。
参考文献
[1]《冻土工程地质勘察规范》GB 50324-2014
[2]《冻土地区建筑地基基础设计规范》JGJ 118-2011
[3]《地基处理手册》（第三版）第17.6节