季节冻土地区冻胀与翻浆病害及其防治的研究

摘要：本文在介绍季冻区路基冻胀和翻浆发育过程的基础上，对影响路基冻胀和翻浆主要因素进行了详细的分析，从改善土质的冻胀性、改善路基的水分条件、改善路基的湿度状态、改善路基路面结构四个方面提出具体的治理措施。

关键词：季节冻土区 冻胀 翻浆 防治措施

前言

我国是世界上第三冻土大国，整个冻土区约占全国面积的70%。其中长期处于冻结状态的多年冻土主要分布在东北大、小兴安岭、松嫩平原北部及高山地带和青藏高原上，并零星分布在季节冻土区内的一些高原上，总面积约215万平方千米，占全国面积的22.4%[1]。而仅地表层冬季冻结、春夏季融化的季节冻土就遍及长江流域以北的广大疆域，包括贺兰山至哀牢山一线以西的广大地区，以及此线以东、秦岭-淮河以北地区。在季节性冻土地区，道路随季节交替发生冻融循环变化，由此产生的病害主要是冻胀和翻浆等。

1 冻胀和翻浆的发育过程

在季节性冻土地区的道路上，冬季，有些路段的路基由于土体内水分的冻结而膨胀起来，严重的地方使得路面胀裂，出现裂缝；夏季，由于温度升高，这些膨胀起来的地方又因土体融化塌陷下去，如经过车辆的碾压后，泥浆就从路面裂缝中翻到路面上，而形成翻浆。翻浆地段的路基在秋天往往是很好的，含水量并不太多，只是因为经过一个冻结和化冻的过程就聚集了过多的水分。由此看来，这些水分显然是在冻结过程中增加的。

试验证明：当土壤内部温度降低，发生冻结的时候，在附近温度较高而尚未冻结的水分，就会向温度较低的冻结区移动而聚集。这是因为分子吸力的作用，土壤颗粒表面包着一层一定厚度的薄膜水，当温度降低薄膜水开始部分冻结的时候，剩下的水膜厚度而减薄，分子吸力有了剩余，将温度较高处的尚未冻结的薄膜水源源不断地吸来，于是就发生了土壤水分向冻结区的聚流现象[2] [3] [4]。

2 道路冻胀翻浆的影响因素

2.1 土质

土体的土质条件影响着冻胀的发生。不同的土质条件，土的冻胀性也不同。土质的热物理性质取决于土的粒度组成、密度、矿物成分、湿度等。

2.1.1 土的粒度成分、矿物组成对冻胀性的影响

土的粒度组成是指土中固体颗粒的形状、大小以及它们之间的相互组合关系。不同土颗粒大小反映出土粒表面力场的差异性。土颗粒的不同大小，这种差异性直接影响着土体冻结过程中水分移动能力差异，并导致冻胀变形特征各不相同。在开放系统中黏性矿物组成对水分迁移与冻胀强度有着很大的影响。

2.1.2 土中的水分对冻胀影响

土体发生冻胀的主要原因就是水分迁移和集聚。土体如果没有适当的水分条件，那冻结时也不可能发生冻胀现象。土中水的来源有三个方面：大气降水、地下水补给和地表水流渗入。其中地下水位对冻胀的发生影响尤其强烈，如果地下水位较高，那么毛细水上升的高度能够到达冻结线，冻结区得到水分的补给，将会发生比较强烈的冻胀现象。

2.2 温度

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。在同一土质条件下，土体的冻结温度随着含水量的增大而升高。这些特性直接影响着冻胀特性。与温度有关的冻胀率愈大，冻胀和翻浆愈严重。在封闭的系统，土体水分随负温的增大而不断冻结，含水量随之会降低，土体体积增大，土体冻胀率因而增大。对于不同土质条件的土体，虽然冻胀率不同，但是随温度的变化规律却相似[5][6]。

2.3 荷载

荷载的增加会对土体的冻胀产生抑制作用。荷载的增加使土粒间空隙减小，土层脱水压缩固结，增加了单位密实度，使土中水分导湿率改变，从而影响水分迁移速率；同时使得只有在冰透镜体生长面上冻胀应力等于或大于上覆附加荷载时才出现冻胀现象。

2.4 路面类型

翻浆是通过路面的变形破坏表现出来的。首先，路面的强度与翻浆的产生有密切关系。如果路面强度能满足行车的要求，出现翻浆的机会就比较少，反之，则较多。路面类型也对翻浆的产生有一定影响。例如，在有路面的道路，尤其在有黑色路面的道路上，这个情况常常显得更严重。

3 防冻胀与翻浆的措施

通过分析各种影响因素对道路冻胀与翻浆的影响可知，只有全面综合考虑各种主要因素的作用，并进行具体分析，从改善土质的冻胀性、改善路基的水分条件、改善路基的湿度状态、改善路基路面结构四个方面提出相应的防治措施，才能起到对道路冻胀、翻浆的根治。

3.1 提高路基填土高度

提高路基填土高度，增大了路基边缘至地下水或地面水位间的距离，从而减小了冻结过程中水分向路基上部迁移的量，减弱冻胀，使翻浆的可能性和程度变小。

3.2 加强路基的排水

冻胀和翻浆的过程实质是水分迁移和水分相变的过程，水分的补给是形成冻胀和翻浆病害的重要条件，因此，解决这个问题的方法是采用各种排水设施，尽量使土体保持干燥。主要的措施：设置排水沟、截水沟、路肩明沟及扩大边沟；采用油毡纸做不透水性隔离层等。

3.3 选用合适路基填料或换填非冻胀材料

季冻区路基路床或上路堤和挖方路段0.8～1.5m范围内填筑土质砂、砂质土和粘质土时，可用石灰、水泥、粉煤灰、石渣、固化剂等单独或混合处治，用量根据土的性质、天然含水量和路基冻胀性要求，经试验确定。换填非冻胀材料，可以减少在冻深范围内冻胀性土层厚度，减少总冻胀量。

3.4 加强路面结构

在冻胀和翻浆地段，常使用整体性好的石灰土、煤渣石灰土、水泥稳定砂砾等半刚性结构层，以加强路面结构。加厚路面结构，相当于减少可冻路基土层的厚度，进而减少路基冻胀量。

3.5 加设防冻层、隔温层

防冻层应选用冰冻稳定性良好的砂砾、粗砂、矿渣、煤渣等粒料，也可采用水泥或石灰煤渣稳定粗粒土、石灰粉煤灰稳定粗粒土等。隔温层采用导热性差的材料，铺在土基内、土基顶面或路面结构内。

参考文献：

[1]徐学祖，王家澄，张立新著.冻土物理学[M] .科学出版社.2001.

[2]童长江，管风年.土的冻胀与建筑物冻害防治[J] .水利电力出版社.1985.

[3]王春鹏.三江平原沼泽地区道路地区冻害[C] .冰川冻土.1988.

[4]童长江，管枫年著.土的冻胀与建筑物冻害防治[J] .水利水电出版社.1985.

[5]冻土地区建筑地基基础设计规范（JTJ118-98）[S] .中国建筑工业出版社.1998.

[6]朱春鹏，张喜发.季节性冻土地区道路冻深的研究[J] .辽宁交通科技.2004.