季節(jié)性凍土區(qū)路基水分橫向遷移機(jī)理研究

倪鐵山

摘 要：本文基于Harlan模型和吸附-薄膜理論，首先分析了發(fā)生橫向水分遷移的水分類型和來源，進(jìn)而分析了水分發(fā)生橫向遷移的動(dòng)力，最終結(jié)合已有工程處置方法，給出針對(duì)防止水分橫向遷移相應(yīng)的治理措施，并給出下一步研究試驗(yàn)的方向。

關(guān)鍵詞：季節(jié)性凍土區(qū)，水分橫向遷移，孔隙水，薄膜水

中圖分類號(hào)：TU752 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）10（c）-0022-02

我國(guó)有一半以上的國(guó)土屬于季節(jié)性凍土區(qū)，屬世界第三凍土大國(guó)。隨著氣候變暖，一方面加劇了現(xiàn)有季節(jié)性凍土區(qū)道路病害，另一方面也可能使多年凍土區(qū)遇到與季節(jié)性凍土區(qū)同樣的道路病害問題，甚至對(duì)已建成建筑產(chǎn)生更嚴(yán)重的破壞。因此，有必要加深對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)路基病害問題的研究，特別是路基凍害的研究。

1 季節(jié)性凍土區(qū)路基凍害分析

季節(jié)性凍土區(qū)路基凍害一直是困擾我國(guó)北方地區(qū)道路建設(shè)的一個(gè)重要問題。在季節(jié)性凍土區(qū)，伴隨著土中水凍結(jié)成冰和凍土中冰的融化而產(chǎn)生路基不均勻凍脹和融沉現(xiàn)象，進(jìn)而表現(xiàn)為路面的裂縫、凸凹不平、鼓脹、翻漿等。而路基凍脹主要是由于冬季氣溫下降，導(dǎo)致土體中的水尤其是外界補(bǔ)給水分的聚集凍結(jié)，同時(shí)土體的體積增大，進(jìn)而引起路基凍脹。事實(shí)上，自然條件下由于路基土質(zhì)、水分及凍結(jié)條件的不均勻性，路基會(huì)產(chǎn)生不均勻凍脹，從而導(dǎo)致路面開裂；而春季融化時(shí)，上部?jī)鐾潦紫热诨?，而下部?jī)鐾敛荒芗皶r(shí)融化，因此阻止了上部水分下滲，造成排水不暢，導(dǎo)致土顆粒間水膜增大，使土粒間摩擦阻力降低以至消失，也即使土的整體強(qiáng)度顯著減弱，在行車荷載作用下，路面即發(fā)生開裂、翻漿等病害。無論是凍脹還是融沉，都將造成路面平整度的降低甚至破壞，給道路的正常運(yùn)行帶來了安全隱患，同時(shí)也額外增加了公路養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。

2 水分橫向遷移過程機(jī)理

綜合已有研究可知[1～3]，水分遷移作用是導(dǎo)致路基不均勻凍脹的主要原因，所以研究均會(huì)從水分遷移模型出發(fā)，進(jìn)而研究路基凍脹和融沉作用機(jī)理，最后給出相應(yīng)病害處治與防治方法。目前針對(duì)水分發(fā)生豎向遷移，即主要的遷移方向，開展的研究比較多。雖然有論文介紹發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象[4]，但專門研究地基中水分橫向遷移的論文還沒有出現(xiàn)。本文基于Harlan模型和吸附-薄膜理論，主要研究路基中水分橫向遷移過程機(jī)理。

2.1 發(fā)生水分橫向遷移的水分

當(dāng)土壤一部分溫度降低，發(fā)生凍結(jié)的時(shí)候，附近溫度較高而尚未凍結(jié)的其它部分土壤里的水分，就會(huì)向溫度較低的凍結(jié)區(qū)移動(dòng)聚集。這是由于分子吸力的關(guān)系，土壤顆粒表面包著一層一定厚度的薄膜水。當(dāng)溫度降低薄膜水開始部分凍結(jié)的時(shí)候，剩下的水膜厚度減薄，分子吸力有了剩余，因而將較暖處的尚未凍結(jié)的薄膜水源源不斷地吸來，于是發(fā)生土壤水分向凍結(jié)區(qū)的聚流現(xiàn)象。而在化凍時(shí)這些聚集來形成冰層的大量水分不能一下子排出去，都積留在路基上層土壤里，導(dǎo)致經(jīng)過無數(shù)次凍溶循環(huán)最終形成翻漿。于是，要想有效避免凍脹和翻漿病害，必需從源頭上控制凍脹時(shí)期的水分積聚。

