齊齊哈爾地區(qū)路基凍脹成因淺析與治理措施

楊君波

(齊齊哈爾市鐵鋒區(qū)市政園林管理處)

齊齊哈爾市位于中國東北的松嫩平原，地處東京120°～126°、北緯45°～48°線地帶，緯度偏高。冬季寒冷漫長，年凍結(jié)時(shí)間長，極端最低氣溫在 -36.7～-23.9℃之間，最大凍深2.2 m，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。在平原潛水分布區(qū)，含水層調(diào)蓄能力強(qiáng)，補(bǔ)給量充沛，地下水埋藏淺。大部分地域土質(zhì)為黑土、黑鈣土，粉土粒含量較高。在特定的自然環(huán)境影響下使這一地區(qū)的道路凍脹病害頻繁發(fā)生。

1 路基凍脹病害產(chǎn)生原因

1.1 凍脹前的不利因素

齊齊哈爾市冬季寒冷，處在深季節(jié)性凍土區(qū)域，雨季一般集中在八、九月份，這就使得秋季地表潮濕和地下水位升高，當(dāng)路基填土較低且處在不良的粉性土分布區(qū)時(shí)，凍前土基內(nèi)的含水量便會(huì)較大，客觀上給凍脹時(shí)水分積聚創(chuàng)造了有利條件。

1.2 凍結(jié)時(shí)水分積聚過程和凍脹的形成

齊齊哈爾地區(qū)無霜期短，初冬未到大氣溫度即降至負(fù)溫。當(dāng)土基上層溫度低于0℃以下時(shí)，土中液態(tài)水凍結(jié)為固態(tài)冰，冰膠結(jié)了土顆粒，形成凍土。在正溫區(qū)，因0℃等溫線附近土層中自由水的凍結(jié)，形成了與深土層間的溫度坡差，從而使下層水分向凍結(jié)區(qū)遷移聚流。若凍結(jié)線下移緩慢且地下水位較高時(shí)，會(huì)使負(fù)溫區(qū)得到源源不斷的水分補(bǔ)給，使凍結(jié)區(qū)土層中的結(jié)晶冰逐漸增多，形成含有大量結(jié)晶冰的聚冰層。土基中水分凍結(jié)后體積膨脹，當(dāng)膨脹量超過土顆粒之間空隙所能容納的體積后，便會(huì)引起土體的隆起，形成凍脹。由于路基土壓實(shí)密度和含水量不一致，導(dǎo)致凍脹具有不均勻性，使路基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻變形，當(dāng)這種變形一旦超過允許值，路基就被破壞。

1.3 路基翻漿的產(chǎn)生

凍脹是翻漿的前因，翻漿是伴隨著凍脹而發(fā)生的。進(jìn)入春融期后，受大陸性季風(fēng)氣候影響氣溫迅速回升，土基解凍較快。由于路面導(dǎo)熱性大，路中融解速度較兩側(cè)快，使融解后的過量水分不易向下及兩側(cè)排除，路基上層便呈現(xiàn)過濕狀態(tài)。當(dāng)融解到聚冰層時(shí)，土層的濕度達(dá)到最大值，有時(shí)甚至超出液限。水的潤滑作用，使土顆粒之間的距離增大、摩阻減小，因此土基承載能力極低，在車輛荷載的反復(fù)作用下，路面往往會(huì)出現(xiàn)彈簧狀，并有泥漿從路面裂縫中擠出或形成較深的車轍和鼓包，產(chǎn)生道路翻漿。

2 導(dǎo)致路基凍脹的主要影響因素

2.1 土質(zhì)對(duì)凍脹的影響

形成路基土凍脹的主要因素是土質(zhì)，凍脹破壞程度與土顆粒的粒徑大小有直接關(guān)系。凍脹現(xiàn)象通常都發(fā)生在粉性土中，這是因?yàn)榉坌酝令w粒的粒徑小，單位體積土顆?？偙砻娣e大，在凍結(jié)過程中粉性土吸水性強(qiáng)，吸附的水較多，能夠形成通暢的毛細(xì)水補(bǔ)給通道，并且毛細(xì)水上升高度大，上升速度也快，這些不利因素促使凍脹形成。反之，粒徑＞0.25 mm的砂性土，在無粉土、粘土顆粒填充情況下，表面能很低，表面吸附作用幾乎沒有，很難形成薄膜機(jī)構(gòu)或毛細(xì)機(jī)構(gòu)，凍脹性就很小或不產(chǎn)生凍脹。

