季節(jié)性凍土地區(qū)路基凍融效應特征

郭麗

（綿陽市涪城區(qū)西南科技大學 四川綿陽 621000）

1 季節(jié)性凍土分布特征

凍土，是指溫度等于或低于零攝氏度且含有固態(tài)冰的各類土。根據(jù)其凍結(jié)時間可分為短時凍土、季節(jié)凍土、隔年凍土和多年凍土。[1]季節(jié)性凍土指對溫度的敏感度高，冬季土體內(nèi)水分結(jié)冰，夏季融化，交替產(chǎn)生凍結(jié)和融化循環(huán)變化的一類土。

在我國，季節(jié)性凍土面積為513.7×104km2，約占全國國土面積的53.5%。其中深季節(jié)凍土（凍深＞lm）約占全國國土面積的1/3。[2]主要分布于東北三省、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏、新疆北部、青海和川西等中緯度地帶以及高寒山區(qū)。

2 季節(jié)性凍土地區(qū)凍融效應類型及特征

2.1 凍脹

冬季負溫使路基土體內(nèi)的水分結(jié)冰而體積膨脹，在持續(xù)的負溫條件下，路基的凍結(jié)鋒面不斷下降，最終達到最大凍結(jié)深度，同時未凍結(jié)區(qū)的水分因毛細作用不斷向上遷移，形成大體積冰晶體，這種現(xiàn)象稱為凍脹。路基的凍脹變形通常分為三個階段?？焖侔l(fā)展階段，路基的凍脹速率最大，凍脹量不斷增大直至達到最大凍脹量；穩(wěn)定發(fā)展階段，因凍脹達到最大凍結(jié)深度后，路基凍脹量基本維持在同一水平；融化回落階段，溫度升高，凍結(jié)層從上至下依次融化，直至融化線與凍深線重合，凍脹變形基本復原。[3]通常情況下，路基的凍脹變形沿道路長度范圍內(nèi)分布不均勻，因此路面平順度差，柔性路面易產(chǎn)生隆起、開裂，剛性路面易錯縫折斷，影響道路正常使用。

2.2 翻漿

翻漿是道路在凍脹作用條件下產(chǎn)生的特有的凍害現(xiàn)象。當春季回溫，路基上部聚冰先融化，積累大量自由水，路基下部聚冰融化較慢，形成不透水層，水分不能及時排出，基床被軟化，甚至成為流動的泥漿，強度大大降低，在車輛荷載的作用下，路面下沉，飽和水泥漿從裂縫中擠出而造成開裂、冒漿的情況稱為翻漿。

3 季節(jié)性凍土地區(qū)凍融效應影響因素

3.1 凍脹作用的影響因素

分析凍害現(xiàn)象的機理可知，凍脹作用是凍害現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因。因此，研究土壤凍脹作用的影響因素是我們有效處理凍害現(xiàn)象的基礎(chǔ)條件。在現(xiàn)代凍脹理論研究中，人們普遍接受“水分遷移是導致土體凍脹根源”這一說法。對于凍土而言毛細作用是水分遷移的主要動力，而毛細作用又與土質(zhì)、地下水位、溫度、外界附加荷載等有直接關(guān)系。所以我們認為，影響凍脹作用的因素有土質(zhì)、水分、溫度、附加荷載等。

3.1.1 土質(zhì)條件

土是的多相性使得自身的物理及力學特性十分復雜，土的內(nèi)在條件如粒徑、密實度、礦物成分、孔隙、含水量等，往往是土壤物理特性的決定性因素，土的凍脹敏感性就是其中的典型。

李向群通過室內(nèi)凍脹實驗，在含水量不變的條件下，得出不同干重度與凍脹率的關(guān)系曲線，證明土的密實度越高，凍脹作用越強；礦物組分是土顆粒的重要組成部分，含碎屑礦物諸如石英、白云母較多的土，毛細現(xiàn)象弱，凍脹作用弱，含親水性較強的粘性礦物成分如蒙脫石、伊利石等的土，毛細現(xiàn)象明顯，凍脹作用強；趙安平在他的季凍區(qū)路基土凍脹的微觀機理研究中，研究了壓實度、凍結(jié)溫度、含水量與凍脹量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在每個凍融循環(huán)過程中，土孔隙的大小及數(shù)量一直發(fā)生變化，并得出孔隙對凍脹起主導作用的結(jié)論；土中的鹽分降低冰點，有利于抑制凍脹。

3.1.2 水分條件

適當?shù)乃质峭涟l(fā)生凍脹現(xiàn)象的必要條件。當土中初始含水量超過其凍脹臨界含水量時，凍脹才可能發(fā)生。在無外界水源補給的情況下，地表水和大氣降水是路基水分的來源，直接決定路基土體凍脹量的大小。土體凍結(jié)時，水分遷移的數(shù)量及其持續(xù)性，取決于地下水的埋置深度，凍脹量隨地下水位的加深逐漸減小。