事實(shí)證明水分不單發(fā)生自下而上的豎向遷移，橫向遷移補(bǔ)給（包括路肩坡面、失效排水溝、路基中既有水分等）也是致使道路凍害的重要因素。水分的橫向遷移證據(jù)從一些路堤類路基調(diào)查資料中看得尤其清楚，因?yàn)槁返填惵坊艿叵滤绊懴鄬?duì)較小，受水分橫向遷移影響明顯。而發(fā)生水分橫向遷移的水分主要是孔隙水和薄膜水（弱結(jié)合水）。下面首先來分析一下這些水分的水源。

2.1.1孔隙水

孔隙水來源廣泛，可以是路肩坡面滲水、排水溝積水、甚至附近水塘等。在凍結(jié)過程中，由于路面?zhèn)鳠峥?，下面的土壤冷卻得快，因而被浸濕的邊坡的水分便會(huì)在溫差作用下進(jìn)入路面下的凍土區(qū)去，在開始春融時(shí)期，路面和路肩表層先融化，而路基的下部尚不能完全有融化，這時(shí)如果氣溫不繼續(xù)升高，甚至還再冷一下，即所謂“乍暖還寒”的氣候，化凍便不繼續(xù)深人，表面已化凍部分的土壤中的水分，在溫差作用下，還會(huì)繼續(xù)向路面下或路基下部?jī)鐾羺^(qū)聚流，因而加重了將來的翻漿程度。

2.1.2薄膜水

一定量薄膜水（弱結(jié)合水）廣泛存在于非飽和土孔隙中，特別是未處理的部分路基土中。當(dāng)非飽和土凍結(jié)時(shí)，增長(zhǎng)的冰晶從鄰近的水化膜中奪走水分，使水化膜變薄，而相鄰的厚水化膜向薄水化膜補(bǔ)充水分，這樣就形成了水分向凍結(jié)鋒面運(yùn)移。薄膜水（弱結(jié)合水）是水分豎向遷移的主要對(duì)象之一，因而已經(jīng)得到廣泛的研究。另外，薄膜水（弱結(jié)合水）可以以毛細(xì)水為水源從而產(chǎn)生持續(xù)的遷移，進(jìn)而顯著改變地基土的含水量。

2.2 橫向水分遷移的動(dòng)力—— 土水勢(shì)

在此引入土水勢(shì)這一定義[5]；在凍土中，水分的遷移是緩慢的，所以凍土中的水分可以忽略動(dòng)能，只具有勢(shì)能，土中水分所具有的勢(shì)能稱為土水勢(shì)?？偼了畡?shì)由基質(zhì)勢(shì)ψm、壓力勢(shì)ψp、溶質(zhì)勢(shì)ψs、重力勢(shì)ψg、溫度勢(shì)ψt五種組成?；诖耍诌w移的唯一的原則是自土水勢(shì)ψ高處向土水勢(shì)低處遷移流動(dòng)。于是可知，土水勢(shì)梯度即為凍土中水分遷移的驅(qū)動(dòng)力。針對(duì)橫向水分遷移特點(diǎn)，主要考慮其中的基質(zhì)勢(shì)和溫度勢(shì)。

2.2.1基質(zhì)勢(shì)

基質(zhì)勢(shì)是由于基質(zhì)吸力對(duì)土中固體顆粒做功引起的。它是土水勢(shì)的一個(gè)重要的分勢(shì)，對(duì)非飽和土的水分保持和運(yùn)動(dòng)起著重要作用。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)同一種土來說，基質(zhì)勢(shì)主要隨含水率增大而減小。土中水分被土基質(zhì)勢(shì)吸持后，其自由能大大降低，相應(yīng)的土水勢(shì)值減小。吸持作用越強(qiáng)，自由能降低越多，土水勢(shì)越小。換句話說，基質(zhì)勢(shì)值越大，則土水勢(shì)值越小，導(dǎo)致橫向水分遷移力也越小。

有以下三種原因可能產(chǎn)生基質(zhì)勢(shì)；（1）膠體顆粒具有巨大的表面能；（2）土粒間的孔隙具有毛管性；（3）土顆粒吸附離子的水化作用。非飽和土中由基質(zhì)勢(shì)產(chǎn)生的基質(zhì)吸力，主要由兩方面因素相互作用形成；孔隙氣壓力和毛管吸力。其中毛管吸力是由水的表面張力引起的毛細(xì)現(xiàn)象引起的。而基質(zhì)吸力是孔隙氣壓力與毛管吸力的差值。研究表明，孔隙氣壓力與毛管吸力大小主要同土顆粒的粒度組成、土的壓實(shí)效果、土的礦物成分等因素有關(guān)。因此，基質(zhì)勢(shì)大小也是同土顆粒的粒度組成、土的壓實(shí)效果、土的礦物成分等因素相關(guān)的函數(shù)。

