高寒地區路基土凍脹影響因素研究

楊洪生，宇德忠，于立澤

(黑龍江省交通科學研究所)

高寒地區路基土凍脹影響因素研究

楊洪生，宇德忠，于立澤

(黑龍江省交通科學研究所)

對高寒地區高速公路路基土的凍脹機理和凍脹影響因素進行了分析和探討，并提出了相應的凍害工程防治措施。可為今后高寒地區路基土的施工、設計及凍害防治提供理論支撐。

路基土;凍脹;影響因素;防治措施

1 路基土的凍脹

路基土在凍結過程中水分的冰析作用和遷移積聚現象是導致路基土不均勻凍脹的直接因素。凍脹性的強弱主要取決于土體凍結時的溫度、土體中含水率及水分的補給來源、土顆粒的大小、礦物成分以及外荷載作用等因素。凍脹可分為分凝凍脹和原位凍脹兩類。原位凍脹是指凍結鋒面向下推進和已凍土溫度持續降低過程中，正凍土中的孔隙水或已凍土中的未凍水原位凍結造成體積增大的現象;而當土體凍結以后，在土顆粒表面能的作用下，土中始終存在著未凍結的薄膜水，并且在溫度梯度的影響下，薄膜水會從高溫區向低溫區遷移，正是由于水的遷移作用使水分積聚在凍結鋒面后方并凍結，分凝成冰透鏡體，這一過程稱為分凝凍脹現象。

2 路基土的凍脹影響因素

2.1 土質對路基土產生凍脹的影響

土體的礦物成分、密實度及粒度成分是土質對路基土產生凍脹的影響主要影響因素。

當路基土土顆粒的粒徑在0.1 mm以上時由于空隙較大水分易于排出而不易產生凍脹，但隨著土顆粒粒徑的減小，彼此間空隙減小導致土體分散性增，凍脹性也隨之變大;當土顆粒粒徑在0.1～0.05 mm范圍時，土體就會發生凍脹，研究表明顆粒粒徑為0.05～0.002 mm時土體的凍脹性最大;當土體顆粒粒徑在0.002 mm以下即在粘土顆粒范圍時，由于土顆粒分散性的增大導致了水分遷移量的減小，土體的凍脹性也隨之減弱。礦物成分對凍脹的影響不存在于顆粒較粗路的基土中。當路基土的土顆粒較細時，尤其是在粘性土中礦物成分對其凍脹的影響則較為顯著。具有較堅固晶格結構的礦物如高嶺土它的離子交換能力超不過蒙脫石的10%離子交換能力很弱，同時具有高帶電荷性，土粒表面化學活動性較小具有較大的可移動薄膜水，因而這類土的凍脹性較大。相反，沒有堅固晶格結構的礦物如蒙脫石具有較高的離子交換能力，同其它礦物相比能夠牢固地結合大量自由水，這使毛細管的導水性能變弱也將導致土體凍脹性的減弱。

土的密實程度對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。當密實度較小的土體凍結時，有充分的孔隙和空間讓冰自由膨脹而不會引起土顆粒間間距的變化，此時土體的產生的凍脹量較小。隨著密實度的增大，自由水充填了土顆粒間的孔隙，因此路基中水分凍結成冰后的膨脹空間收到限制這也會導致路基土凍脹量的增大。當土體達到某一個標準的密實度時，土顆粒間的孔隙最小達到了最佳的顆粒聚集條件，這時的土體的密實度能使水分遷移處于最有力的條件，凍脹量也將達到最大值。

2.2 水對路基土產生凍脹的影響

促使路基土產生凍脹的基本條件就是路基土中的含水率。路基土的凍脹過程實質上就是自由水在路基土中遷移、積聚和相變的綜合過程。路基土產生凍脹的補給水源有路基附近地表水、大氣降水及淺層地下水，這些水源是形成路基土凍脹的重要條件。從成冰用水的來源分，路基土中的水分又分為地下水和孔隙水兩種。

路基土中的水分是產生凍脹的必要條件。但在凍結過程中含有水分的路基土不一定在凍結后都會使產生凍脹，在封閉的條件下土體中的含水率必須大于某一定值才會產生凍脹。這一定值為在負溫條件下，路基土凍脹率為零時的路基含水率，此定值也被稱為路基土起始凍脹含水率;當路基土中的含水率低于這個定值時，即使路基土中全部孔隙被冰及未凍結水分充滿，土體也不會產生凍脹現象。

路基土凍結過程中，在沒有外界水源補給的條件下，路基土內部的水分在溫度梯度作用下引起的遷移積聚也不會產生較大的凍脹量;如果在有外界水補給的時候情況就不同了，外界補給可以為土體凍脹提供源源不斷的水源產生較大的凍脹量。由地下水引起的路基土凍脹主要受到土體毛細管上升高度的影響，當地下水與凍結鋒面距離小于或等于毛細管水上升高度時，路基土在毛細水補給的條件下也將產生較大的凍脹量。

