季凍區(qū)路基凍脹特性與精準預警研究：理論、監(jiān)測與實踐一、引言1.1研究背景與意義1.1.1研究背景在全球范圍內(nèi)，季節(jié)性凍土區(qū)域廣泛分布，約占據(jù)陸地面積的50%。我國的季節(jié)性凍土區(qū)面積廣闊，主要集中在東北、華北、西北等地區(qū)，約占國土面積的53.5%。在這些季凍區(qū)，由于冬季寒冷，路基土中的水分會凍結成冰，導致土體體積膨脹，形成凍脹現(xiàn)象；而到了夏季，氣溫升高，凍土融化，土體又會發(fā)生沉降，即融沉現(xiàn)象。這種凍脹與融沉的循環(huán)過程，給交通基礎設施帶來了嚴重的危害。路基凍脹會導致路面出現(xiàn)裂縫、坑洼、翻漿等病害。當路基發(fā)生凍脹時，路面結構會受到不均勻的上抬力，導致路面出現(xiàn)縱向、橫向裂縫，隨著裂縫的發(fā)展，路面的整體性被破壞，車輛行駛時會產(chǎn)生顛簸、跳車等現(xiàn)象，嚴重影響行車舒適性。而當凍土融化時，路基土體的強度降低，在車輛荷載的作用下，路面容易出現(xiàn)坑洼、翻漿等病害，進一步加劇了路面的損壞，縮短了道路的使用壽命。路基凍脹還會對橋梁、涵洞等交通附屬設施造成破壞。對于橋梁基礎，凍脹力可能導致基礎上拔、傾斜，影響橋梁的穩(wěn)定性和安全性；涵洞則可能因凍脹而出現(xiàn)變形、開裂，影響排水功能，甚至導致涵洞坍塌。這些病害不僅會影響交通的正常運行，增加交通事故的風險，還會導致道路維護成本大幅增加。隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，季凍區(qū)的交通基礎設施建設規(guī)模不斷擴大，對路基的穩(wěn)定性和耐久性提出了更高的要求。然而，目前對于季凍區(qū)路基凍脹特性的研究還存在一些不足，如對凍脹機理的認識還不夠深入，影響因素的分析不夠全面，預警分析方法還不夠完善等。因此，深入研究季凍區(qū)路基凍脹特性及預警分析具有重要的現(xiàn)實意義。1.1.2研究意義本研究對于保障季凍區(qū)道路交通安全具有重要意義。通過對路基凍脹特性的研究，可以深入了解凍脹的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，提前預測凍脹災害的發(fā)生，為道路管理部門提供科學的決策依據(jù)，采取有效的預防和治理措施，從而減少路面病害的發(fā)生，提高道路的安全性和可靠性，保障車輛和行人的安全出行。研究季凍區(qū)路基凍脹特性及預警分析能夠有效降低道路維護成本。準確預測路基凍脹災害，可使道路管理部門提前規(guī)劃維護工作，合理安排維護資金和資源。在凍脹災害發(fā)生前，采取針對性的預防措施，如加強路基保溫、改善排水系統(tǒng)等，可減少病害的發(fā)生程度和范圍，降低后期大規(guī)模修復和重建的成本。本研究對于促進季凍區(qū)交通建設的可持續(xù)發(fā)展也具有重要作用。通過揭示路基凍脹的影響因素和作用機制，可為季凍區(qū)道路工程的設計、施工和養(yǎng)護提供科學的理論指導。研發(fā)新型的抗凍脹材料和技術，優(yōu)化路基結構設計，可提高路基的抗凍脹能力，延長道路的使用壽命，推動季凍區(qū)交通建設的可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究進展國外對凍土的研究起步較早，在凍土物理力學性質(zhì)、凍脹機理、凍脹預測模型等方面取得了較為豐富的研究成果。在凍脹理論方面，1940年，Taber提出了分凝勢理論，認為土中水分向凍結鋒面遷移是由于凍結鋒面處的分凝勢作用，該理論為后續(xù)凍脹研究奠定了基礎。隨后，美國學者Miller在1978年提出了基于水分遷移和冰晶生長的凍脹理論，進一步完善了對凍脹過程的認識。他指出，水分在溫度梯度作用下，從未凍結區(qū)向凍結區(qū)遷移并聚集在凍結鋒面附近，隨著溫度降低，水分逐漸凍結成冰并產(chǎn)生體積膨脹，同時，由于周圍土體的約束作用，凍結鋒面處的冰透鏡體不斷生長并向上發(fā)展，導致路基產(chǎn)生向上的凍脹力。在監(jiān)測技術方面，國外發(fā)展了多種先進的監(jiān)測手段。例如，加拿大采用光纖傳感器對路基凍脹進行監(jiān)測，利用光纖的應變與溫度敏感特性，實時獲取路基內(nèi)部的溫度和變形信息，該技術具有高精度、抗干擾能力強等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)對路基凍脹的長期、穩(wěn)定監(jiān)測。美國則利用探地雷達技術對路基凍脹進行檢測，通過分析雷達回波信號，確定路基內(nèi)部的冰層分布和凍脹情況，探地雷達技術可以快速、無損地對路基進行檢測，適用于大面積的路基監(jiān)測。在防治措施方面，國外也有不少成功經(jīng)驗。俄羅斯在西伯利亞地區(qū)的道路建設中，采用了熱棒技術來降低路基溫度，防止凍脹。熱棒是一種高效的熱傳遞裝置，利用氣液兩相循環(huán)將路基中的熱量傳遞到大氣中，從而保持路基的低溫狀態(tài)。北歐國家在公路建設中，廣泛使用保溫材料，如聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯泡沫板等，鋪設在路基表面或內(nèi)部，減少溫度波動對路基的影響，有效降低了路基凍脹的發(fā)生概率。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀近年來，國內(nèi)學者在季凍區(qū)路基凍脹方面也開展了大量研究工作，主要集中在凍脹機理、影響因素、數(shù)值模擬和防控技術等方面。在凍脹機理研究方面，中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所的科研團隊通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場監(jiān)測，深入研究了水分遷移和土顆粒遷移對路基凍脹的影響，發(fā)現(xiàn)水分遷移是導致路基凍脹的關鍵因素，而土顆粒遷移則會改變土體的結構和力學性質(zhì)，進一步影響凍脹的發(fā)展。在影響因素分析方面，長安大學的學者研究了氣溫、降雨、濕度等氣候因素對路基凍脹的影響，指出低溫是引起凍脹的主要因素，溫度越低，凍脹現(xiàn)象越嚴重；降水降雪和降雨對凍脹也有重要影響，水分滲入土壤后會增加凍脹潛力。此外，不同土質(zhì)類型的凍脹敏感性不同，如粉質(zhì)黏土和砂土較易產(chǎn)生凍脹，而地層結構對凍脹也有影響，不透水層的存在會阻礙水分的遷移，從而減輕凍脹。在數(shù)值模擬方面，清華大學等高校利用有限元軟件對路基凍脹過程進行模擬，通過建立溫度場、水分場和應力場的耦合模型，分析不同因素對凍脹的影響規(guī)律，為路基凍脹的預測和防治提供了理論支持。在防控技術方面，國內(nèi)采取了多種措施，如設置完善的排水系統(tǒng)，包括橫向排水溝、縱向排水溝和集水井等，將路基內(nèi)的水分及時排出，降低凍脹發(fā)生的可能性；采用高效保溫材料，如聚苯乙烯泡沫板、硅酸鹽保溫板等，對路基進行保溫處理，減少溫度波動對路基的影響；還通過改良路基填料、優(yōu)化路基結構等方法來提高路基的抗凍脹能力。然而，當前國內(nèi)研究仍存在一些不足。一方面，對凍脹機理的研究雖然取得了一定進展，但在微觀層面上，對土中水的相變過程、土顆粒與冰的相互作用機制等方面的認識還不夠深入，需要進一步借助先進的微觀測試技術進行研究。另一方面，現(xiàn)有的凍脹預測模型大多基于特定的試驗條件和地區(qū)，普適性較差，難以準確預測不同地質(zhì)條件和氣候環(huán)境下的路基凍脹情況。此外，在監(jiān)測技術方面，雖然已經(jīng)應用了多種監(jiān)測手段，但各種監(jiān)測技術之間的融合和互補還不夠充分，監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時分析和處理能力有待提高。因此，未來需要進一步加強多學科交叉融合，發(fā)展高精度、高效率的數(shù)值模擬方法，探索新的凍脹防控技術和材料，以提高季凍區(qū)路基的穩(wěn)定性和耐久性。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究聚焦于季凍區(qū)路基凍脹特性及預警分析，旨在全面深入地揭示路基凍脹的內(nèi)在規(guī)律，為保障季凍區(qū)道路安全提供科學依據(jù)和有效手段。具體研究內(nèi)容如下：路基凍脹影響因素分析：深入研究氣候因素，如氣溫的劇烈變化、降水和降雪量的多少以及濕度的高低，對路基凍脹的作用機制。通過分析大量氣象數(shù)據(jù)，結合實際工程案例，確定不同氣候條件下路基凍脹的敏感程度。同時，研究土質(zhì)類型，包括粉質(zhì)黏土、砂土等不同土質(zhì)的物理化學性質(zhì)，以及含水量和地層結構對凍脹的影響。