2.2 氣溫對(duì)凍脹的影響

土體溫度變化是產(chǎn)生路基凍脹的主要原因之一。路基的凍脹過程實(shí)際是氣溫對(duì)土體溫度的影響與變化過程，土體溫度變化使路基內(nèi)不同深度處出現(xiàn)溫差，在溫差的影響下，土基中的水分以液態(tài)或氣態(tài)由高溫區(qū)向低溫區(qū)積聚，從而使路基中的濕度分布發(fā)生變化。特別是齊齊哈爾地區(qū)，冬季寒冷，凍深非常大，使水分向土基上層凍結(jié)區(qū)積聚現(xiàn)象就更為明顯，發(fā)生凍脹的可能性也更大。但是路基能否出現(xiàn)嚴(yán)重凍脹還取決于負(fù)溫度向下滲透的速度，如果冬季大氣負(fù)溫下降遲緩，凍結(jié)線向下推移速度慢，凍結(jié)區(qū)得到水分補(bǔ)給時(shí)間長，形成結(jié)晶冰的量大，出現(xiàn)嚴(yán)重凍脹的可能性就大。反之，在冰凍季節(jié)初期，氣溫驟降，凍結(jié)線很快下降至距路面較深的部位，毛細(xì)水補(bǔ)給通道短時(shí)間內(nèi)被凍結(jié)堵塞，路基上層聚冰量少，就不會(huì)產(chǎn)生明顯的凍脹。

2.3 水對(duì)凍脹的影響

水是路基產(chǎn)生凍脹的直接原因，路基凍脹就是由于路基土中所含的水分由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)后體積增大產(chǎn)生的。但是路基土產(chǎn)生凍脹，并不完全是因?yàn)橥馏w初始水分凍結(jié)后體積膨脹的結(jié)果，只有當(dāng)土體在凍結(jié)時(shí)能夠獲得充足的外來水分補(bǔ)給，且含水量達(dá)到一定界限值之后才會(huì)產(chǎn)生凍脹。齊齊哈爾地區(qū)之所以凍脹頻繁發(fā)生除與秋季大氣降水較多有關(guān)聯(lián)外，還與齊齊哈爾地域平坦，淺層地下水蘊(yùn)藏總量豐沛，地下水位普遍較高有更直接的關(guān)系。水分補(bǔ)給量決定了路基凍脹的輕重與否，路基在凍結(jié)過程中如果沒有充足的補(bǔ)給水源，路基中結(jié)晶冰的含量就不足矣形成能夠引起嚴(yán)重凍脹的聚冰層，此時(shí)路基的凍脹就是輕微的或不發(fā)生凍脹。反之，路基在凍結(jié)過程中如果能夠獲得充足的外來水分補(bǔ)給，就可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重凍脹。

3 路基凍脹的危害

齊齊哈爾地區(qū)的道路凍脹病害具有一定的普遍性，市區(qū)內(nèi)的一些主要街路及一些縣、鄉(xiāng)級(jí)公路每年都會(huì)因路基土質(zhì)問題及地下水的作用，而出現(xiàn)不同程度的凍害。道路凍脹病害即有因路基凍脹引發(fā)的破壞，還包括因凍脹導(dǎo)致的路基翻漿對(duì)道路造成的破壞，其結(jié)果都使路面和路基結(jié)構(gòu)被破壞。凍脹使柔性路面鼓包、開裂，剛性路面錯(cuò)縫、折裂。翻漿使黑色路面出現(xiàn)較深的車轍溝或鼓包，白色路面則出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)和斷裂。由此不難看出，凍脹對(duì)道路構(gòu)成的危害性是非常大的。

