高寒地區(qū)路基土凍脹影響因素研究

尚云飛

(1.北黑高速公路建設(shè)指揮部;2.黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院)

高寒地區(qū)路基土凍脹影響因素研究

尚云飛1，2

(1.北黑高速公路建設(shè)指揮部;2.黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院)

對(duì)高寒地區(qū)高速公路路基土的凍脹機(jī)理和凍脹影響因素進(jìn)行了分析和探討，并提出了相應(yīng)的凍害工程防治措施。

路基土;凍脹;影響因素;防治措施

0 引言

凍土廣泛分布在世界各大洲，我國(guó)凍土占國(guó)土面積的62.7%，主要分布于東北三省、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏、新疆北部、青海和川西等地。高寒地區(qū)的冬季氣溫較低，且負(fù)溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，地表凍結(jié)深度普遍在2.5 m左右。路基土的凍脹病害問(wèn)題一直是高寒地區(qū)公路建設(shè)中一個(gè)亟待解決的工程問(wèn)題，對(duì)高寒地區(qū)路基土凍脹的研究也越來(lái)越受到廣大專家和學(xué)者的關(guān)注。路基土在土質(zhì)、含水率、凍結(jié)溫度和水分補(bǔ)給條件等因素的作用下將產(chǎn)生不均勻凍脹，不均勻凍脹是導(dǎo)致路面開裂的主要原因，春季溫度升高路基凍結(jié)層開始融化，當(dāng)水分不能及時(shí)排除時(shí)路基土將趨于飽和狀態(tài)，土粒間作用力降低甚至消失，在外荷載的作用下則會(huì)造成路基下沉、翻漿冒泥等病害，嚴(yán)重影響了道路的使用壽命和穩(wěn)定性。

1 路基土的凍脹

路基土在凍結(jié)過(guò)程中水分的遷移積聚和冰析作用是產(chǎn)生土體凍脹的直接因素。凍脹的強(qiáng)弱主要取決于土體顆粒大小、礦物成分、土中水分及補(bǔ)給來(lái)源、凍結(jié)溫度以及外荷載等因素。凍脹可分為原位凍脹和分凝凍脹兩類。原位凍脹是指凍結(jié)鋒面向下推進(jìn)和已凍土溫度持續(xù)降低過(guò)程中，正凍土中的孔隙水或已凍土中的未凍水原位凍結(jié)造成體積增大的現(xiàn)象;而當(dāng)土體凍結(jié)以后，在土顆粒表面能的作用下，土中始終存在著未凍結(jié)的薄膜水，并且在溫度梯度的影響下，薄膜水會(huì)從高溫區(qū)向低溫區(qū)遷移，正是由于水的遷移作用使水分積聚在凍結(jié)鋒面后方并凍結(jié)，分凝成冰透鏡體，這一過(guò)程稱為分凝凍脹現(xiàn)象。

2 路基土的凍脹影響因素

2.1 土質(zhì)對(duì)路基土產(chǎn)生凍脹的影響

土質(zhì)對(duì)路基產(chǎn)生凍脹的影響表現(xiàn)在粒度成分、密實(shí)度及礦物成分等方面。

當(dāng)路基土的粒徑大于0.1 mm時(shí)由于水分易于排出而不易產(chǎn)生凍脹，隨著土顆粒粒徑的減小和土體分散性的增加凍脹性也隨之增大。當(dāng)土顆粒粒徑為0.1～0.05 mm時(shí)，土體就會(huì)發(fā)生凍脹，顆粒粒徑為0.05～0.002 mm時(shí)土的凍脹性最大。當(dāng)粒徑小于0.002 mm以下即在粘土顆粒范圍時(shí)，土顆粒分散性增大這也導(dǎo)致水分遷移量減小，凍脹性也相應(yīng)地減弱。在粗顆粒路基土中不存在土的礦物成分對(duì)凍脹的影響。當(dāng)路基土顆粒較細(xì)時(shí)，尤其是在粘性土中礦物成分對(duì)其凍脹的影響則較為顯著。沒(méi)有堅(jiān)固晶格結(jié)構(gòu)的礦物如蒙脫石具有較高的離子交換能力，同其它礦物相比較它能夠牢固地結(jié)合大量自由水，這使毛細(xì)管的導(dǎo)水性能變?nèi)跻矊?dǎo)致土體凍脹性的減弱。相反，具有較堅(jiān)固晶格結(jié)構(gòu)的礦物如高嶺土，它的離子交換能力超不過(guò)蒙脫石的10%，離子交換能力很弱，同時(shí)具有高帶電荷性，土粒表面化學(xué)活動(dòng)性較小，具有較大的可移動(dòng)薄膜水，因而這類土的凍脹性較大。