例如，通過室內(nèi)試驗測定不同土質(zhì)在不同含水量下的凍脹率，分析地層結構中不透水層、透水層的分布對水分遷移和凍脹的影響。路基凍脹監(jiān)測技術研究：探索適合季凍區(qū)路基凍脹監(jiān)測的先進技術，如光纖傳感技術、探地雷達技術等。研究光纖傳感器在路基內(nèi)部的布置方式和監(jiān)測原理，通過實際工程應用，驗證其對路基溫度、變形等參數(shù)的高精度監(jiān)測能力。同時，分析探地雷達技術在檢測路基冰層分布和凍脹情況方面的優(yōu)勢和局限性，通過與其他監(jiān)測技術的對比，確定其最佳應用場景。此外，還將研究如何將多種監(jiān)測技術進行融合，實現(xiàn)對路基凍脹的全方位、實時監(jiān)測。路基凍脹預警模型構建：基于監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論分析，構建路基凍脹預警模型。首先，收集大量的路基凍脹歷史數(shù)據(jù)，包括不同季節(jié)、不同氣候條件下的凍脹變形數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、水分數(shù)據(jù)等。然后，運用數(shù)據(jù)挖掘和機器學習算法，對這些數(shù)據(jù)進行分析和處理，找出凍脹變形與各影響因素之間的內(nèi)在關系。在此基礎上，建立基于機器學習的凍脹預測模型，如神經(jīng)網(wǎng)絡模型、支持向量機模型等。通過對模型的訓練和驗證，不斷優(yōu)化模型參數(shù)，提高模型的預測精度。最后，結合實際工程需求，制定合理的預警閾值，實現(xiàn)對路基凍脹災害的提前預警。路基凍脹防治措施研究：根據(jù)研究結果，提出有效的路基凍脹防治措施。從保溫、排水、改良路基填料等多個方面入手，研究不同防治措施的作用原理和應用效果。例如，研究高效保溫材料的性能和適用范圍，分析其在減少路基溫度波動、降低凍脹風險方面的作用。同時，設計合理的排水系統(tǒng)，包括橫向排水溝、縱向排水溝和集水井等，確保路基內(nèi)的水分能夠及時排出。此外，還將研究改良路基填料的方法，通過添加外加劑或采用新型材料，提高路基的抗凍脹能力。通過對不同防治措施的綜合應用和效果評估，確定最優(yōu)的防治方案，為季凍區(qū)道路工程的設計、施工和養(yǎng)護提供科學指導。1.3.2研究方法為了深入研究季凍區(qū)路基凍脹特性及預警分析，本論文將綜合運用以下研究方法：實驗研究法：通過室內(nèi)凍脹試驗，模擬不同氣候條件和土質(zhì)狀況，研究路基土的凍脹特性。準備不同類型的土樣，如粉質(zhì)黏土、砂土等，控制含水量、壓實度等參數(shù)，將土樣放入低溫試驗箱中，模擬不同的凍結溫度和凍結時間，測量土樣的凍脹量和凍脹率，分析凍脹特性與各因素之間的關系。同時，進行現(xiàn)場原位試驗，在季凍區(qū)選取典型路段，設置監(jiān)測點，測量路基的溫度、濕度、變形等參數(shù)，獲取實際工程中的凍脹數(shù)據(jù)，為理論分析和數(shù)值模擬提供依據(jù)。數(shù)值模擬法：利用有限元軟件，建立路基凍脹的數(shù)值模型，模擬溫度場、水分場和應力場的耦合作用，分析不同因素對凍脹的影響規(guī)律。在數(shù)值模型中，考慮路基土的物理力學性質(zhì)、邊界條件、初始條件等因素，通過輸入不同的參數(shù)，如氣溫、降水、土質(zhì)參數(shù)等，模擬不同工況下路基的凍脹過程。通過對模擬結果的分析，深入了解凍脹的發(fā)生發(fā)展機制，預測不同條件下路基凍脹的變形量和應力分布，為工程設計和防治措施的制定提供參考。現(xiàn)場監(jiān)測法：在季凍區(qū)的實際道路工程中，布置監(jiān)測設備，實時監(jiān)測路基的凍脹變形、溫度、濕度等參數(shù)。采用光纖傳感器、位移計、溫度計、濕度計等設備，對路基進行長期、連續(xù)的監(jiān)測。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，了解路基凍脹的實際變化情況，驗證實驗研究和數(shù)值模擬的結果，及時發(fā)現(xiàn)潛在的凍脹問題，為預警分析提供實時數(shù)據(jù)支持。理論分析法：結合凍土力學、土力學等相關理論，深入分析路基凍脹的機理和影響因素。研究水分遷移、土顆粒位移、溫度變化等因素對凍脹的作用機制，建立凍脹理論模型，推導凍脹計算公式。通過理論分析，揭示凍脹的本質(zhì)規(guī)律，為實驗研究、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測提供理論指導，進一步完善季凍區(qū)路基凍脹的研究體系。1.4研究創(chuàng)新點本研究在季凍區(qū)路基凍脹特性及預警分析方面具有以下創(chuàng)新點：多因素耦合分析：綜合考慮氣候、土質(zhì)、含水量、地層結構等多因素對路基凍脹的耦合作用，區(qū)別于以往研究多側(cè)重于單一或少數(shù)因素的分析。通過室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結合，深入揭示各因素相互作用下的凍脹內(nèi)在機制。在數(shù)值模擬中，構建更全面、準確的溫度場、水分場和應力場耦合模型，充分考慮各因素之間的復雜關系，使模擬結果更貼近實際工程情況。例如，在研究中不僅分析了氣溫、降水等氣候因素單獨對凍脹的影響，還探究了在不同土質(zhì)條件下，氣候因素與含水量、地層結構等因素共同作用時對凍脹的影響規(guī)律，為路基凍脹的防治提供更具針對性的理論依據(jù)。多源數(shù)據(jù)融合預警：創(chuàng)新性地融合光纖傳感、探地雷達等多種監(jiān)測技術獲取的數(shù)據(jù)，以及氣象數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)等，運用先進的數(shù)據(jù)挖掘和機器學習算法，構建路基凍脹預警模型。該模型能夠更全面、準確地反映路基凍脹的實際情況，提高預警的準確性和可靠性。與傳統(tǒng)的基于單一監(jiān)測數(shù)據(jù)或簡單模型的預警方法不同，多源數(shù)據(jù)融合預警模型充分利用了不同監(jiān)測技術和數(shù)據(jù)來源的優(yōu)勢，彌補了單一數(shù)據(jù)的局限性。通過對大量多源數(shù)據(jù)的分析和學習，模型能夠更敏銳地捕捉到路基凍脹的早期跡象，提前發(fā)出預警，為道路管理部門采取有效的防治措施爭取更多時間。新型防治技術應用：探索新型保溫材料和路基結構形式在季凍區(qū)路基凍脹防治中的應用。例如，研究新型納米保溫材料的性能和應用效果，與傳統(tǒng)保溫材料相比，納米保溫材料具有更優(yōu)異的保溫性能和耐久性，能夠更有效地減少路基溫度波動，降低凍脹風險。同時，設計新型的路基結構，如采用多層復合結構，通過合理配置不同材料和結構層，提高路基的整體抗凍脹能力。這些新型防治技術的應用，為季凍區(qū)路基凍脹的防治提供了新的思路和方法，具有廣闊的應用前景。二、季凍區(qū)路基凍脹機理與特性2.1凍脹基本原理2.1.1土的三相組成與凍結過程土作為一種復雜的多相體系，主要由固體顆粒、水和氣體三相組成。固體顆粒是土的骨架，由各種礦物顆粒組成，其大小、形狀和排列方式?jīng)Q定了土的基本物理性質(zhì)，如孔隙率、滲透性等。水則存在于土顆粒之間的孔隙中，可分為結合水和自由水。結合水受土顆粒表面電荷的吸引，緊密吸附在土顆粒表面，具有較高的粘滯性和抗剪強度；自由水則在孔隙中自由流動，其含量和分布對土的力學性質(zhì)和凍脹特性有著重要影響。氣體填充在孔隙的剩余空間中，主要為空氣，其含量會影響土的壓縮性和滲透性。當季凍區(qū)的氣溫下降，路基土溫度逐漸降低至0℃以下時，土體開始進入凍結過程。首先，土中的自由水開始結冰，形成冰晶。由于冰的密度比水小，水結冰時體積會膨脹約9%，這一初始膨脹會對土顆粒產(chǎn)生向外的壓力。隨著凍結過程的持續(xù)，土顆粒表面的結合水也逐漸開始凍結，結合水的凍結過程較為復雜，其凍結溫度低于0℃，且與土顆粒的性質(zhì)、含水量等因素有關。在凍結過程中，土體中的孔隙結構會發(fā)生顯著變化。冰晶的生長會占據(jù)孔隙空間，導致孔隙大小和形狀改變，部分孔隙被冰晶填充，使土體的有效孔隙率降低。同時，由于水分的凍結和遷移，土顆粒之間的相對位置也會發(fā)生變化，進而影響土體的結構和力學性質(zhì)。在水分遷移過程中，一個重要的現(xiàn)象是冰透鏡體的形成。當土體中的水分在溫度梯度作用下向凍結鋒面遷移時，在凍結鋒面附近，水分會不斷聚集并凍結成冰。如果凍結鋒面的推進速度較慢，水分有足夠的時間聚集，就會在土體中形成相對較大的冰層，這些冰層呈透鏡狀，稱為冰透鏡體。冰透鏡體的形成是導致路基凍脹的關鍵因素之一，其生長會對周圍土體產(chǎn)生較大的壓力，使土體發(fā)生向上的位移，從而引起路基表面的隆起。