路基土中自由水分對(duì)公路病凍害影響的分析研究

雷忠明

摘 要：公路工程質(zhì)量事關(guān)國(guó)計(jì)民生，是人們對(duì)美好生活質(zhì)量追求不可或缺的一部分，文章從路基土壤中自由水方面論述出發(fā)，研究自由水、最大凍結(jié)深度、汽車輪載工作區(qū)范圍內(nèi)地下水毛細(xì)水病凍害對(duì)公路質(zhì)量的影響，并總結(jié)了一些應(yīng)對(duì)措施和方法。

關(guān)鍵詞：自由水分;公路病凍害;分析研究

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)交通運(yùn)輸?shù)囊蟊貙⒃絹?lái)越高，而良好的路面質(zhì)量是滿足人們安全出行的必然需求，為此分析產(chǎn)生公路病凍害的緣由在公路建設(shè)中顯得尤為重要。

1 沿途當(dāng)?shù)氐叵旅?xì)水現(xiàn)象對(duì)公路工程質(zhì)量的影響

我們知道路基土是由巖石經(jīng)過(guò)物理化學(xué)風(fēng)化作用產(chǎn)生的物質(zhì)，是由固體、液體與氣體三者組成的混合體系。它的固體物質(zhì)構(gòu)成路基土的基本骨架，決定著路基土承載的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。而它的液體則指土粒間填充的水分，其含量的大小在很大程度上是由沿途當(dāng)?shù)氐牡乇砼c地下水文狀況決定的，當(dāng)土顆粒與填充水之間相互作用時(shí)，按照土顆粒對(duì)填充水的吸附力大小劃分，可分為結(jié)合水和自由水。而結(jié)合水又分為強(qiáng)、弱結(jié)合水，由于這部分水受到土顆粒的超強(qiáng)吸附力，形成了土顆粒外圍的結(jié)合水膜，它不遵從自然水力學(xué)規(guī)則，也就很少影響路基土的承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，所以它們對(duì)路基土強(qiáng)度影響可以忽略不計(jì)。土顆粒結(jié)合水膜外的水為自由水，分為重力水和毛細(xì)水，這部分水對(duì)路基承載強(qiáng)度和道路日常運(yùn)營(yíng)中的病凍害影響十分巨大，其中的重力水是構(gòu)成地下水的重要部分，而毛細(xì)水是受毛細(xì)作用控制的水分，除了受自身重力作用外還受到水表面張力，它遵從毛細(xì)現(xiàn)象規(guī)律，毛細(xì)水對(duì)公路路基土的干濕狀態(tài)及病凍害的影響很大，在日常建設(shè)中是容易被忽略考慮的部分，按照海森經(jīng)驗(yàn)公式：

因?yàn)橥亮ｉg的抗剪強(qiáng)度是土粒與土粒之間抵抗發(fā)生剪切位移的能力，與顆粒間的聯(lián)結(jié)力有關(guān)，聯(lián)結(jié)力越大，土的強(qiáng)度越大，反之則小。因此土粒間的聯(lián)結(jié)力是土強(qiáng)度的基礎(chǔ)，當(dāng)路基土處于最佳含水量時(shí)，土粒間聯(lián)結(jié)力最大，抗破壞強(qiáng)度能力最強(qiáng)，而由于毛細(xì)水的存在，若在路基土設(shè)計(jì)中未能充分考慮阻止毛細(xì)水上升的相應(yīng)措施，使設(shè)計(jì)最佳含水量的路基土在當(dāng)?shù)厮臓顩r極其不利的情況下，引起路基土中的含水量增大，土粒間的聯(lián)結(jié)力減小，從而導(dǎo)致路面承載強(qiáng)度降低。因此路面高程設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮路基毛細(xì)水上升高度內(nèi)水分引起的對(duì)路基強(qiáng)度的影響，對(duì)路基土采取如密級(jí)配灰土改良土壤或憎水性材料等措施從源頭上阻止毛細(xì)水對(duì)路基土強(qiáng)度的破壞影響。

