高寒地区路基土冻胀影响因素研究

尚云飞

(1.北黑高速公路建设指挥部;2.黑龙江省公路勘察设计院)

高寒地区路基土冻胀影响因素研究

尚云飞1，2

(1.北黑高速公路建设指挥部;2.黑龙江省公路勘察设计院)

对高寒地区高速公路路基土的冻胀机理和冻胀影响因素进行了分析和探讨，并提出了相应的冻害工程防治措施。

路基土;冻胀;影响因素;防治措施

0 引言

冻土广泛分布在世界各大洲，我国冻土占国土面积的62.7%，主要分布于东北三省、内蒙古、甘肃、宁夏、新疆北部、青海和川西等地。高寒地区的冬季气温较低，且负温持续时间较长，地表冻结深度普遍在2.5 m左右。路基土的冻胀病害问题一直是高寒地区公路建设中一个亟待解决的工程问题，对高寒地区路基土冻胀的研究也越来越受到广大专家和学者的关注。路基土在土质、含水率、冻结温度和水分补给条件等因素的作用下将产生不均匀冻胀，不均匀冻胀是导致路面开裂的主要原因，春季温度升高路基冻结层开始融化，当水分不能及时排除时路基土将趋于饱和状态，土粒间作用力降低甚至消失，在外荷载的作用下则会造成路基下沉、翻浆冒泥等病害，严重影响了道路的使用寿命和稳定性。

1 路基土的冻胀

路基土在冻结过程中水分的迁移积聚和冰析作用是产生土体冻胀的直接因素。冻胀的强弱主要取决于土体颗粒大小、矿物成分、土中水分及补给来源、冻结温度以及外荷载等因素。冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀两类。原位冻胀是指冻结锋面向下推进和已冻土温度持续降低过程中，正冻土中的孔隙水或已冻土中的未冻水原位冻结造成体积增大的现象;而当土体冻结以后，在土颗粒表面能的作用下，土中始终存在着未冻结的薄膜水，并且在温度梯度的影响下，薄膜水会从高温区向低温区迁移，正是由于水的迁移作用使水分积聚在冻结锋面后方并冻结，分凝成冰透镜体，这一过程称为分凝冻胀现象。

2 路基土的冻胀影响因素

2.1 土质对路基土产生冻胀的影响

土质对路基产生冻胀的影响表现在粒度成分、密实度及矿物成分等方面。

当路基土的粒径大于0.1 mm时由于水分易于排出而不易产生冻胀，随着土颗粒粒径的减小和土体分散性的增加冻胀性也随之增大。当土颗粒粒径为0.1～0.05 mm时，土体就会发生冻胀，颗粒粒径为0.05～0.002 mm时土的冻胀性最大。当粒径小于0.002 mm以下即在粘土颗粒范围时，土颗粒分散性增大这也导致水分迁移量减小，冻胀性也相应地减弱。在粗颗粒路基土中不存在土的矿物成分对冻胀的影响。当路基土颗粒较细时，尤其是在粘性土中矿物成分对其冻胀的影响则较为显著。没有坚固晶格结构的矿物如蒙脱石具有较高的离子交换能力，同其它矿物相比较它能够牢固地结合大量自由水，这使毛细管的导水性能变弱也将导致土体冻胀性的减弱。相反，具有较坚固晶格结构的矿物如高岭土，它的离子交换能力超不过蒙脱石的10%，离子交换能力很弱，同时具有高带电荷性，土粒表面化学活动性较小，具有较大的可移动薄膜水，因而这类土的冻胀性较大。

土的密实程度对土的冻胀也有一定的影响，在含水率一定的条件下，路基土密度的降低将增大土体的孔隙。当密实度较小的土体冻结时，有足够的孔隙和空间让冰自由膨胀而不会引起土颗粒间间距的变化，此时土体产生的冻胀量较小。随着密实度的增大，自由水充填了土颗粒间的孔隙，因此路基中水分冻结成冰后的膨胀空间受到限制，这也会导致路基土冻胀量的增大。当土体达到某一个标准的密实度时，土颗粒间的孔隙最小达到了最佳的颗粒聚集条件，这时的土体的密实度能使水分迁移处于最有力的条件，冻胀量也将达到最大值。