冰透鏡體的形成與土的顆粒大小、含水量、溫度梯度以及凍結速度等因素密切相關。例如，在細粒土中，由于孔隙較小，水分遷移速度較慢，更容易形成冰透鏡體；而在粗粒土中，孔隙較大，水分遷移相對較快，冰透鏡體的形成相對困難。此外，溫度梯度越大，水分遷移的驅(qū)動力越強，越有利于冰透鏡體的形成；凍結速度越慢，水分有更多時間聚集，也會促進冰透鏡體的生長。2.1.2水分遷移與凍脹力產(chǎn)生在季凍區(qū)路基土的凍結過程中，溫度梯度是導致水分遷移的主要驅(qū)動力。當土體中存在溫度差異時，孔隙中的水分會從溫度較高的區(qū)域向溫度較低的區(qū)域遷移，即從未凍結區(qū)向凍結區(qū)遷移。這是因為溫度梯度會引起土中水的化學勢差異，水分會自發(fā)地從化學勢高的地方向化學勢低的地方流動。在水分遷移過程中，土中的孔隙結構起到了重要的作用?？紫兜拇笮　⑦B通性和曲折度會影響水分的遷移路徑和速度。較小的孔隙和曲折的孔隙通道會增加水分遷移的阻力，使水分遷移速度減慢。同時，土顆粒表面的性質(zhì)也會影響水分與土顆粒之間的相互作用，進而影響水分遷移。例如，親水性較強的土顆粒表面會吸附更多的水分，阻礙水分的遷移。隨著水分不斷向凍結區(qū)遷移并在凍結鋒面處凍結成冰，冰透鏡體逐漸形成并不斷生長。冰透鏡體的生長對周圍土體產(chǎn)生了巨大的壓力，這就是凍脹力的主要來源。凍脹力的大小與冰透鏡體的體積、生長速度以及周圍土體的約束條件等因素有關。冰透鏡體的體積越大，生長速度越快，產(chǎn)生的凍脹力就越大。而周圍土體的約束條件則決定了凍脹力的作用效果，如果周圍土體的剛度較大，能夠提供較強的約束，凍脹力就會使土體產(chǎn)生較大的應力和變形；反之，如果周圍土體的剛度較小，約束較弱，凍脹力可能會導致土體的破壞。凍脹力對路基結構的影響是多方面的。在宏觀上，凍脹力會使路基表面產(chǎn)生不均勻的隆起，導致路面出現(xiàn)裂縫、坑洼等病害。當凍脹力超過路面結構的承載能力時，路面會發(fā)生斷裂，嚴重影響道路的平整度和行車舒適性。在微觀上，凍脹力會改變路基土的內(nèi)部結構，使土顆粒之間的接觸狀態(tài)發(fā)生變化，導致土體的力學性質(zhì)惡化。例如，凍脹力可能會使土顆粒之間的膠結作用減弱，土體的強度降低，在車輛荷載的反復作用下，路基更容易發(fā)生變形和破壞。此外，凍脹力還會對路基中的排水系統(tǒng)、管線等附屬設施造成破壞，影響其正常運行。2.2凍脹特性分析2.2.1時間特性路基凍脹隨時間的變化呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性規(guī)律，與當?shù)氐臍夂驐l件密切相關。以我國東北地區(qū)的季凍區(qū)為例，冬季從11月開始，氣溫迅速下降，路基土逐漸進入凍結狀態(tài)，凍脹現(xiàn)象開始出現(xiàn)并逐漸發(fā)展。在整個冬季，凍脹過程可分為三個階段：初始凍結階段、快速凍脹階段和穩(wěn)定凍脹階段。在初始凍結階段，一般從11月上旬至12月上旬，氣溫剛剛降至0℃以下，路基表面的土體開始凍結，此時凍結深度較淺，水分遷移量較小，凍脹量增長較為緩慢。隨著氣溫持續(xù)降低，進入快速凍脹階段，大約從12月上旬至次年2月，這一階段氣溫較低，凍結鋒面不斷向路基深處推進，水分大量向凍結區(qū)遷移并在凍結鋒面處凍結成冰，冰透鏡體迅速生長，導致凍脹量快速增加。據(jù)相關監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在這一階段，路基的凍脹速率可達每天0.5-1.5mm。到了2月至3月，進入穩(wěn)定凍脹階段，此時氣溫雖仍較低，但凍結深度基本達到最大，水分遷移逐漸減弱，凍脹量增長趨于平緩，路基處于相對穩(wěn)定的凍脹狀態(tài)。春季氣溫回升，大約從3月中旬開始，路基土進入融化階段，凍脹現(xiàn)象逐漸減弱。融化過程也可分為三個階段：表層融化階段、快速融化階段和完全融化階段。在表層融化階段，路基表面的凍土首先開始融化，形成一層融化層，此時融化深度較淺，融沉量較小。隨著氣溫升高，進入快速融化階段，融化鋒面迅速向下推進，大量凍土融化，土體強度降低，在自身重力和車輛荷載的作用下，路基發(fā)生沉降，即融沉現(xiàn)象。在快速融化階段，融沉速率較快，可達每天1-2mm。到了4月下旬至5月，進入完全融化階段，路基土基本全部融化，融沉過程結束，路基恢復到正常狀態(tài)。但由于凍脹融沉過程對路基結構的破壞，此時路基的承載能力可能會有所下降，需要進行必要的維護和修復。夏季和秋季，氣溫較高，路基土處于非凍結狀態(tài)，凍脹融沉現(xiàn)象基本不存在。但在這兩個季節(jié)，路基會受到降雨、車輛荷載等因素的影響，其物理力學性質(zhì)可能會發(fā)生變化，為下一個冬季的凍脹過程埋下隱患。例如，夏季降雨較多，若路基排水不暢，會導致路基土含水量增加，在冬季凍結時，凍脹量可能會增大。2.2.2空間特性路基凍脹在橫斷面上呈現(xiàn)出明顯的不均勻分布特征。一般來說，路面中心部位的凍脹量較大，而路肩部位的凍脹量相對較小。這是因為路面中心部位受到路面結構的覆蓋，熱量散失較慢，凍結深度相對較深，水分遷移和冰透鏡體生長更為明顯，從而導致凍脹量較大。而路肩部位暴露在空氣中，熱量散失較快，凍結深度較淺，水分遷移量相對較少，凍脹量也較小。在縱向斷面上，凍脹量也存在差異。通常，地勢較低的路段凍脹量較大，而地勢較高的路段凍脹量較小。這是因為地勢較低的路段容易積水，地下水位較高，路基土的含水量較大，在凍結過程中，水分遷移和凍脹作用更為強烈。此外，在路基與橋梁、涵洞等結構物的連接處，凍脹差異也較為明顯。由于結構物的熱傳導性能與路基土不同，在冬季，結構物周圍的土體凍結速度和凍脹情況與路基主體存在差異，容易在連接處產(chǎn)生不均勻凍脹，導致路面出現(xiàn)裂縫、錯臺等病害。不同部位凍脹差異的原因主要與土質(zhì)、含水量、溫度和排水條件等因素有關。在土質(zhì)方面，粉質(zhì)黏土等細粒土的凍脹敏感性較高，容易產(chǎn)生較大的凍脹量；而砂土等粗粒土的凍脹敏感性較低，凍脹量相對較小。含水量是影響凍脹的關鍵因素之一，含水量越高，凍脹潛力越大。溫度分布的不均勻性也會導致凍脹差異，溫度較低的部位凍結深度深，凍脹作用強。排水條件良好的路段，水分能夠及時排出，凍脹量相對較小；而排水不暢的路段，水分積聚，凍脹量會增大。例如，在某季凍區(qū)道路工程中，對路基橫斷面不同位置的凍脹量進行監(jiān)測，結果顯示路面中心的凍脹量比路肩部位高出30%-50%。在縱向斷面上，地勢較低處的凍脹量比地勢較高處高出2-3倍。在路基與橋梁連接處，由于溫度和排水條件的差異，凍脹量差異可達5-8mm，嚴重影響了道路的平整度和行車安全。2.3影響凍脹的關鍵因素2.3.1土質(zhì)因素不同土質(zhì)對路基凍脹有著顯著的影響，主要體現(xiàn)在顆粒大小和礦物成分等方面。粉土由于其顆粒粒徑一般在0.005-0.075mm之間，屬于細粒土范疇。這種顆粒大小使得粉土具有較大的比表面積，土顆粒表面能較強，對水分的吸附和保持能力較好。在凍結過程中，粉土中的水分遷移較為活躍，容易在凍結鋒面處聚集并形成冰透鏡體，從而導致較大的凍脹量。研究表明，當粉土的含水量達到一定程度時，其凍脹率可達到5%-10%，對路基的穩(wěn)定性造成嚴重威脅。例如，在東北地區(qū)的一些道路工程中，采用粉土作為路基填料時，冬季凍脹現(xiàn)象較為明顯，路面出現(xiàn)了大量的裂縫和隆起，影響了道路的正常使用。砂土的顆粒粒徑相對較大，一般在0.075-2mm之間。其孔隙較大，比表面積較小，土顆粒表面對水分的吸附力較弱。在凍結過程中，砂土中的水分遷移相對困難，不易形成連續(xù)的冰透鏡體，凍脹敏感性較低。通常情況下，砂土的凍脹率一般小于1%，在工程中常被視為相對抗凍脹的材料。如在某沿海地區(qū)的季凍區(qū)道路建設中，采用砂土作為路基的部分填料，有效地減少了凍脹病害的發(fā)生，道路的平整度和穩(wěn)定性得到了較好的保障三、季凍區(qū)路基凍脹監(jiān)測技術3.1傳統(tǒng)監(jiān)測方法3.1.1水準測量水準測量是一種經(jīng)典且常用的路基凍脹變形監(jiān)測方法，其原理基于高程測量的基本原理，通過測量不同測點之間的高差變化來確定路基的凍脹變形情況。在實際操作中，首先需要在路基監(jiān)測區(qū)域外選擇穩(wěn)定的基準點，這些基準點應不受凍脹和其他外界因素的影響，能夠提供可靠的高程基準。在路基上按照一定的間距設置觀測點，通常在路基的中心、路肩等關鍵位置進行布點，以全面獲取路基的凍脹變形信息。使用水準儀進行測量時，通過讀取水準尺上的讀數(shù)，計算出不同測點之間的高差。在監(jiān)測過程中，定期對觀測點進行測量，將每次測量得到的高差與初始測量值進行對比，從而得到路基在不同時間段的凍脹變形量。