季节性冻土路基冻胀影响因素分析及其防治措施

摘要：路基冻胀是我国北方地区公路路基特有的破坏现象。通过对土的冻胀机理及影响冻胀主要因素的研究，提出了防治路基冻胀的处置措施。

关键词：季节性冻土冻胀 影响因素防治措施

季节性冻土指地表冬季冻结而在夏季又全部融化的土。我国北方地区温普遍较低,季节性冻土分布广泛。路基冻胀是我国北方地区公路路基特有的破坏现象，也是该地区公路主要病害之一。因此，了解冻胀的机理和影响因素，并寻找防治的途径是十分必要的。由于冻胀问题比较复杂，涉及因素多，所以必须从理论上去认识和了解冰冻作用的物理力学性质，掌握和发现冰冻作用过程的规律，进而找出防治冻胀措施。

1路基土冻胀的形成机理

土是由固体颗粒、液体水和气体组成的三相体。固体土粒是土的最主要的物质成分，由无数大小不等、形状不同的矿物颗粒按照各种不同的排列方式组合在一起，构成土的骨架主体，称为“土粒”。在土颗粒之间的空隙中，通常有液体的水溶液和气体（主要为空气）充填。土在冻结过程中，不仅是土层中原有的水分的冻结，还有未冻结土层中水向冻结土层迁移而冻结。所以，土的冻胀不仅仅是水结冰时体积增加的结果，更主要是水分在冻结过程中由下向上部迁移聚集再冻结的结果。重力水和毛细水在0℃或稍低于0℃时就冻结，冻结后不再迁移；而结合水以薄膜形式存在于土粒表面，由于吸附的关系，结合水外层一般要到-1℃左右才冻结，内层甚至在-10℃也不会完全冻结。所以当气温稍低于0℃时，重力水和毛细水都先后冻结，而结合水仍不冻结，依然从水膜厚处向薄处移动。当含盐浓度不同时，结合水由浓度低处向高处移动，水分移动虽然缓慢，数量也不大，但是如有不断补给来源，一定时间的移动水量还是很可观的。水的补给来源主要通过土的毛细作用，由于结合水向上移动，在温度合适时它也被冻结，这就造成冻结后的水分比冻结前的水分大量聚集。这些水分冻结后就会形成严重的冻胀。

2路基冻胀的影响因素

2.1土质对冻胀的影响

土的冻胀主要是由于水分的迁移导致的水分大量积聚而引起的。土中水的迁移取决于当地的土质条件。含粉粒多的细粒土的渗透性较强，且毛细水可以及时补给，故水更易大量聚集，所以细粒土的冻胀很明显。当地下水位相同时，土壤的冻胀量随土颗粒大小而异，颗粒越粗，冻胀量越小；颗粒越细，冻胀量越大。粉性土冻胀量最大，粘性土次之，砂砾土最小。

2.2土中水分对冻胀的影响

土体发生冻胀的主要原因是水分的迁移和集聚。不同的土质其冻胀敏感性也不尽相同，没有适当的水分条件，土冻结时的冻胀现象是不可能发生的。在自然界中路基的水分状态受到降水、地下水位、地表水流等的影响。地下水位对冻胀的影响尤为强烈，当冻结区附近地下水水位较高，毛细水上升高度能够达到或接近冻结线，冻结区能得到水源的补给时，将会发生比较强烈的冻胀。

2.3温度对冻胀的影响

土体冻结过程，实际上是土中温度变化的过程。土体的冻结温度取决于土体的颗粒分散度、含水量、颗粒的矿物成分和水溶液的浓度。同一土质条件下，土体的冻结温度随着含水量的增大而增高。在任何负温下，土体总保持一定的未冻水含量，这些特性直接影响着冻胀特性。在封闭系统中，土体水分随负温增大不断冻结，未冻水含量减少，含冰量增大，土体积增大，因而土体的冻胀率随着土体的温度降低而增大。对于不同土质的土体，虽然冻胀率不同，但随温度变化的规律相似。

2.4土中盐分对冻胀的影响

土中盐分浓度的大小对土的冻胀有一定的影响，试验表明土中盐分的多少影响着土的渗透压力、冻结温度和冻土中的未冻水含量，也影响着冻结过程中的热量和质量的迁移，改变着冻土中的土―水―冰的界面状态和相变过程；同时也将伴随着冻结过程而发生盐分迁移和盐分重分布现象，影响地下水的水质和上中孔隙水的成分，对以化学方法采取的防冰措施造成破坏性影响。不论何种土，其冻胀强度都随着土中盐溶液浓度的增大而减小。

3道路冻胀的防治措施

冻胀现象的产生必须同时具备土质、温度、地下水三个因素的作用。因此，为了防止道路冻胀作用的产生，只要消除这三个因素中的一个，就能达到防治目的。工程中的防治道路冻胀措施可以归纳为“置换法”、“隔温法”及“稳定处理法”。

3.1置换法

置换法是采用非冻胀材料换填部分冻胀性土的方法，应用时需要确定的问题主要是冻结深度和置换到何种程度。一般而言，采用置换法应对当地的土质、气温及地下水进行调查，并确定采用防止冻胀措施的路面冻结深度，然后根据得到的冻结深度，确定不引起路面产主冻胀破坏的置换深度。

3.2隔温法

为了防止道路的冻胀破坏，在采用隔温材料时，要选择热传导率小的材料，才有较好的隔温性能。材料的隔温性能要持久，承载能力要高，耐水性好，并且要经济。满足这些条件的材料有聚苯乙烯薄板等。采用这种方法，要注意在隔温层上的垫层施工工艺的问题。因为运输垫层材料以及采用机械压实过程容易使隔温材料破坏，并且会将粗粒材料压入隔温层中。为此，可以在隔温层上撒铺数厘米厚的砂，然后再铺20～30cm的砂砾进行碾压。

3.3稳定土处理法

道路的基层如使用不够稳定的土类，可掺入适当数量的水泥进行处理，能提高其强度和承载能力，并增加抗冻和抗水性能。但必须注意到，水泥剂量过大会产生收缩裂缝。至于粉碎、拌合与压实等工序也很重要，必须合乎要求。在沟渠衬砌等工程中，对于很湿的塑性土应用水泥进行稳定，通过实践证明也有显著效果。

4结束语

综上所述，目前对季节性冻土路基的研究已经取得了一定的成果，对冻胀机理和影响因素的研究也取得了一定的进展，同时提出了一些的防治措施。在实际的冻土路基处理中应考虑工程条件，一般首先考虑采用在预想冻深范围内换填冻胀土的“置换法”，而在冻结深度较大、交通量比较少，或缺少优质置换材料的情况下，适于采用隔温法防止冻胀。稳定土处理法则是用于粘性土构成的软弱路基情况，也可与置换法配合使用。总之，在施工过程中，具体采用什么方法进行处理，要因地制宜，就地取材。只有这样，才能取得既经济又有效的防治冻胀效果。