土的密實(shí)程度對(duì)土的凍脹也有一定的影響，在含水率一定的條件下，路基土密度的降低將增大土體的孔隙。當(dāng)密實(shí)度較小的土體凍結(jié)時(shí)，有足夠的孔隙和空間讓冰自由膨脹而不會(huì)引起土顆粒間間距的變化，此時(shí)土體產(chǎn)生的凍脹量較小。隨著密實(shí)度的增大，自由水充填了土顆粒間的孔隙，因此路基中水分凍結(jié)成冰后的膨脹空間受到限制，這也會(huì)導(dǎo)致路基土凍脹量的增大。當(dāng)土體達(dá)到某一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的密實(shí)度時(shí)，土顆粒間的孔隙最小達(dá)到了最佳的顆粒聚集條件，這時(shí)的土體的密實(shí)度能使水分遷移處于最有力的條件，凍脹量也將達(dá)到最大值。

2.2 水對(duì)路基土產(chǎn)生凍脹的影響

路基土中水分的含量也是促使路基產(chǎn)生凍脹的基本條件。路基土凍脹的過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是水在路基中遷移、積聚和相變的過(guò)程。大氣降水、路基附近地表水及淺層地下水都能為路基凍脹提供水源，是形成路基凍脹的重要條件。從成冰用水的來(lái)源分，路基土中的水又分為孔隙水和地下水。

路基土在凍結(jié)過(guò)程中，土體中的水分是產(chǎn)生凍脹的必要條件，但含有水分的路基土不一定在凍結(jié)后都會(huì)產(chǎn)生凍脹，只有在土的含水率達(dá)到或超過(guò)一定的界限后才會(huì)產(chǎn)生凍脹，即在封閉的條件下含水率必須大于某一定值才會(huì)產(chǎn)生凍脹。該數(shù)值為在一定的負(fù)溫條件下，路基土凍脹率為零時(shí)的路基含水率稱為路基土起始凍脹含水率。當(dāng)路基土中的含水率小于這個(gè)數(shù)值時(shí)，即使路基土中全部孔隙被冰及未凍結(jié)水分充滿，土體也不會(huì)產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。

路基土如果在封閉的條件下凍結(jié)，若只有路基土內(nèi)部的水分遷移也不會(huì)產(chǎn)生較大的凍脹量，但在有地下水補(bǔ)給的條件下就不同了，只要條件允許，它可以為凍脹提供用之不竭的水源產(chǎn)生較大的凍脹量。地下水對(duì)路基凍脹的影響主要取決于路基土的毛細(xì)水上升高度。在路基土凍結(jié)過(guò)程中當(dāng)凍結(jié)鋒面與地下水距離等于或小于毛細(xì)管水上升高度時(shí)，在毛細(xì)水補(bǔ)給的條件下路基也會(huì)產(chǎn)生較大的凍脹量。