例如，某季凍區(qū)道路工程在冬季進行路基凍脹監(jiān)測時，在路基中心每隔20m設置一個觀測點，采用精密水準儀進行測量。首次測量時，各觀測點與基準點之間的高差記錄為初始值。經(jīng)過一個月的凍結期后，再次進行測量，發(fā)現(xiàn)部分觀測點與基準點之間的高差發(fā)生了變化，通過計算這些高差變化值，即可得到相應觀測點的凍脹量。水準測量的精度要求較高，通常需要達到毫米級甚至更高。為了保證測量精度，需要嚴格控制測量過程中的各項誤差。在儀器選擇上，應使用高精度的水準儀，如DS05或DS1級水準儀，這些水準儀具有較高的精度和穩(wěn)定性，能夠滿足路基凍脹監(jiān)測的要求。在測量過程中，要注意儀器的安置和調(diào)平，確保水準儀處于水平狀態(tài)，減少因儀器傾斜而產(chǎn)生的誤差。同時，要控制視線長度，避免過長的視線導致讀數(shù)誤差增大。一般來說，視線長度應控制在30-50m之間。此外，還需要對測量數(shù)據(jù)進行嚴格的平差計算和精度評定，以確保測量結果的可靠性。水準測量具有一定的優(yōu)點，其測量原理簡單易懂，操作相對簡便，不需要復雜的儀器設備和技術。測量精度較高，能夠準確地獲取路基的凍脹變形量，為路基凍脹分析提供可靠的數(shù)據(jù)支持。然而，水準測量也存在一些缺點。測量效率較低，每次測量都需要人工操作水準儀，逐個測量觀測點，對于大規(guī)模的路基監(jiān)測，需要耗費大量的時間和人力。水準測量只能獲取離散的觀測點數(shù)據(jù)，無法全面反映路基的整體凍脹變形情況，對于一些局部的凍脹變化可能無法及時發(fā)現(xiàn)。此外，水準測量受天氣和地形條件的影響較大，在惡劣的天氣條件下，如暴雨、大雪等，測量工作難以進行；在地形復雜的區(qū)域，如山區(qū)，測量的難度和誤差都會增加。3.1.2鉆孔測溫鉆孔測溫是監(jiān)測路基溫度場的重要方法，通過在路基內(nèi)鉆孔并埋設溫度傳感器，來獲取路基不同深度處的溫度信息。在進行鉆孔測溫時，首先要根據(jù)監(jiān)測目的和路基的實際情況，確定鉆孔的位置和深度。一般來說，鉆孔應布置在路基的典型部位，如路基中心、路肩等，以全面了解路基不同位置的溫度分布。鉆孔深度則應根據(jù)路基的凍深和研究需求來確定，通常要達到預計的最大凍深以下，以獲取完整的溫度場信息。在鉆孔完成后，將溫度傳感器按照預定的深度間隔安裝在鉆孔內(nèi)。常用的溫度傳感器有熱電偶、熱敏電阻等，它們具有較高的溫度測量精度和穩(wěn)定性。溫度傳感器通過導線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實時采集溫度傳感器測得的溫度數(shù)據(jù)，并進行存儲和傳輸。例如，在某季凍區(qū)鐵路路基監(jiān)測中，在路基中心每隔50cm設置一個鉆孔，鉆孔深度為3m。在每個鉆孔內(nèi)，從孔底開始，每隔20cm安裝一個熱敏電阻溫度傳感器。這些溫度傳感器通過電纜連接到數(shù)據(jù)采集箱，數(shù)據(jù)采集箱每隔1小時自動采集一次溫度數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。在數(shù)據(jù)采集分析過程中，首先要對采集到的原始溫度數(shù)據(jù)進行預處理，包括數(shù)據(jù)清洗、去噪等，以去除異常數(shù)據(jù)和噪聲干擾，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。然后，根據(jù)溫度隨時間和深度的變化關系，繪制溫度-時間曲線和溫度-深度曲線，直觀地展示路基溫度場的變化規(guī)律。通過對這些曲線的分析，可以了解路基溫度的變化趨勢、凍結鋒面的推進速度、最大凍深等信息，為路基凍脹分析提供重要依據(jù)。例如，通過分析溫度-時間曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著冬季氣溫的降低，路基表面溫度迅速下降，凍結鋒面逐漸向路基深處推進；而在春季氣溫回升時，路基表面溫度首先升高，凍結鋒面開始向上退縮。通過對溫度-深度曲線的分析，可以確定不同時刻的最大凍深，以及凍結鋒面在不同深度處的溫度變化情況。鉆孔測溫能夠直接獲取路基內(nèi)部的溫度信息，為研究路基凍脹過程中的溫度變化提供了關鍵數(shù)據(jù)。通過準確測量路基不同深度的溫度，可以了解溫度梯度對水分遷移的影響，進而深入分析凍脹機理。然而，鉆孔測溫也存在一些局限性。鉆孔過程會對路基結構造成一定的破壞，可能影響路基的穩(wěn)定性。溫度傳感器的安裝和維護較為復雜，需要專業(yè)技術人員進行操作，且傳感器在長期使用過程中可能出現(xiàn)故障，影響數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。此外，鉆孔測溫只能獲取鉆孔位置處的溫度信息，對于路基整體溫度場的分布情況，還需要結合其他監(jiān)測方法進行綜合分析。3.2新型監(jiān)測技術3.2.1光纖傳感技術光纖傳感技術是一種基于光的全反射原理和光在光纖中傳輸特性變化的先進監(jiān)測技術。在路基凍脹監(jiān)測中，其工作原理主要基于光纖的應變和溫度敏感特性。當路基發(fā)生凍脹變形時，埋設在路基內(nèi)部的光纖會隨之產(chǎn)生拉伸或壓縮應變，導致光在光纖中傳輸時的波長、相位或光強等參數(shù)發(fā)生變化。通過檢測這些光信號參數(shù)的變化，就可以準確地獲取路基的變形信息。例如，光纖布拉格光柵（FBG）傳感器是一種常用的光纖傳感器，其原理是利用光纖光柵對特定波長的光進行反射，當光纖受到應變或溫度變化時，光柵的周期會發(fā)生改變，從而導致反射光的波長發(fā)生漂移。通過檢測反射光波長的漂移量，就可以計算出光纖所受到的應變和溫度變化，進而得到路基的凍脹變形和溫度信息。分布式光纖傳感器在路基凍脹監(jiān)測中具有顯著的優(yōu)勢。它能夠?qū)崿F(xiàn)對路基沿光纖鋪設路徑上的連續(xù)分布式監(jiān)測，獲取整個監(jiān)測區(qū)域的詳細信息，而不像傳統(tǒng)點式傳感器只能提供離散點的數(shù)據(jù)。分布式光纖傳感器具有極高的靈敏度，能夠檢測到微小的應變和溫度變化，精度可達微應變級別和0.1℃以內(nèi)。這使得它能夠及時捕捉到路基凍脹的早期跡象，為提前預警提供了有力支持。此外，分布式光纖傳感器還具有抗電磁干擾能力強、耐久性好、易于安裝和維護等優(yōu)點，非常適合在復雜的路基環(huán)境中使用。在實際應用中，分布式光纖傳感器能夠準確地監(jiān)測路基的凍脹變形和溫度分布。通過在路基不同深度和位置埋設光纖，可以實時獲取路基在不同部位的凍脹和溫度變化情況。在某季凍區(qū)高速公路路基監(jiān)測項目中，采用分布式光纖傳感器對路基進行監(jiān)測，成功地捕捉到了路基在冬季凍結過程中的凍脹變形發(fā)展過程。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在凍結初期，路基表面的凍脹變形較小，隨著凍結深度的增加，凍脹變形逐漸增大，且在路基中心部位的凍脹變形明顯大于路肩部位。通過對溫度數(shù)據(jù)的分析，還可以了解到路基內(nèi)部溫度場的分布情況，以及凍結鋒面的推進速度和位置變化。這些監(jiān)測結果為深入研究路基凍脹機理和制定有效的防治措施提供了重要的數(shù)據(jù)支持。3.2.2衛(wèi)星遙感監(jiān)測衛(wèi)星遙感監(jiān)測路基凍脹主要是利用衛(wèi)星搭載的各種傳感器，如光學傳感器、雷達傳感器等，獲取路基表面的影像和數(shù)據(jù)信息。通過對這些數(shù)據(jù)的處理和分析，可以間接推斷出路基的凍脹變形情況。光學遙感通過衛(wèi)星獲取路基表面的高分辨率影像，利用圖像處理技術對影像進行分析。在凍脹區(qū)域，由于路基表面的變形和冰層覆蓋，影像的色調(diào)、紋理等特征會發(fā)生變化。通過對比不同時期的影像，識別這些變化特征，就可以初步判斷路基是否發(fā)生凍脹以及凍脹的范圍和程度。例如，在冬季，凍脹區(qū)域的路基表面可能會出現(xiàn)白色的冰層覆蓋，在光學影像上表現(xiàn)為亮度較高的區(qū)域；而在非凍脹區(qū)域，路基表面的影像特征則相對穩(wěn)定。通過對這些影像特征的分析和解譯，可以繪制出路基凍脹的分布地圖。雷達遙感則利用微波對地面的穿透能力和對物體的散射特性，獲取路基內(nèi)部的結構和變形信息。合成孔徑雷達（SAR）能夠提供高分辨率的雷達圖像，通過干涉合成孔徑雷達（InSAR）技術，可以對不同時相的雷達圖像進行干涉處理，生成干涉圖。干涉圖中的相位信息包含了路基表面的微小變形信息，通過對相位變化的分析，可以精確測量路基的凍脹變形量。InSAR技術能夠監(jiān)測到毫米級的變形，對于監(jiān)測路基凍脹的微小變化具有很高的精度。衛(wèi)星遙感監(jiān)測在大面積監(jiān)測方面具有獨特的優(yōu)勢。