嚴(yán)寒地區(qū)道路凍脹的原因解析及防治措施

張宏紅 侯金橋

1 凍土和道路凍脹的形成

凍土是一種由固體土顆粒、冰、液態(tài)水和氣體四種基本成分所組成的多相復(fù)合體，分為多年凍土(兩年或兩年以上)、季節(jié)凍土(冬季凍結(jié)，夏季全部融化)和瞬時凍土(幾個小時至半月)三類。

在季節(jié)性凍土地區(qū)，隨著大氣溫度的下降，土體溫度降到土中孔隙水結(jié)晶點時，土體便發(fā)生凍結(jié)，出現(xiàn)冰晶體，導(dǎo)致土體體積膨脹，引起附加的應(yīng)力和變形，這就是凍脹現(xiàn)象。到了春季，隨著氣溫的上升，凍結(jié)后的土體從上層開始融化，但凍土層的下層尚未溶解，水分無法下滲，使土體含水量增大，導(dǎo)致強度降低。一旦冰侵入土體中消融成水，而土體又未能完全排水固結(jié)，就會使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生沉陷變形及道路融沉、翻漿等現(xiàn)象。

路基產(chǎn)生不均勻凍脹，就會引起路基變形開裂，導(dǎo)致路面開裂;春季融化，路面發(fā)生裂縫、斷碎、車轍、冒泥翻漿、拱起(鼓包)、沉陷等病害(見圖1)，降低或破壞路面的平穩(wěn)度，影響車輛通行和行車安全，縮短道路使用壽命。

圖1 道路病害

2 道路凍脹形成的原因

在季節(jié)凍土區(qū)，路基凍脹主要是由于大氣溫度下降，使土體中的水尤其是外界補給水分的聚集凍結(jié)使土體的體積增大，引起路基凍脹。自然條件下，由于路基土質(zhì)、水分及凍結(jié)條件的不均一性，會產(chǎn)生不均勻凍脹，導(dǎo)致路面開裂;春季融化時，水分下滲，而下部土體尚未融化，造成排水不暢，土體水分聚集，由于顆粒間水膜增大，土粒間摩擦阻力降低以致消失，使土的抗剪強度顯著減弱，在行車荷載作用下，路面發(fā)生開裂、翻漿等病害，影響道路通行。

3 影響凍脹的因素

影響凍脹的主要因素為:1)具有凍脹敏感性的土(如:粘性土、粉土);2)初始水分和外界水分的充分供給;3)適宜的凍結(jié)條件和時間(氣溫和地下水溫度)［2］。

4 減少凍脹破壞的措施

凍脹現(xiàn)象的產(chǎn)生要同時具備土質(zhì)、地下水、地表和地下水溫度三個主要因素。因此，為了防治凍脹現(xiàn)象，只要消除這三個因素中的一個，就能達(dá)到目的。防治道路凍脹的措施可以歸納為以下幾類:

1)假設(shè)防凍脹層采用非凍脹材料換填凍脹性材料的“置換法”，即用難以引起凍脹作用的粗顆粒材料換下凍結(jié)深度內(nèi)的凍脹土。

置換深度及材料要求:置換深度由防止凍脹引起的路面破壞和春融期土基及底基層承載力降低造成的破壞這兩種情況來決定。最好采用理論最大凍結(jié)深度，即以不易引起凍脹的均勻粗顆粒材料構(gòu)成的地基為基準(zhǔn)，取在10年間最寒冷一年的最大凍結(jié)深度。但是，由于凍害作用受積雪、除雪程度、日照條件等因素影響很大，所以一般根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w情況，從經(jīng)濟(jì)和經(jīng)驗兩方面來確定，可以采用廉價的粗顆粒材料，置換深度約為最大凍深的70%。在不考慮凍深情況下所求得的面層、基層及墊層的總厚度再與擬置換的厚度進(jìn)行比較，如置換厚度大時，其差值用不易引起凍脹的砂、天然砂礫等材料填在底基層之下，作為防凍層。這部分被列為土基的部分。如果原有土基為較弱土質(zhì)，則需在防凍層下再設(shè)置20cm的隔離層。這種隔離層大多數(shù)采用含粉質(zhì)粘土小于10%的砂鋪筑，以防軟弱土質(zhì)混入防凍層材料中。