2.3 溫度對(duì)路基土產(chǎn)生凍脹的影響

在高寒凍土地區(qū)路基中的溫度是隨著外界大氣溫度的變化而發(fā)生周期性變化的。負(fù)溫是路基土發(fā)生凍結(jié)的前提條件，也是決定路基土的凍結(jié)過(guò)程、時(shí)間以及未凍水含量的基本因素。凍土中的未凍水是指路基在凍結(jié)過(guò)程中，由于土顆粒表面能的存在被吸附在土顆粒表面沒(méi)有被凍結(jié)那部分液態(tài)水。這部分水與冰之間始終保持著動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，當(dāng)路基溫度降低時(shí)部分未凍水凍結(jié)成冰，未凍水含量減少。相反，當(dāng)路基溫度升高時(shí)，部分冰將融化轉(zhuǎn)化為未凍水，未凍水含增大。在封閉體系中，在負(fù)溫的條件下路基中的水分隨溫度的降低而不斷凍結(jié)，自由水含量不斷減少，含冰率增大，路基土體積變大，因而路基的凍脹量隨路基中溫度的降低而增加。

路基土在凍結(jié)過(guò)程中溫度的變化速率將決定路基土的凍結(jié)速度，同時(shí)也會(huì)影響到路基土的凍脹量。凍結(jié)鋒面在路基土中的推進(jìn)速度反映了路基土中某一瞬間凍結(jié)鋒面的熱平衡狀態(tài)。當(dāng)凍結(jié)鋒面經(jīng)過(guò)已凍區(qū)域并且向上傳遞的熱量大于未凍區(qū)域通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳遞上來(lái)的熱量時(shí)，在凍結(jié)鋒面上就會(huì)有冰析。在同一溫度條件下，土體的凍結(jié)速度還取決于土中含水率、冰析出率和土體的密實(shí)度等因素。路基凍脹量的大小和路基中凍結(jié)鋒面的推進(jìn)速度與外界大氣溫度下降速度有著直接關(guān)系。大氣溫度驟降且冷卻強(qiáng)度較大時(shí)，凍結(jié)鋒面向下推進(jìn)就越快，即凍結(jié)速度越快。此時(shí)路基土中的弱結(jié)合水及毛細(xì)水來(lái)不及向凍結(jié)區(qū)遷移積聚就被凍結(jié)成冰，毛細(xì)水的補(bǔ)給通道也被冰晶體所堵塞。水分遷移和積聚無(wú)法發(fā)生，在路基土中看不到冰夾層只有散布于土孔隙中的冰晶體，路基土無(wú)明顯凍脹。如果氣溫下降較慢、冷卻強(qiáng)度較小且負(fù)溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，這就會(huì)使路基土中的自由水和毛細(xì)水不斷的向凍結(jié)鋒面遷移積聚，在路基土中出現(xiàn)冰夾層，產(chǎn)生明顯的凍脹現(xiàn)象。

2.4 外荷載對(duì)路基土產(chǎn)生凍脹的影響

外荷載會(huì)對(duì)路基土的凍脹產(chǎn)生抑制作用。路基土在外部附加壓力的作用下，增大了土顆粒間的接觸壓力，這也就降低了路基土的凍結(jié)溫度點(diǎn)，影響了整個(gè)路基土中的水分相態(tài)轉(zhuǎn)化。同時(shí)在荷載的作用下，土顆粒間間距減少，密實(shí)度增大，土顆粒越密實(shí)彼此間的作用力就越大，這也抑制了未凍結(jié)水分向凍結(jié)鋒面的遷移和積聚，從而減少了路基凍脹量。雖然外荷載對(duì)路基土的凍脹量有一定的抑制作用，但要終止路基土的凍脹則需要相當(dāng)大的外部壓力，這個(gè)外部壓力又根據(jù)土質(zhì)的不同而相差很大。土顆粒越細(xì)需要的外部壓力就越大。

3 路基土凍脹的工程防治措施

路基土發(fā)生凍脹的原因是因?yàn)閮鼋Y(jié)時(shí)土中的水向凍結(jié)區(qū)遷移積聚。防治路基凍脹最根本的途徑是防止地下水、地表水或者其他的水分在路基凍結(jié)前、凍結(jié)的過(guò)程中滲入路基的土體中。結(jié)合高寒地區(qū)路基土的凍脹影響因素從以下幾個(gè)方面提出相應(yīng)的工程防治措施。

