关于水泥混凝土路面路基冻坏及影响因素分析

曹兵城

摘要：本文着重分析了公路工程水泥混凝土路基路面冻坏的成因，对水泥混凝土路基路面的融沉、冻胀成因做了机理分析，揭示了路基土质、含水率、密度等为路基冻害的主要原因，提出了路基冻害问题的解决方法，为工程人员解决施工中的类似问题提供了借鉴。

关键词：路基路面；冻坏；融沉；冻胀

引言

在不良地质地区，比如季节性冻土地带，因为路基土中水分的结晶、融化作用，使路基土极易出现冻结变形和融化变形，从而导致路基土模量衰减，强度降低，对上层路面的明显作用为：水泥混凝土路面容易出现纵向开裂、横向挠曲、路面不均匀沉降、车辙、融沉鼓包等公路病害。对水泥混凝土道路来说，路基路面的冻坏类型主要有两种：冻胀，融沉。本文将详细分析融沉，冻胀的成因和影响因素。

1水泥混凝土路面路基冻坏原因

1.1路基融沉成因

在季节性冻土地区，尤其是存在冻胀性土壤的地段，因为冬季气温低，路基土中的水分因毛细作用向上汇集，凝聚成冰；春季气温回升，路基土中的结晶冰在气温和行车荷载产热的双重作用下融化成水，导致体积缩小，路基土空隙率增大，引起土体的体积压缩导致土体沉降。当这部分路基土承受行车荷载时，融冰区的路基土发生排水固结作用，同样引起路基沉降。国内外相关科研院所大量试验数据表明：在路基土中的结晶冰融化时，产生的绝对沉降量比单纯加载后的固结沉降量要大。所以，在融化和行车荷载的双重作用下，路基的沉降量将更大，对路面路基的破坏也更为严重。

对水泥混凝土道路，下路基表层的融化速度要比路基下部的快，当下路基表层开始融化时，路基下部的土壤还处于冻结状态，从而，夹在两层中间的未发生融化的冻土层便起到了隔水作用，形成留冻土核。此时，上部融化的水不能下渗或向两侧排出，存留在路基土的中间，加上路基土本身的自重以及形成荷载作用，形成较大的空隙水压力，引起路基路面整体强度降低，在行车荷载作用下，路面变形，严重影响行车舒适。对水泥混凝土路面，因为冻土核的存在，会使水泥板块脱空，开裂从而导致路面完全破坏。

除了水，温度的耦合作用以外，行车荷载的振动作用同样对路基融沉有不利影响。根据相关研究，当路基处于饱和或者过饱和状态时，在车辆荷载的周期性作用下，路基土的整体强度会持续降低，发生融沉现象，这称之为动力型道路融沉。

1.2路基冻胀成因

在季节性冻土地区低温作用下，水泥道路的路基路面中所饱含的水分因为毛细作用从下部向上凝聚，在路基的顶部发生结晶作用，结晶完成后在低温的作用下开始产生冻结现象，此时，因为在低温区存在自由水，自由水也向冻结区域定向移动，导致结晶体加速生长。在形成的结晶体的四周，土壤颗粒为了平衡四周压力和冰晶体水膜的吸附力，便从周围为发生冻结的土壤中吸引水分子向其靠拢，在此作用下，冰晶体再次得以生长，冻结形成大的冰透镜体。因为在路基土的冻结过程中形成的冰晶体排斥其他溶质，其中包括路基土中的极小土颗粒，这就导致土壤颗粒在冻结过程中，产生向冻结面前缘的移动现象。因此，在冰层的叠加作用下就形成了路基的冻胀现象。

2冻坏影响因素

对水泥混凝土道路，路基土的性质、环境温度、路基土含水率、压实度、含盐量等均是引起路面路基融沉和冻胀的因素，在这些因素当中，对路基路面的破坏作用起到调控性的两个关键因素是路基土的性质和路基的含水率

2.1路基的含水率

路基中的自由水是路基产生融沉病害和冻胀病害的关键因素。冻胀、融沉的本质是路基土中的自由水在路基中变化、迁移的过程。冻胀量的基础是路基土中自由水的含量以及土壤中自由水的补给量。当路基土中的含水量较高时，春季回暖产生的融沉现象就越明显，对路基路面的破坏作用也就越明显，造成对公路的破坏也就越严重，路面功能正常发挥受阻。当路基中的土壤处于干燥状态时，路基土中的水分也会发生迁移，但是發生迁移的方式得以改变，主要是水汽扩散的形式进行迁移。当路基土处于干燥状态时，水汽的移动不会造成路基土中的毛细现象，从而不会发生毛细水积累现象，对公路工程施工产生的危害程度有限。在秋季，是在多雨的时间，因为路基土在发生融沉，冻胀现象前，湿度都比较大，这个时间段内自由水主要以液态水的形式进行移动。在温度较高的区域，自由水发生移动的原因是毛细水变成薄的冰层，使产生的水柱向冻结区迁移。因为水分在路基上部分聚集，使路基土过于潮湿，冻胀发生前含水率较高，自由水进一步发生迁移现象，冻速虽然较慢，但冻胀程度会处于一个较高的水平。

2.2路基土性质

根据国内外相关研究结果，在公路工程中，如果筑路材料多为粉土和粘质土时，因为这样的土壤当中含有的盐分以及腐殖质较多，就很容易发生融沉和冻胀现象。根据相关试验数据，路基土中，粗粒土中粘粒的含量对于路基土冻胀有显著的影响作用，根据长安大学的试验结果数据显示，当粉粘粒的含量高于12%，路基土中的冻胀率就明显增加，路基土的冻胀系数会发生突变，当粗粒土中的粉粘粒的含量超过50%时。当粉粘粒的含量很小，小于12%的时候，即使路基土中的含水率很高，在充分饱水的条件下，路基土的冻胀率也不会大于2%。

影响路基土发生融沉和冻胀的另一个影响因素为土体密度，当土体密度为常数，土体的饱和度会土体的冻结速度增加而减少。即为，当路基土的饱和度较大时，路基土的冻结速率将会逐渐走低。这是由于土壤中自由水的含量不断增加，自由水随着冻结过程的深入，冻结速率会逐渐减小。换种了解即为，当土壤中的饱和度不变时，冻结速率会随着路基土密度的增加而加快。这是因为在路基土的饱和度为定值时，单位体积土颗粒数量增加，路基土中空隙减小，导热系数增大引起的。当冬季的冻胀现象较少时，春季发生的融沉量也会越小。在路基路面压实时，良好的压实作业不仅可以保证路基土空隙率较小，还能保证土体水分含量在合理水平，保证路面强度和正常的路用性能。

小结

（1）水泥混凝土道路的冻胀破坏现象主要分为两种：融沉和冻胀。融沉是因为路基土的结晶体融化产生的，造成土体水分过饱和引起路基强度降低，导致路基路面产生不均匀沉降，对道路产生破坏作用。冻胀是因为土体中自由水迁移引起。冻胀会导致路面产生横向挠曲、纵向开裂等病害，融沉则会导致道路路面沉陷、唧泥、水泥板脱空等现象。

（2）水泥混凝土道路冻坏是多种因素的共同结果，当路基中冻胀土含量较高，含水率较高，温度符合一定条件时，在行车荷载的一定作用下就很容易产生路面病害。

参考文献：

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