2.2 水对路基土产生冻胀的影响

路基土中水分的含量也是促使路基产生冻胀的基本条件。路基土冻胀的过程实质上就是水在路基中迁移、积聚和相变的过程。大气降水、路基附近地表水及浅层地下水都能为路基冻胀提供水源，是形成路基冻胀的重要条件。从成冰用水的来源分，路基土中的水又分为孔隙水和地下水。

路基土在冻结过程中，土体中的水分是产生冻胀的必要条件，但含有水分的路基土不一定在冻结后都会产生冻胀，只有在土的含水率达到或超过一定的界限后才会产生冻胀，即在封闭的条件下含水率必须大于某一定值才会产生冻胀。该数值为在一定的负温条件下，路基土冻胀率为零时的路基含水率称为路基土起始冻胀含水率。当路基土中的含水率小于这个数值时，即使路基土中全部孔隙被冰及未冻结水分充满，土体也不会产生冻胀现象。

路基土如果在封闭的条件下冻结，若只有路基土内部的水分迁移也不会产生较大的冻胀量，但在有地下水补给的条件下就不同了，只要条件允许，它可以为冻胀提供用之不竭的水源产生较大的冻胀量。地下水对路基冻胀的影响主要取决于路基土的毛细水上升高度。在路基土冻结过程中当冻结锋面与地下水距离等于或小于毛细管水上升高度时，在毛细水补给的条件下路基也会产生较大的冻胀量。

2.3 温度对路基土产生冻胀的影响

在高寒冻土地区路基中的温度是随着外界大气温度的变化而发生周期性变化的。负温是路基土发生冻结的前提条件，也是决定路基土的冻结过程、时间以及未冻水含量的基本因素。冻土中的未冻水是指路基在冻结过程中，由于土颗粒表面能的存在被吸附在土颗粒表面没有被冻结那部分液态水。这部分水与冰之间始终保持着动态平衡状态，当路基温度降低时部分未冻水冻结成冰，未冻水含量减少。相反，当路基温度升高时，部分冰将融化转化为未冻水，未冻水含增大。在封闭体系中，在负温的条件下路基中的水分随温度的降低而不断冻结，自由水含量不断减少，含冰率增大，路基土体积变大，因而路基的冻胀量随路基中温度的降低而增加。

路基土在冻结过程中温度的变化速率将决定路基土的冻结速度，同时也会影响到路基土的冻胀量。冻结锋面在路基土中的推进速度反映了路基土中某一瞬间冻结锋面的热平衡状态。当冻结锋面经过已冻区域并且向上传递的热量大于未冻区域通过热传导方式传递上来的热量时，在冻结锋面上就会有冰析。在同一温度条件下，土体的冻结速度还取决于土中含水率、冰析出率和土体的密实度等因素。路基冻胀量的大小和路基中冻结锋面的推进速度与外界大气温度下降速度有着直接关系。大气温度骤降且冷却强度较大时，冻结锋面向下推进就越快，即冻结速度越快。此时路基土中的弱结合水及毛细水来不及向冻结区迁移积聚就被冻结成冰，毛细水的补给通道也被冰晶体所堵塞。水分迁移和积聚无法发生，在路基土中看不到冰夹层只有散布于土孔隙中的冰晶体，路基土无明显冻胀。如果气温下降较慢、冷却强度较小且负温持续时间较长时，这就会使路基土中的自由水和毛细水不断的向冻结锋面迁移积聚，在路基土中出现冰夹层，产生明显的冻胀现象。

2.4 外荷载对路基土产生冻胀的影响

外荷载会对路基土的冻胀产生抑制作用。路基土在外部附加压力的作用下，增大了土颗粒间的接触压力，这也就降低了路基土的冻结温度点，影响了整个路基土中的水分相态转化。同时在荷载的作用下，土颗粒间间距减少，密实度增大，土颗粒越密实彼此间的作用力就越大，这也抑制了未冻结水分向冻结锋面的迁移和积聚，从而减少了路基冻胀量。虽然外荷载对路基土的冻胀量有一定的抑制作用，但要终止路基土的冻胀则需要相当大的外部压力，这个外部压力又根据土质的不同而相差很大。土颗粒越细需要的外部压力就越大。