置換用的材料應(yīng)符合防凍層底基層的質(zhì)量和規(guī)格要求，并且必須保證這種材料本身不能引起凍脹。粗砂、礫、卵石、塊石當(dāng)細(xì)顆粒含量小于14%時可認(rèn)為是非凍脹土［1］。

2)在路基中設(shè)置隔溫層，提高凍脹土的溫度，減少凍脹量的“隔溫法”，隔溫法適用于凍結(jié)深度大或者交通量較小，又缺少置換材料的情況。

泡沫隔溫材料主要有:EPS(發(fā)泡聚苯乙烯)類;XPS(擠塑聚苯乙烯)類;PU(聚氨酯)類。其厚度設(shè)計參考國外的常用厚度，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件確定。如:0.05 m和0.075 m。

泡沫隔溫材料宜鋪設(shè)在路床與基層之間，在泡沫隔溫層的上下面鋪設(shè)5cm厚粒徑約1cm的砂礫層。目的主要是:a.找平路基，為泡沫隔溫材料提供良好的支撐工作面，使泡沫材料與路基接觸密合，防止泡沫板的折斷與碎石嵌入泡沫材料;b.保證泡沫材料與基層的良好銜接，削弱或者消除凍脹。

3)在凍脹土中摻入石灰和水泥，改變其凍脹性質(zhì)，適用于路基回填區(qū)域。

4)降低凍結(jié)溫度的“穩(wěn)定處理法”。用于粘性土構(gòu)成的軟弱路基情況，也可以與置換法配合使用。

5)毛石墊層的應(yīng)用，適用于嚴(yán)寒、高水位、凍脹層較深的地區(qū)。

借鑒軟土地基的處理方法，結(jié)合地下水位高的特點，在路床與基層之間增加200mm，400mm碎毛石墊層，表面再用C8級混凝土找平，然后再按設(shè)計進(jìn)行基礎(chǔ)施工的方法。經(jīng)過這樣處理的高水位冰凍層較深的各種基礎(chǔ)，基本減少和消除了凍脹對基礎(chǔ)的危害［3］。

碎毛石墊層的優(yōu)點:a.松散碎石置于飽和的地下水中，水位升降、流動可以在石塊空隙中自由進(jìn)行，受力均勻;b.碎毛石為無規(guī)格的廢料，不需加工和修整，就地取材，施工簡單，鋪填容易，減少了拌漿和砌筑工序，節(jié)約材料，加快了施工速度;c.冬季大地凍脹收縮裂縫時，因碎石墊層有許多空隙具有彈性性能，凍脹拉力被無水泥膠結(jié)的碎石吸收，使之不能侵入上部路面結(jié)構(gòu)層，有“以柔克剛”之效。

6)提高路基填土高度是一種簡便易行、效果顯著且比較經(jīng)濟(jì)的常用措施。同時，也是保證路基路面強度和穩(wěn)定性，減薄路面，降低造價的重要途徑。

提高路基高度，增大路基邊緣至地下水或地面水位間的距離，從而減小了凍結(jié)過程中水分向路基上部遷移的數(shù)量，使凍脹減弱，減少翻漿的程度和可能性。

5 結(jié)語

通過對季節(jié)性凍土地區(qū)道路路面凍脹特點進(jìn)行分析，可以看出路面凍脹的原因是由于地表水滲入或地下水位過高產(chǎn)生毛細(xì)作用，排水不暢，再加上土質(zhì)為凍脹土等原因綜合作用的結(jié)果。

所以要解決凍脹問題，必須從源頭抓起，切實解決防水、排水、土質(zhì)和防凍等幾個方面的問題。

［1］ 管楓年，嚴(yán) 厲，楊冬玲.水平凍脹力對擋土墻的破壞作用及防凍害設(shè)計［J］.建筑技術(shù)，2009(10):38-39.

［2］ 孫德舉，董玉節(jié).淺論長春地區(qū)的凍土［J］.吉林勘查設(shè)計，2006(6):3-4.

［3］ 肖廣智.凍脹土地基碎毛石墊層的應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2003(2):66-67.

［4］ 谷憲明.季凍區(qū)道路凍脹翻漿機理及防治研究［D］.博士研究生論文，2007.