它可以快速獲取大面積的路基影像和數(shù)據(jù)，覆蓋范圍廣，不受地形和交通條件的限制。對于季凍區(qū)中分布廣泛的道路工程，衛(wèi)星遙感能夠在短時間內(nèi)對整個區(qū)域進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)潛在的凍脹問題。通過對長時間序列的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行分析，可以了解路基凍脹的長期趨勢。例如，通過多年的衛(wèi)星影像對比，可以觀察到路基凍脹區(qū)域的變化情況，分析凍脹現(xiàn)象的發(fā)展趨勢，為制定長期的防治策略提供依據(jù)。此外，衛(wèi)星遙感監(jiān)測還可以與其他監(jiān)測技術相結合，如地面監(jiān)測數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合分析，提高監(jiān)測結果的準確性和可靠性。三、季凍區(qū)路基凍脹監(jiān)測技術3.3監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用3.3.1監(jiān)測系統(tǒng)組成季凍區(qū)路基凍脹監(jiān)測系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成，各部分相互協(xié)作，共同實現(xiàn)對路基凍脹的全面、準確監(jiān)測。硬件部分涵蓋了傳感器、數(shù)據(jù)采集傳輸設備和供電裝置。傳感器作為監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵前端設備，負責感知路基的各項物理參數(shù)變化。光纖傳感器憑借其高精度、分布式測量的優(yōu)勢，能夠精準測量路基的應變和溫度，為分析凍脹變形和溫度場分布提供關鍵數(shù)據(jù)。在某季凍區(qū)高速公路路基監(jiān)測中，采用分布式光纖傳感器，沿路基橫斷面和縱向進行鋪設，每隔一定距離設置一個監(jiān)測點，實現(xiàn)了對路基連續(xù)、實時的監(jiān)測。土壓力傳感器則用于測量路基土體內(nèi)部的壓力變化，在凍脹過程中，土體壓力的變化與凍脹力的產(chǎn)生密切相關，通過監(jiān)測土壓力的變化，可以間接了解凍脹力的大小和分布情況。數(shù)據(jù)采集傳輸設備負責收集傳感器獲取的數(shù)據(jù)，并將其傳輸至數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)采集儀能夠?qū)Χ鄠€傳感器的數(shù)據(jù)進行同步采集，保證數(shù)據(jù)的及時性和完整性。無線傳輸模塊則利用無線網(wǎng)絡技術，如4G、LoRa等，將采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸至遠程服務器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控和管理。在一些偏遠的季凍區(qū)，由于地形復雜，有線傳輸困難，采用LoRa無線傳輸模塊，能夠有效解決數(shù)據(jù)傳輸問題，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。供電裝置為整個硬件系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電力支持。太陽能電池板是常用的供電設備之一，它能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)化為電能，存儲在蓄電池中，為傳感器、數(shù)據(jù)采集傳輸設備等提供電力。在日照充足的季凍區(qū)，太陽能電池板能夠滿足監(jiān)測系統(tǒng)的日常用電需求，且具有環(huán)保、節(jié)能的優(yōu)點。在太陽能不足時，也可配備市電供電系統(tǒng)作為備用電源，以保證監(jiān)測系統(tǒng)的持續(xù)運行。軟件部分包括數(shù)據(jù)處理分析軟件和監(jiān)測管理平臺。數(shù)據(jù)處理分析軟件負責對采集到的原始數(shù)據(jù)進行處理和分析，去除噪聲干擾，提取有用信息，并進行數(shù)據(jù)的可視化展示。通過數(shù)據(jù)處理分析軟件，可以繪制路基凍脹變形隨時間的變化曲線、溫度場分布圖等，直觀地呈現(xiàn)路基凍脹的發(fā)展趨勢和空間分布特征。在對某季凍區(qū)鐵路路基監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析時，利用數(shù)據(jù)處理分析軟件，能夠快速準確地計算出不同監(jiān)測點的凍脹量和凍脹速率，為凍脹預警提供數(shù)據(jù)支持。監(jiān)測管理平臺則用于實現(xiàn)對監(jiān)測系統(tǒng)的遠程管理和控制，包括傳感器的參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集頻率的調(diào)整、監(jiān)測設備的狀態(tài)監(jiān)測等。通過監(jiān)測管理平臺，操作人員可以實時了解監(jiān)測系統(tǒng)的運行情況，及時發(fā)現(xiàn)并解決設備故障，保證監(jiān)測工作的順利進行。在某季凍區(qū)公路路基監(jiān)測項目中，監(jiān)測人員通過監(jiān)測管理平臺，能夠遠程查看各個監(jiān)測點的實時數(shù)據(jù)，對監(jiān)測設備進行遠程維護和管理，提高了監(jiān)測工作的效率和可靠性。硬件和軟件部分相互協(xié)作，硬件設備采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集傳輸設備傳輸至軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理分析，并將分析結果反饋給操作人員，操作人員通過監(jiān)測管理平臺對硬件設備進行控制和管理，形成了一個完整的閉環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)。3.3.2監(jiān)測點布置原則監(jiān)測點在路基橫斷面上的布置應充分考慮路基的結構特點和凍脹的空間分布特性。在路基中心位置，由于其處于路面結構的覆蓋之下，熱量散失相對較慢，凍結深度通常較深，凍脹現(xiàn)象較為明顯，因此需設置監(jiān)測點以準確獲取最大凍脹量的信息。在路肩部位，雖然其凍脹量相對較小，但作為路基的邊緣部分，其凍脹變形情況對路基的整體穩(wěn)定性也有一定影響，同樣需要布置監(jiān)測點。對于路面寬度較大的路基，還應在路面兩側(cè)的中間位置增設監(jiān)測點，以全面掌握路基橫斷面不同位置的凍脹差異。在縱斷面上，監(jiān)測點的布置應根據(jù)不同路段的特點進行合理規(guī)劃。對于地勢較低的路段，由于容易積水，地下水位較高，路基土的含水量相對較大，在凍結過程中凍脹作用更為強烈，因此應適當加密監(jiān)測點。在路基與橋梁、涵洞等結構物的連接處，由于結構物與路基的材料和熱傳導性能不同，在凍融過程中容易產(chǎn)生不均勻凍脹，導致路面出現(xiàn)裂縫、錯臺等病害，所以必須在這些連接處設置監(jiān)測點，重點監(jiān)測不均勻凍脹的情況。對于直線段的路基，可按照一定的間距均勻布置監(jiān)測點，一般間距為50-100m，以獲取路基縱向的凍脹變化趨勢。不同地質(zhì)條件下，監(jiān)測點的布置也需做出相應調(diào)整。在粉質(zhì)黏土等凍脹敏感性較高的土質(zhì)路段，應增加監(jiān)測點的數(shù)量，以便更細致地監(jiān)測凍脹的發(fā)展過程。而在砂土等凍脹敏感性較低的路段，監(jiān)測點的布置可相對稀疏。在存在地下水的路段，應在地下水位變化較大的區(qū)域以及可能受到地下水影響的路基部位設置監(jiān)測點，監(jiān)測地下水對路基凍脹的影響。在巖石地基路段，雖然凍脹現(xiàn)象相對較輕，但由于巖石與土體的結合部位可能存在凍脹差異，仍需在結合部位附近設置監(jiān)測點。3.3.3工程案例分析以東北地區(qū)某季凍區(qū)高速公路為例，該路段全長10km，穿越多種地質(zhì)條件，包括粉質(zhì)黏土、砂土和巖石地基等。為了全面監(jiān)測路基凍脹情況，在該路段設置了一套完善的監(jiān)測系統(tǒng)。在監(jiān)測系統(tǒng)組成方面，硬件部分采用了分布式光纖傳感器、土壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、無線傳輸模塊和太陽能電池板。