當(dāng)土顆粒由大變小，其比表面積由小變大，與水相互作用的能量也越強(qiáng)，自由就能越低，導(dǎo)致橫向遷移力減弱。因此隨著粗顆粒土中細(xì)顆粒含量的增大，其凍脹性則相應(yīng)地減小。土粒間孔隙的毛管性與路基土的壓實(shí)效果有重大關(guān)系。當(dāng)路基壓實(shí)效果很好，則土顆粒很密實(shí)，有效的阻斷了毛管通道，就可以顯著的減少毛管發(fā)生。土顆粒所含礦物如果具有較強(qiáng)的離子交換能力，能牢牢結(jié)合大量水分，就會(huì)使這類土而水分遷移量也較低。這為我們?nèi)绾谓档蜋M向水分遷移指明了方向。

2.2.2溫度勢(shì)

溫度勢(shì)就是由土中溫度場(chǎng)的溫差所引起，而土中各點(diǎn)的溫度和標(biāo)準(zhǔn)參考溫度之差就決定了溫度勢(shì)的大小。溫度勢(shì)梯度是水分遷移的重要誘導(dǎo)因素，溫度勢(shì)的變化對(duì)水分遷移有很大影響，事實(shí)上凍脹發(fā)生最直接的原因就是溫度降低。路基土在凍融過程中，由于梯度明顯的溫度場(chǎng)存在，特別是不均勻性，不僅引起水質(zhì)點(diǎn)周圍力的重新分布，同時(shí)還引起其它因素的改變，而這些因素又會(huì)對(duì)水分遷移產(chǎn)生更多的影響。

水分的橫向遷移過程不僅會(huì)受到以上基質(zhì)勢(shì)和溫度勢(shì)的作用，還會(huì)受到其它作用，比如易溶鹽含量偏高時(shí)產(chǎn)生的溶質(zhì)勢(shì)或者荷載作用下產(chǎn)生壓力勢(shì)等方面的作用。試驗(yàn)表明，易溶鹽含量偏高時(shí)產(chǎn)生的溶質(zhì)勢(shì)不但可以降低冰點(diǎn)，而且能夠抑制水分遷移，副作用是會(huì)導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低。正如前述，在水分橫向遷移過程中，一般是這兩種作用最顯著。當(dāng)條件比較特殊時(shí)，其它因素的作用可能增大，因此應(yīng)該合理分析，并區(qū)別對(duì)待。

由于高等級(jí)道路常采用的黑色路面，水分的橫向遷移問題常常顯得更明顯。因?yàn)楹谏访娌牧蟼鳠岜韧寥揽斓枚啵?dāng)冬天降溫的時(shí)候，路面下的土壤比兩旁路肩下的土壤冷的快、凍結(jié)早，于是不但路基下部，而且兩旁路肩尚未凍結(jié)部分土壤里的水分，都向路面下先凍結(jié)的土壤處聚集。而到了春天化凍時(shí)期，路面下的土壤又比路肩下的土壤暖得早、化得快，于是路基下面殘余未化的土壤形成凹槽狀，阻止化凍水分正常排出去，因而土基下土壤的含水量便會(huì)逐年增加，直至出現(xiàn)病害問題。

3 結(jié)語與展望

事實(shí)上，在冬季結(jié)冰期，凍結(jié)鋒面以上的土?xí)捎谒纸Y(jié)冰阻斷橫向遷移通道，從而減緩甚至停止水分的橫向遷移。但是由于水源充足，在春融和秋雨的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)更多的橫向遷移。水分橫向遷移是水分它向遷移的一部分，其它還有從路面、路肩或邊坡等向下的水分遷移，可以為水分橫向遷移提供水源。另外，作為路基中水分遷移的主體之一—— 從下層土基向路基中的豎向水分遷移，是現(xiàn)在研究最多，也是主動(dòng)采取規(guī)范性工程措施[6]的對(duì)象。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)的道路凍脹翻漿破壞主要的防治措施有；（1）對(duì)于重要路段路面采用冰凍穩(wěn)定性良好的二灰土來修建，以改善路基結(jié)構(gòu)；（2）設(shè)置砂礫墊層；（3）提高路基填筑高度；（4）基底鋪設(shè)土工織物；（5）采用油氈紙做不透水性隔離層；（6）設(shè)置排水溝、截水溝、路肩明溝及擴(kuò)大邊溝。

規(guī)范和施工中均未對(duì)阻止橫向水分遷移給出明確規(guī)定，但是對(duì)于路堤類路基或者附近有明顯水源的情況下，橫向水分遷移對(duì)路基的影響還是很顯著的，因此有必要采取相應(yīng)的防治措施。根據(jù)本文的分析，建議采取以下工程措施；（1）通過相應(yīng)構(gòu)造施工，將防水層擴(kuò)展到路基的側(cè)向，阻斷或降低橫向水源的補(bǔ)給；（2）改善路基填料組合，減少路基土中粉土含量；（3）通過改善施工工藝，提高路基壓實(shí)效果。另外，水分橫向遷移的相關(guān)理論還有待完善，還有待于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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