3.1 加強(qiáng)路基排水設(shè)施

路基土凍脹的過(guò)程就是水在路基中遷移、相變的過(guò)程，路基附近的地表積水及淺層地下水能提供充足的水源，是形成凍脹的重要條件。大氣降水通過(guò)路面、路肩、邊坡和護(hù)欄柱周邊等滲入到路基中，地表水通過(guò)基底和坡腳滲入到路基中，地下水通過(guò)毛細(xì)作用進(jìn)入路基中，這些水分在路面封閉條件下蒸發(fā)困難，下滲緩慢，在凍融作用下產(chǎn)生凍脹。因此，解決這一問(wèn)題最有效方法就是采用各種排水措施，盡可能地減少水份聚積和毛細(xì)水的補(bǔ)給，使路基土體保持干燥。排除地表水應(yīng)在挖方路段界外設(shè)攔水埂或截水溝，土質(zhì)截水溝必須做底、壁鋪砌。路基邊溝溝底應(yīng)低于路床頂面至少0.3 m，溝底縱坡不宜小于0.75%，土質(zhì)邊溝底面和側(cè)面宜用漿砌體鋪筑。排除地下水應(yīng)在路基下集中水流處設(shè)置暗溝或暗管，暗溝或暗管應(yīng)設(shè)于凍結(jié)線以下或采取保溫措施，挖方及全凍路堤路段應(yīng)設(shè)排水滲溝。

3.2 提高路基土壓實(shí)度

壓實(shí)度越小路基土凍脹率越大，這是因?yàn)楫?dāng)壓實(shí)度較小時(shí)其毛細(xì)水上升的高度較高，隨著壓實(shí)度的逐漸增大土體中的孔隙逐漸減小，壓實(shí)度大于等于96%時(shí)土體孔隙中的水分主要以弱結(jié)合水存在，弱結(jié)合水基本上占據(jù)了整個(gè)孔隙，阻斷了毛細(xì)水的上升，從而減少了路基上部水分和聚冰程度，路基土的凍脹量也相應(yīng)減小。因此，在施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制路基土的壓實(shí)度。

3.3 設(shè)置隔離層

當(dāng)?shù)叵滤换虻孛娣e水水位較高，路基處于潮濕或過(guò)濕狀態(tài)且又不宜提高路基時(shí)，可鋪設(shè)隔水層。隔水層鋪設(shè)在路基頂面以下0.5～0.8 m處，目的在于隔斷毛細(xì)管水上升進(jìn)入路基上部，防止在負(fù)溫差時(shí)的水分積聚，以保持路基上部處于干燥狀態(tài)。隔水層按使用材料的不同，可分為透水和不透水兩種。透水的隔水層是采用碎石、礫石、粗砂、無(wú)紡布等材料鋪成，厚度為0.1～0.2 m。不透水的隔水層可用瀝青土(厚2.5 ～3.0 cm)、噴灑瀝青材料(2 ～5 mm)或者鋪油毛氈、塑料薄膜等做成。

4 結(jié)論

在高寒地區(qū)道路建設(shè)中應(yīng)充分考慮到不同工程地質(zhì)條件對(duì)路基土凍脹產(chǎn)生的影響，針對(duì)不同的地質(zhì)情況，開展相應(yīng)的防治凍脹措施。結(jié)合路基土凍脹病害的影響因素，在筑路時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制路基填土含水率，使其在最佳含水率附近，控制分層壓實(shí)的厚度，必要時(shí)采取其他有效方法，用振沖式壓路機(jī)對(duì)路基進(jìn)行碾壓施工，使土體達(dá)到一定的密實(shí)度。修筑比較完善的排水系統(tǒng)，在冬季凍結(jié)期盡量排除路基周圍水源以減小路基土凍脹量，從而保證道路使用的穩(wěn)定性。

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