分布式光纖傳感器沿路基橫斷面和縱向進行鋪設，在路基中心、路肩以及路面兩側(cè)中間位置共設置了5個監(jiān)測點，以監(jiān)測路基不同位置的應變和溫度。土壓力傳感器則埋設在路基土體內(nèi)部，用于測量土壓力變化。數(shù)據(jù)采集儀負責采集傳感器的數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)實時傳輸至遠程服務器。太陽能電池板為整個硬件系統(tǒng)提供電力支持。軟件部分使用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理分析軟件和監(jiān)測管理平臺。數(shù)據(jù)處理分析軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行處理、分析和可視化展示，繪制凍脹變形曲線、溫度場分布圖等。監(jiān)測管理平臺實現(xiàn)對監(jiān)測系統(tǒng)的遠程管理和控制，操作人員可以通過平臺實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)、調(diào)整監(jiān)測參數(shù)。監(jiān)測點布置遵循了上述原則。在橫斷面上，在路基中心、路肩和路面兩側(cè)中間位置設置監(jiān)測點。在縱斷面上，在地勢較低的路段、路基與橋梁連接處以及直線段按照不同間距布置監(jiān)測點。對于粉質(zhì)黏土路段，加密了監(jiān)測點；而在砂土路段，監(jiān)測點布置相對稀疏。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)該路段路基凍脹呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化規(guī)律。在冬季，隨著氣溫下降，路基開始凍結，凍脹量逐漸增大，在1-2月達到最大值。其中，粉質(zhì)黏土路段的凍脹量明顯大于砂土路段，最大凍脹量出現(xiàn)在路基中心位置，達到50mm。在路基與橋梁連接處，不均勻凍脹現(xiàn)象較為明顯，差異凍脹量可達10-15mm。在春季氣溫回升時，路基開始融化，凍脹量逐漸減小，但由于凍脹融沉過程對路基結構的破壞，路基的承載能力有所下降。該監(jiān)測系統(tǒng)的應用，為該路段路基凍脹的防治提供了重要依據(jù)。通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，道路管理部門能夠及時了解路基凍脹情況，提前采取預防措施，如加強路基保溫、改善排水系統(tǒng)等，有效減少了凍脹病害的發(fā)生，保障了道路的安全運營。四、季凍區(qū)路基凍脹預警模型與方法4.1預警指標體系構建4.1.1指標選取原則構建路基凍脹預警指標體系時，需遵循一系列科學原則，以確保預警的準確性和有效性?？茖W性原則是指標選取的基石。所選指標應基于扎實的凍土力學、土力學等理論基礎，準確反映路基凍脹的內(nèi)在機制和發(fā)展規(guī)律。例如，在考慮溫度指標時，依據(jù)凍土的熱傳導理論，選取路基不同深度處的溫度作為指標，能夠科學地揭示溫度變化對水分遷移和凍脹的影響。這是因為溫度是導致路基凍脹的關鍵因素之一，其變化直接影響水分的狀態(tài)和遷移路徑，進而影響凍脹的發(fā)生和發(fā)展。代表性原則要求指標能夠全面、突出地反映路基凍脹的主要特征和影響因素。凍脹變形是路基凍脹的直接表現(xiàn)，選擇路基表面的凍脹變形量作為指標，能直觀地體現(xiàn)凍脹的程度和發(fā)展趨勢。同時，含水量對凍脹有著至關重要的影響，它是水分遷移和冰透鏡體形成的物質(zhì)基礎，因此將路基土的含水量作為指標，可有效反映水分因素對凍脹的作用。可獲取性原則確保所選指標的數(shù)據(jù)能夠通過實際監(jiān)測、試驗或已有資料方便地獲取。在實際工程中，溫度、變形等指標可通過埋設溫度計、位移計等傳感器進行直接監(jiān)測。對于一些難以直接測量的指標，如土壤的礦物成分等，可通過查閱地質(zhì)勘察報告等已有資料來獲取。這樣既能保證指標數(shù)據(jù)的可靠性，又能降低數(shù)據(jù)采集的成本和難度。獨立性原則強調(diào)各指標之間應相對獨立，避免信息的重復和冗余。溫度和凍脹變形雖然都與路基凍脹密切相關，但它們反映的是凍脹過程中的不同方面，溫度主要影響水分遷移和凍結，而凍脹變形則是凍脹的最終結果，二者相互獨立，能夠從不同角度為預警提供信息。通過確保指標的獨立性，可以提高預警模型的效率和準確性，避免因指標之間的相關性而導致的信息干擾。4.1.2確定預警指標溫度指標：路基不同深度處的溫度是影響凍脹的關鍵因素。在冬季，隨著氣溫下降，路基土溫度逐漸降低，當溫度降至0℃以下時，土體中的水分開始凍結，從而引發(fā)凍脹。因此，監(jiān)測路基表面、路基內(nèi)部不同深度（如0.5m、1m、1.5m等）的溫度變化，對于預測凍脹的發(fā)生和發(fā)展具有重要意義。通過對大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)當路基表面溫度連續(xù)多日低于-5℃，且路基內(nèi)部一定深度（如1m）處的溫度也持續(xù)下降并接近0℃時，凍脹發(fā)生的可能性顯著增加?；诖?，設定預警閾值為：當路基表面溫度連續(xù)3日低于-5℃，且1m深度處溫度低于-2℃時，發(fā)出預警信號。這一閾值的設定是綜合考慮了當?shù)氐臍夂驐l件、路基土的熱物理性質(zhì)以及以往工程經(jīng)驗得出的，能夠較為準確地預測凍脹的發(fā)生。凍脹變形指標：路基表面的凍脹變形量直接反映了凍脹的程度。通過水準測量、光纖傳感等監(jiān)測技術，可以實時獲取路基不同位置的凍脹變形數(shù)據(jù)。根據(jù)對實際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，當路基表面的凍脹變形量達到10mm時，路面就可能出現(xiàn)輕微裂縫；當變形量達到20mm時，路面裂縫會進一步發(fā)展，影響行車安全。因此，將凍脹變形量的預警閾值設定為10mm，當監(jiān)測到路基表面某點的凍脹變形量超過該閾值時，即可發(fā)出預警，提醒相關部門及時采取措施，防止凍脹進一步發(fā)展對路面造成嚴重破壞。含水量指標：路基土的含水量是決定凍脹大小的重要因素之一。含水量越高，在凍結過程中形成冰透鏡體的可能性越大，凍脹量也越大。通過定期采集路基土樣，使用烘干法、水分傳感器等方法測定含水量。研究表明，當路基土的含水量超過最優(yōu)含水量的1.2倍時，凍脹風險明顯增加。例如，某季凍區(qū)路基土的最優(yōu)含水量為18%，則當含水量超過18%×1.2=21.6%時，應發(fā)出預警，此時需關注路基的凍脹情況，及時采取排水等措施，降低含水量，減少凍脹風險。地下水位指標：地下水位的高低直接影響路基土的含水量。當?shù)叵滤惠^高時，水分容易滲入路基，增加路基土的含水量，從而加劇凍脹。通過在路基附近設置地下水位監(jiān)測井，使用水位計等設備監(jiān)測地下水位的變化。當監(jiān)測到地下水位距離路基底面小于1m時，凍脹風險顯著增大。因此，將地下水位距離路基底面1m作為預警閾值，一旦地下水位達到或超過該閾值，就需要采取相應的措施，如設置排水設施，降低地下水位，以減輕凍脹對路基的影響。四、季凍區(qū)路基凍脹預警模型與方法4.2預警模型建立4.2.1基于經(jīng)驗公式的預警模型經(jīng)驗公式預警模型是根據(jù)大量的試驗數(shù)據(jù)和工程實踐經(jīng)驗建立起來的，其原理是通過對影響路基凍脹的主要因素進行分析，找出這些因素與凍脹量之間的定量關系，從而建立起能夠預測凍脹量的經(jīng)驗公式。在實際應用中，常見的經(jīng)驗公式如基于溫度和含水量的凍脹預測公式。以某地區(qū)的研究為例，根據(jù)多年的監(jiān)測數(shù)據(jù)和試驗分析，得出該地區(qū)路基凍脹量與平均凍結溫度、路基土初始含水量之間的經(jīng)驗公式為：\DeltaH=k_1T+k_2w+k_3其中，\DeltaH為凍脹量（mm），T為平均凍結溫度（℃），w為路基土初始含水量（%），k_1、k_2、k_3為經(jīng)驗系數(shù)，通過對當?shù)卮罅繑?shù)據(jù)的回歸分析確定。在使用該公式時，首先需要實時監(jiān)測平均凍結溫度和路基土初始含水量，將監(jiān)測數(shù)據(jù)代入公式中，即可計算出預測的凍脹量。當計算得到的凍脹量超過設定的預警閾值時，系統(tǒng)會發(fā)出預警信號。經(jīng)驗公式預警模型具有計算簡單、易于理解和應用的優(yōu)點。它不需要復雜的數(shù)學模型和大量的計算資源，能夠快速地對路基凍脹進行預測。