2.3 溫度對路基土產生凍脹的影響

在高寒凍土地區路基土中的溫度是隨著外界環境溫度的變化而發生不斷變化的。負溫是路基土產生凍結的前提條件，也是決定路基土的凍結過程、時間以及未凍水含量的基本因素。路基土在凍結過程中，由于土體顆粒表面能的作用被吸附在土顆粒表面那部分沒有被凍結液態水成為凍土中的未凍水，這部未凍水與固態冰之間保持著動態平衡的關系:當路基土溫度升高時，部分冰融化轉化為未凍水路基土含水率增大。相反，當路基土溫度降低時部分未凍水凍結成冰路基土含水率降低。路基土的凍脹量是隨著路基土中溫度的降低而增加的，因為在負溫且封閉的條件下路基土中的水分不斷凍結，自由水含量不斷減少，含冰率逐漸增大最終導致路基土體積變大產生凍脹。

負溫條件下，路基土中溫度的變化速率將決定路基土的凍結速度同時也會影響到路基土的凍脹量。凍結鋒面在路基土中的推進速度反應了路基土中某一瞬間凍結鋒面的熱平衡狀態。當凍結鋒面經過己凍區域并且向上傳遞的熱量大于未凍區域通過熱傳導方式傳遞上來的熱量時，在凍結鋒面上就會有冰析。在同一溫度條件下，土體的凍結速度還取決于土中含水率、冰析出率和土體的密實度等因素。路基土凍脹量的大小與外界環境溫度下降速度及路基土中凍結鋒面向下的凍結速度有著直接關系。外界大氣溫度降低較快且冷卻強度較大時，凍結鋒面向下凍結的速度越快。此時路基土中的毛細水和弱結合水還來不及向低溫凍結鋒面遷移積聚就被原地凍結，被凍結的冰晶體也堵塞了毛細水的補給通道，由于水分遷移和積聚無法發生，在路基土中看不到冰夾層只有散布于土孔隙中的冰晶體，路基土無明顯凍脹。相反，如果外界氣溫下降緩慢、負溫持續時間較長且冷卻強度較小時，路基土中的毛細水和自由水不斷的向低溫凍結鋒面遷移積聚，在路基土中出現冰夾層且產生較為明顯的凍脹現象。

2.4 外荷載對路基土產生凍脹的影響

外荷載會對路基土的凍脹產生抑制作用。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溫度點影響了整個路基土中的水分相態轉化。同時在荷載的作用下，土顆粒間間距減少，密實度增大，土顆粒越密實彼此間的作用力就越大這也抑制了未凍結的水分向凍結鋒面的遷移和積聚，從而減少了路基凍脹量。雖然外荷載對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大的外部壓力，這個外部壓力又根據土質的不同而相差很大。土顆粒越細，需要的外部壓力就越大。

3 路基土凍脹的工程防治措施

路基土發生凍脹的原因是因為凍結時土中的水向凍結區遷移積聚。防治路基土凍脹的最有效的途徑就是防止地表水、地下水或者其它的水分在路基土凍結前和凍結的過程中滲入到路基土體中。結合高寒地區路基土的凍脹影響因素從以下幾個方面提出相應的工程防治措施。

3.1 加強路基排水設施

解決水份對路基土凍脹影響的最有效方法就是采用各種排水的措施，盡可能的減少水份的滲透、遷移聚積和毛細水的補給使路基土體保持干燥狀態。排除地下水應在路基下集中水流處設置暗管或暗溝，暗管或暗溝應設于最大凍結深度以下或采取保溫措施，挖方及全凍路堤路段應設排水滲溝。排除地表水應在挖方路段界外設截水溝或攔水埂，土質截水溝必須做底、壁鋪砌。設置的路基邊溝溝底縱坡不宜小于0.75%，溝底應低于路床頂面至少0.3 m;土質邊溝側面和底面宜鋪筑漿砌體。

3.2 提高路基土壓實度

經研究表明壓土體的實度越與凍脹率成反比，當壓實度較小時土體中毛細水的上升的高度較高，隨著壓實度的逐漸增大土體中的孔隙逐漸減小，壓實度大于等于96%時土體孔隙中的水分主要以弱結合水存在，整個孔隙幾乎都被弱結合水占據了，這也阻斷了毛細水的上升通道，從而減少了路基土上部水分的積聚程度，路基土的凍脹量也相應減小。因此，在施工時應嚴格控制路基土的壓實度。

4 結論

在高寒地區道路建設中應充分考慮到不同工程地質條件對路基土產生凍脹的影響，針對不同的地質情況，開展相應的防治凍脹措施。結合路基土凍脹病害的影響因素，在筑路時應嚴格控制路基填土含水率使其在最佳含水率附近以及控制分層壓實的厚度，必要時采取其他有效方法壓實方法，如用振沖式壓路機對路基進行碾壓施工，使土體達到一定的密實度。修筑比較完善的排水系統，在冬季凍結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定性。

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U416.1

C

1008-3383(2012)02-0052-02

2011-12-26

楊洪生(1974-)，男，高級工程師。

黑龍江省交通廳重點科技項目(HJ2008018)。