4 路基凍脹病害的治理措施

路基凍脹是土質(zhì)、凍結(jié)溫度和水互為條件相互作用的結(jié)果。掌握路基凍脹形成規(guī)律，在道路設(shè)計(jì)和施工中采取有效的防凍脹措施，路基凍脹是完全可以預(yù)防的。產(chǎn)生凍脹的必要條件是溫度、土質(zhì)和水，三個(gè)因素缺一不可。因此，控制路基土凍脹，必須從這三方面入手，只要消除這三個(gè)因素其中的一個(gè)，就能達(dá)到防治的目地。

4.1 土質(zhì)控制

土質(zhì)結(jié)構(gòu)與路基能否發(fā)生凍脹至關(guān)重要，在制定防治道路凍脹措施前，首先應(yīng)對(duì)道路用地范圍內(nèi)的土質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)查，必要時(shí)可以在凍脹影響深度范圍內(nèi)，通過鉆探取樣了解各層土的土質(zhì)、粒度組成、密實(shí)度、含水量等內(nèi)容。對(duì)有些土質(zhì)的凍脹情況難以界定時(shí)，可以通過凍脹實(shí)驗(yàn)進(jìn)行取證。如果土質(zhì)確實(shí)存凍脹隱患，設(shè)計(jì)單位應(yīng)依據(jù)調(diào)查結(jié)果，提出相應(yīng)的防凍脹技術(shù)要求，用非凍脹性材料，換填部分凍脹敏感性土，彌補(bǔ)土質(zhì)缺陷，限制土基的凍脹量不超過允許值，達(dá)到消除凍脹的目地。

4.2 隔溫控制

溫度是產(chǎn)生凍脹的必要條件之一，凍脹現(xiàn)象就是由于溫度變化形成的。因此熟悉和掌握齊齊哈爾地區(qū)的溫差變化情況及凍深就更顯得尤為重要，它可為道路防凍脹設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。對(duì)于不能滿足凍脹要求的結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)層的厚度或采用隔溫性能好、承載能力高、和耐水性能好的材料，做隔溫處理，控制凍結(jié)作用向路基深部侵入，滿足防凍脹技術(shù)要求。

4.3 控制路基含水量

在各種自然因素中，水對(duì)路基土凍脹的影響最大，凍脹形成時(shí)一定有充足的外來水分補(bǔ)給，否則，就不會(huì)發(fā)生凍脹。如果在凍結(jié)前能夠排出路基土中的水分和隔斷其他外來水分，即可達(dá)到防止路基凍脹的目地。因此，在對(duì)道路凍脹病害進(jìn)行治理時(shí)，必須重點(diǎn)考慮齊齊哈爾地區(qū)秋季降雨量集中，使地下水位季節(jié)性升高這一因素。認(rèn)真查清引發(fā)路基土凍脹時(shí)補(bǔ)給水的來源，提前采取措施，對(duì)路面裂縫及時(shí)進(jìn)行灌填修補(bǔ)，防止雨水通過裂縫滲入路基;地面積水通過疏導(dǎo)排至路邊溝或雨水管線，避免地上水向路基滲透;對(duì)地下高水位進(jìn)行工程降水或設(shè)置隔離層，阻止毛細(xì)水上升進(jìn)入路基上部，保持路基上部土體處于干燥狀態(tài)。

5 結(jié)語

路基凍脹是齊齊哈爾地區(qū)道路主要病害之一，不良的水文、氣候、土質(zhì)是導(dǎo)致路基凍脹的主要因素。深入了解和掌握路基凍脹形成的規(guī)律，對(duì)導(dǎo)致凍脹的主要影響因素加以控制，采取科學(xué)的應(yīng)對(duì)措施，消除凍脹隱患，增強(qiáng)路基的抗凍性能，使路基在不良水溫作用下仍能保持足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。只有這樣才能有效的控制路基凍脹形成，防止道路凍脹病發(fā)生。

［1］ 金榮莊，尹相忠.市政工程質(zhì)量通病及防治［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］ 周傳林.市政道路養(yǎng)護(hù)與管理［M］.人民交通出版社，2009.