在一些對精度要求不是特別高的工程中，經(jīng)驗公式預警模型能夠為工程人員提供及時的預警信息，幫助他們采取相應的防治措施。然而，該模型也存在明顯的局限性。經(jīng)驗公式通常是基于特定地區(qū)的試驗數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗建立的，其適用范圍有限，當應用于其他地區(qū)或不同地質(zhì)條件的工程時，可能會出現(xiàn)較大的誤差。經(jīng)驗公式難以全面考慮影響路基凍脹的所有因素，對于一些復雜的情況，如多種因素的耦合作用、特殊的地質(zhì)條件等，模型的預測精度會受到很大影響。4.2.2基于機器學習的預警模型以BP神經(jīng)網(wǎng)絡為例，其在凍脹預警中的建模過程較為復雜。首先，需要收集大量與路基凍脹相關的數(shù)據(jù)，包括溫度、含水量、地下水位、凍脹變形等歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)。然后，對這些數(shù)據(jù)進行預處理，包括數(shù)據(jù)清洗、歸一化等操作，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和模型的訓練效果。在確定網(wǎng)絡結構時，需要根據(jù)問題的復雜程度和數(shù)據(jù)特點，確定輸入層、隱藏層和輸出層的神經(jīng)元數(shù)量。一般來說，輸入層神經(jīng)元數(shù)量對應于輸入變量的個數(shù)，如溫度、含水量等因素的數(shù)量；隱藏層神經(jīng)元數(shù)量則需要通過試驗和優(yōu)化來確定，過多或過少的隱藏層神經(jīng)元都可能影響模型的性能。輸出層神經(jīng)元數(shù)量通常為1，即預測的凍脹量。在模型訓練階段，將預處理后的數(shù)據(jù)分為訓練集和測試集。使用訓練集對BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，通過反向傳播算法不斷調(diào)整網(wǎng)絡的權重和偏置，使得網(wǎng)絡的預測輸出與實際輸出之間的誤差最小。在訓練過程中，需要設置合適的學習率、迭代次數(shù)等參數(shù)，以保證模型能夠收斂到較好的解。訓練完成后，使用測試集對模型進行評估，計算模型的預測誤差、準確率等指標，以驗證模型的性能。支持向量機（SVM）也是一種常用的機器學習模型。在凍脹預警中，其原理是通過尋找一個最優(yōu)的超平面，將不同類別的數(shù)據(jù)分開。對于凍脹預警問題，可以將凍脹量分為不同的類別，如正常、輕微凍脹、嚴重凍脹等。SVM通過將輸入數(shù)據(jù)映射到高維特征空間，在這個空間中尋找最優(yōu)超平面，使得不同類別之間的間隔最大化。在建模過程中，需要選擇合適的核函數(shù)，如線性核、多項式核、徑向基核（RBF核）等，以將數(shù)據(jù)映射到合適的特征空間。同時，還需要調(diào)整SVM的參數(shù)，如懲罰參數(shù)C等，以優(yōu)化模型的性能。實際應用效果表明，基于機器學習的預警模型在季凍區(qū)路基凍脹預警中具有較高的精度和可靠性。在某季凍區(qū)高速公路的監(jiān)測中，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡和SVM模型對路基凍脹進行預警，通過與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)模型能夠準確地預測凍脹量的變化趨勢，提前發(fā)出預警信號，為道路管理部門采取防治措施提供了充足的時間。然而，機器學習模型也存在一些問題，如模型的訓練需要大量的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)收集和預處理的工作量較大；模型的解釋性較差，難以直觀地理解模型的決策過程。4.3預警方法與流程4.3.1數(shù)據(jù)處理與分析在季凍區(qū)路基凍脹監(jiān)測中，獲取的原始數(shù)據(jù)往往包含各種噪聲和異常值，這些干擾因素會嚴重影響數(shù)據(jù)的質(zhì)量和后續(xù)分析的準確性，因此需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預處理。采用濾波算法去除數(shù)據(jù)中的高頻噪聲，常用的濾波方法有均值濾波、中值濾波等。均值濾波通過計算數(shù)據(jù)窗口內(nèi)的平均值來平滑數(shù)據(jù)，能夠有效減少隨機噪聲的影響。中值濾波則是用數(shù)據(jù)窗口內(nèi)的中值代替中心值，對于去除脈沖噪聲具有較好的效果。在處理光纖傳感器監(jiān)測到的溫度數(shù)據(jù)時，由于環(huán)境干擾等因素，數(shù)據(jù)中可能存在一些尖峰噪聲，通過中值濾波處理后，能夠使溫度數(shù)據(jù)更加平穩(wěn)，準確反映路基內(nèi)部的溫度變化情況。利用統(tǒng)計分析方法對數(shù)據(jù)進行初步分析，計算數(shù)據(jù)的均值、方差、最大值、最小值等統(tǒng)計特征，以了解數(shù)據(jù)的整體分布情況。在分析路基凍脹變形數(shù)據(jù)時，通過計算均值可以得到該路段在一定時間段內(nèi)的平均凍脹量，方差則反映了凍脹量的離散程度，最大值和最小值能夠直觀地展示凍脹量的變化范圍。這些統(tǒng)計特征有助于快速掌握數(shù)據(jù)的基本信息，為后續(xù)深入分析提供基礎。采用數(shù)據(jù)挖掘技術從大量數(shù)據(jù)中提取有效信息。關聯(lián)規(guī)則挖掘可以發(fā)現(xiàn)不同監(jiān)測指標之間的潛在關系，如通過分析溫度、含水量和凍脹變形數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)規(guī)則，發(fā)現(xiàn)當溫度低于某一閾值且含水量超過一定范圍時，凍脹變形量會顯著增加。聚類分析則可以將數(shù)據(jù)按照相似性進行分組，從而發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的潛在模式。在對不同路段的路基監(jiān)測數(shù)據(jù)進行聚類分析時，能夠?qū)⒕哂邢嗨苾雒浱匦缘穆范螝w為一類，為針對性地制定預警策略提供依據(jù)。利用機器學習算法進行數(shù)據(jù)預測和分析，如時間序列分析算法可以對路基凍脹變形隨時間的變化進行預測。在實際應用中，通過收集歷史凍脹變形數(shù)據(jù)，采用ARIMA（自回歸積分滑動平均模型）等時間序列分析算法，對未來一段時間內(nèi)的凍脹變形趨勢進行預測，提前發(fā)現(xiàn)潛在的凍脹風險。機器學習算法還可以用于建立凍脹影響因素與凍脹量之間的預測模型，通過訓練模型，輸入實時監(jiān)測的影響因素數(shù)據(jù)，即可預測出相應的凍脹量，為預警提供更準確的依據(jù)。4.3.2預警流程設計實時監(jiān)測是預警流程的基礎環(huán)節(jié)。通過在路基上布置的各類傳感器，如光纖傳感器、土壓力傳感器、位移計等，持續(xù)、不間斷地采集路基的溫度、濕度、變形、土壓力等物理參數(shù)數(shù)據(jù)。在某季凍區(qū)高速公路路基監(jiān)測中，光纖傳感器每隔10分鐘采集一次溫度和應變數(shù)據(jù)，位移計則實時監(jiān)測路基表面的位移變化，確保能夠及時捕捉到路基狀態(tài)的任何微小變化。這些傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集傳輸設備，如無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)采集儀等，按照設定的頻率和通信協(xié)議，快速、準確地傳輸至數(shù)據(jù)處理中心。在一些偏遠的季凍區(qū)，采用4G或LoRa無線傳輸技術，克服了地理環(huán)境的限制，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心后，利用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理分析軟件對數(shù)據(jù)進行處理和分析。首先對數(shù)據(jù)進行清洗和預處理，去除噪聲和異常值，然后根據(jù)預警指標體系，計算各項預警指標的值。在計算凍脹變形指標時，將位移計監(jiān)測到的位移數(shù)據(jù)與初始值進行對比，計算出凍脹變形量；對于溫度指標，對溫度計采集到的不同深度的溫度數(shù)據(jù)進行分析，判斷是否達到預警閾值。通過數(shù)據(jù)挖掘和機器學習算法，對數(shù)據(jù)進行深度分析，挖掘數(shù)據(jù)之間的潛在關系和規(guī)律，預測路基凍脹的發(fā)展趨勢。