3 路基土冻胀的工程防治措施

路基土发生冻胀的原因是因为冻结时土中的水向冻结区迁移积聚。防治路基冻胀最根本的途径是防止地下水、地表水或者其他的水分在路基冻结前、冻结的过程中渗入路基的土体中。结合高寒地区路基土的冻胀影响因素从以下几个方面提出相应的工程防治措施。

3.1 加强路基排水设施

路基土冻胀的过程就是水在路基中迁移、相变的过程，路基附近的地表积水及浅层地下水能提供充足的水源，是形成冻胀的重要条件。大气降水通过路面、路肩、边坡和护栏柱周边等渗入到路基中，地表水通过基底和坡脚渗入到路基中，地下水通过毛细作用进入路基中，这些水分在路面封闭条件下蒸发困难，下渗缓慢，在冻融作用下产生冻胀。因此，解决这一问题最有效方法就是采用各种排水措施，尽可能地减少水份聚积和毛细水的补给，使路基土体保持干燥。排除地表水应在挖方路段界外设拦水埂或截水沟，土质截水沟必须做底、壁铺砌。路基边沟沟底应低于路床顶面至少0.3 m，沟底纵坡不宜小于0.75%，土质边沟底面和侧面宜用浆砌体铺筑。排除地下水应在路基下集中水流处设置暗沟或暗管，暗沟或暗管应设于冻结线以下或采取保温措施，挖方及全冻路堤路段应设排水渗沟。

3.2 提高路基土压实度

压实度越小路基土冻胀率越大，这是因为当压实度较小时其毛细水上升的高度较高，随着压实度的逐渐增大土体中的孔隙逐渐减小，压实度大于等于96%时土体孔隙中的水分主要以弱结合水存在，弱结合水基本上占据了整个孔隙，阻断了毛细水的上升，从而减少了路基上部水分和聚冰程度，路基土的冻胀量也相应减小。因此，在施工时应严格控制路基土的压实度。

3.3 设置隔离层

当地下水位或地面积水水位较高，路基处于潮湿或过湿状态且又不宜提高路基时，可铺设隔水层。隔水层铺设在路基顶面以下0.5～0.8 m处，目的在于隔断毛细管水上升进入路基上部，防止在负温差时的水分积聚，以保持路基上部处于干燥状态。隔水层按使用材料的不同，可分为透水和不透水两种。透水的隔水层是采用碎石、砾石、粗砂、无纺布等材料铺成，厚度为0.1～0.2 m。不透水的隔水层可用沥青土(厚2.5 ～3.0 cm)、喷洒沥青材料(2 ～5 mm)或者铺油毛毡、塑料薄膜等做成。

4 结论

在高寒地区道路建设中应充分考虑到不同工程地质条件对路基土冻胀产生的影响，针对不同的地质情况，开展相应的防治冻胀措施。结合路基土冻胀病害的影响因素，在筑路时应严格控制路基填土含水率，使其在最佳含水率附近，控制分层压实的厚度，必要时采取其他有效方法，用振冲式压路机对路基进行碾压施工，使土体达到一定的密实度。修筑比较完善的排水系统，在冬季冻结期尽量排除路基周围水源以减小路基土冻胀量，从而保证道路使用的稳定性。

［1］高大钊，袁聚云.土质学与土力学［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］侯恩创.冻融循环对路基土物理力学性质影响的研究［D］.东北林业大学，2009.

［3］刘红军，张秀华.工程地质学［M］.东北林业大学，2004.

［4］程培峰，宇德忠，徐云哲.季冻区粉砂土冻胀试验及路基冻胀模型［J］.中外公路，2011，(4).

［5］王威娜.季节性冰冻地区路基变形数值模拟［D］.长安大学硕士论文，2009.

［6］李杨.季节冻土水分迁移模型研究［D］.吉林大学，2008.

［7］于琳琳.不同人工冻结条件下土的冻胀试验研究［D］.哈尔滨工业大学，2006.

U416.1

C

1008－3383(2011)12－0010－02

2011－10－19