3.1.3 溫度條件

溫度梯度越大，凍脹作用越強。在有外界水分補給的開放體系中，溫度梯度同樣是影響凍脹作用的重要因素之一。溫度對地基土凍脹的影響具體反映在地基土的凍結(jié)深度和凍結(jié)速率上。土體凍結(jié)后，在相同土質(zhì)條件下，負溫持續(xù)時間越長，凍結(jié)深度越大，凍脹量越大；而凍結(jié)速率越快，水分向凍結(jié)區(qū)的遷移速度越快，凍脹作用就越強。

3.2 翻漿的影響因素

3.2.1 自然因素

水分因素。對于與地下水位越高、平均降水量越多的地區(qū)，上層路基累加大量聚冰融化的自由水，普遍翻漿嚴重。

土質(zhì)因素。粉性土、粘性土路基中的毛細作用強，水分遷移量大，大量的水分聚流到路面很近的地方，路基的穩(wěn)定性差，翻漿現(xiàn)象較其他種類的路基土嚴重。

溫度因素。凍融速度的快慢對形成翻漿的影響很大。對于冷暖交替出現(xiàn)的地區(qū)，凍結(jié)線長期停留在路面下較淺處，容易發(fā)生翻漿現(xiàn)象。反之，如果冬季溫度驟降到較低的溫度，凍結(jié)線很快下降到距離路面較深的地方，路基快速達到最大凍結(jié)深度，路基上部聚冰少，春融期積累的水分就越少，就不易出現(xiàn)翻漿現(xiàn)象。春季化凍速度越快，翻漿越嚴重。

3.2.2 人為因素

設(shè)計因素。路基填土設(shè)計標高不夠、路拱高度不足都會增加翻漿現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性。此外，混凝土路面最初的配合比設(shè)計包括勻質(zhì)程度、水灰比大小、外摻加劑、密實程度都與翻漿有關(guān)。有實驗證明，水灰比越小，水泥漿孔隙越少，混凝土的抗?jié)B性、抗凍性就越好，翻漿就越不容易發(fā)生。

施工因素。保證填土有足夠大的壓實度，保證拌合物拌合均勻、鋪攤平整，對提前預防翻漿的發(fā)生起到一定作用。

養(yǎng)護因素。道路填縫料長期暴露在環(huán)境中，耐久性能變差，及時更換整修填縫可減輕道路翻漿程度。做好路面清潔工作，避免路面雜物因阻礙排水系統(tǒng)的工作而導致路基排水不良，翻漿加重。

車輛荷載。車輛荷載的直接作用是導致路面翻漿的外部條件，車輛荷載越大，反復性越大，造成的翻漿現(xiàn)象越突出。

4 目前常用的凍害處理手段

凍害現(xiàn)象的產(chǎn)生是土質(zhì)、水分、溫度和荷載相互影響、共同作用的結(jié)果，目前常用的防治措施就是從凍害的產(chǎn)生機理入手，針對性的采用相應的措施。

4.1 路基填料加固

改變土壤凍脹敏感特性的方法主要有換填和添摻加劑兩種。換填指將路基凍結(jié)深度以上的部分甚至全部凍脹敏感性土挖去，換填成弱凍脹性的土，該方法能從根源上防治凍害，適用范圍廣，但造價過高；多項實驗表明添加土壤改良劑效果不錯，但各地區(qū)土質(zhì)條件相差各異，局限性太強，并未在實際工程中廣泛應用。

4.2 改善路基水分狀態(tài)

除了設(shè)置排水溝、截水溝以外，使用優(yōu)質(zhì)粉煤灰能提高混凝土的密實度，改善混凝土的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，阻止及水分的滲入；阻礙土壤水分遷移路徑是另一種有效途徑，常用方式有提高路基的填土高度，使路基持力層邊緣盡量遠離地下水位，減少凍結(jié)過程中的水分遷移量。

4.3 改變路基溫度場

負溫環(huán)境是使季節(jié)性凍土發(fā)生凍脹的基本條件，工程上常采取適當?shù)谋卮胧﹣砀淖兟坊臏囟葓?，降低凍深，從而減小凍脹量。但是大量實驗表明，目前應用的保溫材料普遍存在耐久性能差、防水性能差、強度不高的缺陷。

5 結(jié)語

凍脹、翻漿病害一直是季凍地區(qū)道路建設(shè)中常遇的難題，雖然在目前的工程實踐中已經(jīng)應用了不少凍害防治手段，但這些方法仍然存在不同程度的缺陷。在研究凍脹成因和規(guī)律的基礎(chǔ)上，以新的思路探究出一套簡單、經(jīng)濟、有效并且可以廣泛應用的凍害處理技術(shù)，有很大的前景。