利用時間序列分析算法預測未來一段時間內(nèi)的凍脹變形量，為預警提供更具前瞻性的信息。根據(jù)分析結果，依據(jù)預先設定的預警閾值和預警規(guī)則，對路基凍脹的風險程度進行評估。當計算得到的預警指標值超過相應的預警閾值時，系統(tǒng)會自動判斷為存在凍脹風險，并根據(jù)風險程度進行分級。一般將預警級別分為輕度預警、中度預警和重度預警。輕度預警表示凍脹風險較低，但需要密切關注；中度預警表示凍脹風險較高，可能會對路基結構造成一定影響，需要采取相應的預防措施；重度預警則表示凍脹風險極高，可能會導致路基嚴重損壞，需要立即采取緊急措施。在某季凍區(qū)鐵路路基監(jiān)測中，當監(jiān)測到路基表面的凍脹變形量達到10mm時，系統(tǒng)發(fā)出輕度預警；當變形量達到15mm時，發(fā)出中度預警；當變形量達到20mm時，發(fā)出重度預警。一旦確定存在凍脹風險且達到預警級別，預警系統(tǒng)會通過多種方式及時發(fā)布預警信息。通過短信平臺向道路管理部門的相關負責人發(fā)送預警短信，短信內(nèi)容包括預警級別、預警時間、預警位置以及建議采取的措施等。在某季凍區(qū)公路預警系統(tǒng)中，當發(fā)出中度預警時，短信內(nèi)容為“[具體路段]于[預警時間]出現(xiàn)中度凍脹預警，當前凍脹變形量已達15mm，請及時安排人員進行現(xiàn)場檢查，并采取加強路基保溫等措施”。同時，在監(jiān)測管理平臺上以醒目的顏色和提示信息展示預警情況，方便管理人員實時查看。對于重要路段或高風險區(qū)域，還會通過廣播、電子顯示屏等方式向過往車輛和行人發(fā)布預警信息，提醒注意交通安全。五、季凍區(qū)路基凍脹防治措施5.1工程案例分析5.1.1案例介紹以東北地區(qū)某季凍區(qū)二級公路為例，該公路全長30km，建于2010年，途徑多種地形地貌，部分路段穿越河流沖積平原，地下水位較高。在建成通車后的幾年里，每到冬季，路基就出現(xiàn)了嚴重的凍脹病害。路面出現(xiàn)大量縱向和橫向裂縫，部分裂縫寬度超過5cm，深度達10-15cm，嚴重影響了路面的平整度和行車舒適性。在一些路段，路面還出現(xiàn)了明顯的隆起，隆起高度最高可達30cm，形成了高低不平的路面狀況，車輛行駛時顛簸劇烈，甚至出現(xiàn)了車輛失控的危險情況。此外，在路基與橋梁的連接處，由于不均勻凍脹，出現(xiàn)了錯臺現(xiàn)象，錯臺高度達到5-8cm，不僅影響行車安全，還加速了路面和橋梁結構的損壞。這些凍脹病害導致道路的維修頻率大幅增加，每年的維修費用高達數(shù)百萬元，嚴重影響了道路的正常使用和經(jīng)濟效益。5.1.2凍脹原因分析從土質(zhì)方面來看，該路段部分路基采用粉質(zhì)黏土作為填料，粉質(zhì)黏土顆粒細小，比表面積大，對水分的吸附能力強。在冬季凍結過程中，粉質(zhì)黏土中的水分遷移活躍，容易在凍結鋒面處聚集形成冰透鏡體，從而導致較大的凍脹量。研究表明，粉質(zhì)黏土的凍脹敏感性是砂土的3-5倍，該路段粉質(zhì)黏土的含量較高，這是凍脹病害嚴重的重要原因之一。水分因素也是導致凍脹的關鍵。該路段地下水位較高，平均地下水位距離路基底面僅1.5m。在冬季，地下水在溫度梯度的作用下向路基上部遷移，增加了路基土的含水量，為凍脹提供了充足的水分來源。同時，該地區(qū)年降水量較大，且集中在夏季和秋季，降水通過路面和路肩滲入路基，進一步增加了路基土的含水量。此外，路基排水系統(tǒng)不完善，部分路段的排水管道堵塞，導致路基內(nèi)的水分無法及時排出，加劇了凍脹病害的發(fā)展。溫度變化對凍脹也有重要影響。該地區(qū)冬季寒冷，最低氣溫可達-30℃，且凍結期長達5個月。在這樣的低溫條件下，路基土的凍結速度快，凍結深度深，最大凍深可達2.5m。快速的凍結過程使得水分來不及均勻分布，容易在局部區(qū)域形成冰透鏡體，從而導致凍脹不均勻。此外，晝夜溫差大，白天溫度較高時，路基表面的凍土會部分融化，而夜間溫度降低又會重新凍結，這種反復的凍融循環(huán)進一步加劇了路基的凍脹破壞。5.1.3防治措施實施效果針對該路段的路基凍脹問題，采取了多種防治措施。在換填法方面，將路基上部0.8m范圍內(nèi)的粉質(zhì)黏土全部換填為砂性土。砂性土顆粒較大，孔隙率高，透水性好，水分遷移困難，不易產(chǎn)生凍脹。換填后，路基土的凍脹敏感性顯著降低。通過室內(nèi)凍脹試驗對比，在相同的凍結條件下，換填砂性土的凍脹率比粉質(zhì)黏土降低了60%-80%。在實際工程中，經(jīng)過一個冬季的監(jiān)測，換填路段的凍脹量明顯減小，路面裂縫和隆起現(xiàn)象得到了有效控制。采用隔溫法，在路基表面鋪設5cm厚的聚苯乙烯泡沫板作為保溫層。聚苯乙烯泡沫板具有良好的保溫性能，導熱系數(shù)低，能夠有效減少路基與外界的熱量交換，降低路基的凍結深度。通過數(shù)值模擬分析，鋪設保溫層后，路基的凍結深度減少了0.5-0.8m。在現(xiàn)場監(jiān)測中，也發(fā)現(xiàn)鋪設保溫層的路段凍脹量明顯降低，路面的平整度得到了較好的保持。在排水法方面，對路基排水系統(tǒng)進行了全面改造。增設了橫向排水溝，每隔20m設置一道，溝深0.6m，溝寬0.4m，并采用直徑0.3m的波紋管作為排水管，將路基內(nèi)的水分及時排出。同時，加深了縱向排水溝，使其深度達到1.2m，寬度達到0.8m，以提高排水能力。此外，在路基底部設置了土工布反濾層，防止排水過程中土顆粒流失。經(jīng)過改造后，路基內(nèi)的地下水位明顯降低，平均下降了0.8m，路基土的含水量也顯著減少。通過監(jiān)測，排水改造后的路段凍脹病害得到了有效緩解，路面的損壞程度明顯減輕。綜合采取這些防治措施后，該路段的路基凍脹病害得到了有效治理。路面裂縫和隆起現(xiàn)象大幅減少，行車舒適性和安全性得到了顯著提高。經(jīng)過連續(xù)兩年的監(jiān)測，路面的凍脹變形量控制在了5mm以內(nèi)，達到了預期的防治效果。道路的維修頻率明顯降低，每年的維修費用減少了約70%，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。五、季凍區(qū)路基凍脹防治措施5.2防治措施優(yōu)化建議5.2.1基于監(jiān)測與預警的動態(tài)防治基于實時監(jiān)測和預警結果，應制定一套動態(tài)調(diào)整防治措施的策略，以提高防治工作的針對性和有效性。當監(jiān)測系統(tǒng)檢測到路基的凍脹變形量接近預警閾值時，可采取預防性的保溫措施，如在路基表面鋪設額外的保溫材料，增強路基的保溫性能，減少熱量散失，降低凍脹風險。若預警顯示凍脹變形量持續(xù)增加且超過預警閾值，應立即采取緊急排水措施，如加大排水系統(tǒng)的抽排力度，降低路基土的含水量，減少水分遷移和冰透鏡體的形成，從而抑制凍脹的進一步發(fā)展。在不同預警級別下，應實施不同的防治措施。對于輕度預警，可加強監(jiān)測頻率，密切關注凍脹變化情況，并對路基的排水系統(tǒng)進行檢查和清理，確保排水暢通，防止水分積聚。當中度預警時，除了加強監(jiān)測和排水措施外，還可考慮對路基進行局部加固，如采用土工格柵等材料對路基進行加筋處理，提高路基的整體穩(wěn)定性，抵抗凍脹力的作用。在重度預警情況下，應立即采取全面的應急措施，包括封閉交通，對路基進行緊急修復，如采用換填法，將凍脹嚴重的土體挖除，換填抗凍脹性能好的材料，如砂性土、礫石等，以盡快恢復路基的正常使用功能。動態(tài)防治措施的實施效果評估至關重要。通過對比實施防治措施前后路基凍脹變形量、溫度、含水量等監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，評估防治措施的有效性。在采取保溫措施后，觀察路基溫度是否升高，凍脹變形量是否減??；在實施排水措施后，監(jiān)測路基土的含水量是否降低，凍脹發(fā)展趨勢是否得到遏制。根據(jù)評估結果，及時調(diào)整防治措施，不斷優(yōu)化防治方案，確保防治工作能夠達到預期效果，有效保障季凍區(qū)路基的穩(wěn)定和道路的安全運行。5.2.2新材料、新技術應用新型保溫材料在季凍區(qū)路基凍脹防治中展現(xiàn)出廣闊的應用前景和顯著的優(yōu)勢。納米氣凝膠保溫材料是近年來發(fā)展起來的一種新型高效保溫材料，其具有極低的導熱系數(shù)，僅為傳統(tǒng)保溫材料的1/3-1/5。這使得它在減少路基與外界的熱量交換方面具有出色的性能，能夠有效降低路基的凍結深度，抑制凍脹現(xiàn)象的發(fā)生。納米氣凝膠保溫材料還具有質(zhì)輕、防火、防水等特點，便于施工和維護。在某季凍區(qū)道路試驗段中，采用納米氣凝膠保溫材料對路基進行保溫處理，經(jīng)過一個冬季的監(jiān)測，與未處理路段相比，該路段路基的凍結深度減少了0.8-1.2