2 沿途冬季最大凍結(jié)深度內(nèi)的自由水分對(duì)路基產(chǎn)生的凍害影響

前面講過(guò)路基土中的水分分為結(jié)合水和自由水，在道路沿線進(jìn)入冬季冰凍季節(jié)，強(qiáng)弱結(jié)合水由于受土粒分子引力的嚴(yán)重影響，就是弱結(jié)合水最外層水膜一般都要到零下20℃-30℃時(shí)才會(huì)凍結(jié)，它的存在除少數(shù)地區(qū)外不會(huì)產(chǎn)生凍害影響。而土中的毛細(xì)水由于受其表面張力的作用其冰點(diǎn)稍低于0℃，重力水則與自然界中的水分性質(zhì)完全一致，隨著冬季來(lái)臨氣溫降低，路基土壤中的自由水首先在0℃時(shí)開(kāi)始凍結(jié)成冰晶體，當(dāng)氣溫繼續(xù)降低時(shí)，由于弱結(jié)合水的外圍水膜結(jié)冰，導(dǎo)致冰晶體周圍的土粒結(jié)合水膜減薄，土粒亦產(chǎn)生剩余的分子引力，在這種引力作用下，附近未凍結(jié)區(qū)的水分亦被吸引到凍結(jié)區(qū)的水膜較薄處凍結(jié)。我們知道水分凍結(jié)成冰時(shí)體積約增大9%，所以導(dǎo)致土體積發(fā)生膨脹而隆起，映射到路面產(chǎn)生鼓包、開(kāi)裂、錯(cuò)縫乃至斷板，這種現(xiàn)象稱為土的凍脹現(xiàn)象。而隨著春季氣度升高土顆粒中的冰晶體解凍融化，路基土中的含水量大大增加，加之自然土層排水能力差土層處于水飽和狀態(tài)，土層軟化，體積減小，強(qiáng)度降低，在路面受車輛反復(fù)碾壓下發(fā)生開(kāi)裂、冒泥，發(fā)生翻漿現(xiàn)象。在我國(guó)的華中華東等地處季節(jié)性凍土地區(qū)，上述現(xiàn)象統(tǒng)稱為翻漿凍脹現(xiàn)象，兩者周而復(fù)始交替產(chǎn)生就使得路面完全破壞。現(xiàn)根據(jù)有關(guān)氣象部門(mén)實(shí)測(cè)得出的經(jīng)驗(yàn)估算公式如下：

在通過(guò)上述公式估算出沿途當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)最大凍結(jié)深度后，公路路面的設(shè)計(jì)高程須大于當(dāng)?shù)囟镜叵滤患由厦?xì)水上升高度值與最大凍結(jié)深度之和的總高程，以使路基土壤中的自由水處于當(dāng)?shù)刈畲髢鼋Y(jié)深度之下，若滿足不了，就要采取換土或其它處理措施，以保障最大凍結(jié)深度內(nèi)的路基土免遭翻漿凍脹作用的影響，從源頭上杜絕產(chǎn)生翻漿凍脹凍病害的出現(xiàn)機(jī)會(huì)。

3 汽車輪載工作區(qū)范圍內(nèi)對(duì)路基土壤中水分含量的要求

當(dāng)路面產(chǎn)生車載輪壓時(shí)，在土壤的一定深度外，輪載產(chǎn)生的應(yīng)力σ車與路基土自重應(yīng)力σ土的比值很小時(shí)，就可以不計(jì)輪壓應(yīng)力σ車，由此得：

按照公式可以計(jì)算出車輪荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力分布深度，即汽車輪載工作區(qū)深度h的計(jì)算公式為：

由于實(shí)際路面分為剛性和柔性路面，剛性路面比柔性路面強(qiáng)度大，路面輪載工作區(qū)的實(shí)際深度隨著路面結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度的增大而減小，于是在將路面折算為與路基相同材料參數(shù)后，得出的換算公式為：

當(dāng)折算后的輪載工作區(qū)總厚度大于結(jié)構(gòu)層厚度時(shí)，車輪荷載不僅僅作用于路面結(jié)構(gòu)層，還將作用于部分路基土壤中，這時(shí)將這部分高度土壤換成憎水性密級(jí)配材料等措施以切斷地下水及毛細(xì)水作用，或者通過(guò)設(shè)計(jì)地下排水結(jié)構(gòu)物以降低地下水或加深兩側(cè)邊溝以加大溝底與路基邊緣之間的高程差達(dá)到降低地下水的目的，避免土中的自由水作用引起的路基土承載強(qiáng)度降低或翻漿凍脹的發(fā)生從而導(dǎo)致路面質(zhì)量過(guò)早毀壞。

參考文獻(xiàn)：

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