高寒地區(qū)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(xué)研究所)

高寒地區(qū)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(xué)研究所)

對高寒地區(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?？蔀榻窈蟾吆貐^(qū)路基土的施工、設(shè)計(jì)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(jié)過程中水分的冰析作用和遷移積聚現(xiàn)象是導(dǎo)致路基土不均勻凍脹的直接因素。凍脹性的強(qiáng)弱主要取決于土體凍結(jié)時的溫度、土體中含水率及水分的補(bǔ)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(jié)鋒面向下推進(jìn)和已凍土溫度持續(xù)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(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)對路基土產(chǎn)生凍脹的影響

土體的礦物成分、密實(shí)度及粒度成分是土質(zhì)對路基土產(chǎn)生凍脹的影響主要影響因素。

當(dāng)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(chǎn)生凍脹，但隨著土顆粒粒徑的減小，彼此間空隙減小導(dǎo)致土體分散性增，凍脹性也隨之變大;當(dāng)土顆粒粒徑在0.1～0.05 mm范圍時，土體就會發(fā)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(dāng)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(dǎo)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(dāng)路基土的土顆粒較細(xì)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(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(xué)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(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。

土的密實(shí)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(dāng)密實(shí)度較小的土體凍結(jié)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(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)成冰后的膨脹空間收到限制這也會導(dǎo)致路基土凍脹量的增大。當(dāng)土體達(dá)到某一個標(biāo)準(zhǔn)的密實(shí)度時，土顆粒間的孔隙最小達(dá)到了最佳的顆粒聚集條件，這時的土體的密實(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 水對路基土產(chǎn)生凍脹的影響

促使路基土產(chǎn)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(shí)質(zhì)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(chǎn)生凍脹的補(bǔ)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(chǎn)生凍脹的必要條件。但在凍結(jié)過程中含有水分的路基土不一定在凍結(jié)后都會使產(chǎn)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(chǎn)生凍脹。這一定值為在負(fù)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(dāng)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(jié)水分充滿，土體也不會產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。

路基土凍結(jié)過程中，在沒有外界水源補(bǔ)給的條件下，路基土內(nèi)部的水分在溫度梯度作用下引起的遷移積聚也不會產(chǎn)生較大的凍脹量;如果在有外界水補(bǔ)給的時候情況就不同了，外界補(bǔ)給可以為土體凍脹提供源源不斷的水源產(chǎn)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(xì)管上升高度的影響，當(dāng)?shù)叵滤c凍結(jié)鋒面距離小于或等于毛細(xì)管水上升高度時，路基土在毛細(xì)水補(bǔ)給的條件下也將產(chǎn)生較大的凍脹量。

2.3 溫度對路基土產(chǎn)生凍脹的影響

在高寒凍土地區(qū)路基土中的溫度是隨著外界環(huán)境溫度的變化而發(fā)生不斷變化的。負(fù)溫是路基土產(chǎn)生凍結(jié)的前提條件，也是決定路基土的凍結(jié)過程、時間以及未凍水含量的基本因素。路基土在凍結(jié)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(jié)液態(tài)水成為凍土中的未凍水，這部未凍水與固態(tài)冰之間保持著動態(tài)平衡的關(guān)系:當(dāng)路基土溫度升高時，部分冰融化轉(zhuǎn)化為未凍水路基土含水率增大。相反，當(dāng)路基土溫度降低時部分未凍水凍結(jié)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?yàn)樵谪?fù)溫且封閉的條件下路基土中的水分不斷凍結(jié)，自由水含量不斷減少，含冰率逐漸增大最終導(dǎo)致路基土體積變大產(chǎn)生凍脹。

負(fù)溫條件下，路基土中溫度的變化速率將決定路基土的凍結(jié)速度同時也會影響到路基土的凍脹量。凍結(jié)鋒面在路基土中的推進(jìn)速度反應(yīng)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)過己凍區(qū)域并且向上傳遞的熱量大于未凍區(qū)域通過熱傳導(dǎo)方式傳遞上來的熱量時，在凍結(jié)鋒面上就會有冰析。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。路基土凍脹量的大小與外界環(huán)境溫度下降速度及路基土中凍結(jié)鋒面向下的凍結(jié)速度有著直接關(guān)系。外界大氣溫度降低較快且冷卻強(qiáng)度較大時，凍結(jié)鋒面向下凍結(jié)的速度越快。此時路基土中的毛細(xì)水和弱結(jié)合水還來不及向低溫凍結(jié)鋒面遷移積聚就被原地凍結(jié)，被凍結(jié)的冰晶體也堵塞了毛細(xì)水的補(bǔ)給通道，由于水分遷移和積聚無法發(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，路基土無明顯凍脹。相反，如果外界氣溫下降緩慢、負(fù)溫持續(xù)時間較長且冷卻強(qiáng)度較小時，路基土中的毛細(xì)水和自由水不斷的向低溫凍結(jié)鋒面遷移積聚，在路基土中出現(xiàn)冰夾層且產(chǎn)生較為明顯的凍脹現(xiàn)象。

2.4 外荷載對路基土產(chǎn)生凍脹的影響

外荷載會對路基土的凍脹產(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)影響了整個路基土中的水分相態(tài)轉(zhuǎn)化。同時在荷載的作用下，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)的水分向凍結(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)時土中的水向凍結(jié)區(qū)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(jié)前和凍結(jié)的過程中滲入到路基土體中。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

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(xì)水的補(bǔ)給使路基土體保持干燥狀態(tài)。排除地下水應(yīng)在路基下集中水流處設(shè)置暗管或暗溝，暗管或暗溝應(yīng)設(shè)于最大凍結(jié)深度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。排除地表水應(yīng)在挖方路段界外設(shè)截水溝或攔水埂，土質(zhì)截水溝必須做底、壁鋪砌。設(shè)置的路基邊溝溝底縱坡不宜小于0.75%，溝底應(yīng)低于路床頂面至少0.3 m;土質(zhì)邊溝側(cè)面和底面宜鋪筑漿砌體。

3.2 提高路基土壓實(shí)度

經(jīng)研究表明壓土體的實(shí)度越與凍脹率成反比，當(dāng)壓實(shí)度較小時土體中毛細(xì)水的上升的高度較高，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%時土體孔隙中的水分主要以弱結(jié)合水存在，整個孔隙幾乎都被弱結(jié)合水占據(jù)了，這也阻斷了毛細(xì)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(yīng)減小。因此，在施工時應(yīng)嚴(yán)格控制路基土的壓實(shí)度。

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)條件對路基土產(chǎn)生凍脹的影響，針對不同的地質(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，在筑路時應(yīng)嚴(yán)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(shí)的厚度，必要時采取其他有效方法壓實(shí)方法，如用振沖式壓路機(jī)對路基進(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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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(diǎn)科技項(xiàng)目(HJ2008018)。