季冻区道路冻胀、融沉机理分析及防治现状

季冻区道路冻胀、融沉机理分析及防治现状

赵春铭

东北林业大学土木工程学院150000

摘要：对东北地区季节性冻土的冻胀、融沉机理进行深入分析，通过毛细理论、水分迁移理论得出冻胀、融沉过程的影响因素，得出季冻区冻胀融沉的主要影响因素是土质、含水量以及温度，并据此提出具体的防治措施，为相关研究提供借鉴经验。

关键词：季节性冻土；冻胀；融沉；防治

0前言

中国是受冻胀危害比较严重的国家之一，主要分布在大兴安岭、小兴安岭等东北地区以及青藏高原等西部高山区域，季节性冻土面积占我国国土总面积的53.5%[1]，位于季节性冻土地区的公路面临着冬季冻胀、春季回暖融沉的问题，这是导致寒冷地区各种道路病害的主要原因[2]。因此，针对冻土地区的冻胀、融沉过程的深入研究分析逐渐受到更多的重视且势在必行。

1冻胀和融沉机理分析

1.1冻胀

季冻区道路冻胀，主要指的是路基土体的冻胀。由于大气负温的作用，土体中的水分冻结成冰，土体发生水分迁移，路基土随着温度降低的方向形成冰晶体，导致土体的体积增大膨胀[3]。由于路基土体中的含水量和密实度在不同季节、不同气候条件下发生的不均匀改变，加之道路周边复杂的地理环境的相互影响，直接导致路基土的冻胀变形的不均匀性[4]。因此，路面在受到不均匀的冻胀力的影响下，内部发生拉应力效应。

1.2融沉

春季气温上升，土中冰晶体融化之后，土颗粒之间的胶结程度降低，摩擦力减小[5]。在其自重应力的作用下，土颗粒之间的空隙逐渐被压缩，土体的体积减小。路基开始融化，导致路面下地基土较两侧的路肩土的融化速度快，造成路基的凹形冻土核残留，土层上部已经融化的水分在融化区域内无法排出，进而造成翻浆。

2冻胀和融沉影响因素分析

2.1冻胀影响因素

季冻区路面易出现冬季低温冻胀、春季回暖融沉的问题，给道路造成不同程度的破坏，包括鼓包、开裂、路基不均匀沉降等。而道路冻胀主要受到路基的影响，由于各路基土体的土质、压实度、含水量的不同，导致路面受到不均匀冻胀力的作用影响[6]。

在路基土体土质及外界环境条件相同的情况下，路面的冻胀量主要取决于地基土体的允许冻深h的取值[7]。当路面开始冻胀时，土体冻深为h1，土基增加的冻深为h2，则h=h1+h2.

又I=ZK，则整理计算得到

……（1）

其中，L为路面宽度；ζ为路面结构容重；H为路面厚度；E为冻结模量。

综上所述，影响其发生冻胀病害的因素有很多，主要分为内部因素和外部因素两大类。内部因素包括路基土质分布、土体含水量、土体颗粒组成及粒径、土体密度、土体中盐分含量等，外部因素包括土体温度及温度梯度，地下水位等。

（1）土体含水量。是造成土体冻胀的主要原因之一。含水量的多少以及水分迁移的程度都会影响到土体的冻胀量。在土体冻胀过程当中，上部土体发生冻胀进而向下延伸，下部水分会逐渐向冻结锋面移动发生水分迁移，冻土中的水分发生重分布。

η=k（W-Ws）……（2）

其中，η为冻胀率，W为土层冻胀前含水量，Ws为起始冻胀含水量。

（2）大气温度。受到外界负温的作用影响，土层的温度随之降低，土体中的水分冻结，土颗粒重新排列分布，这就是整个的冻结过程。其中，气温下降速度较快时，冻胀量迅速增加，冻结锋面迅速下移，土体中部分没有迁移至冻结锋面的毛细水以及弱结合水会直接冻结成冰晶体，进而堵塞毛细通道，水分迁移随之消失，冻胀现象随之弱化。

2.2融沉影响因素

季冻区的路基土体的融沉特性比较复杂，与外界大气温度变化、土体的颗粒组成以及矿物成分含量、土体含水量、路面载荷、土体压实度等均有关联[8]。

（1）土体含水量。土体含水量是影响其融沉系数的重要参数，在能够自由排水的外界条件下，融沉系数会伴随着含水量的增加而显著增加，这种规律针对任何土质的路基均成立。

（2）土质颗粒组成。土体的颗粒组成是影响融沉系数的重要指标。相同含水率条件下，粉质土体的融沉性能最强，然后是重粘土和细砂，砂砾碎石土的融沉性能最弱。

（3）路面荷载。伴随着路基土体的融化过程，其体积会逐渐减小，且在其自重以及路面载荷的作用下，土体中的水分会逐渐排除发生固结沉降现象。

（4）压实度。在其他条件一定的前提下，融沉系数随着冻土容重的增大而减小。土体中的孔隙比越大，则其融沉系数也越大，二者成正相关。

3防治措施

（1）更换路基土。由于细粒土体在冻结过程当中，易发生水分迁移现象，加剧土体的冻胀作用。因此路基土体最好选用透水性极好的粗粒材料。

（2）路基排水。通过道路两侧设置截水沟、排水沟等预防措施，在冬季发生冻胀之前尽量排出路基周边的积水，春季回暖融化前及早清除边坡积雪，同时定期清理道床避免积水，以此减少路基所受的地表水侵害。

（3）满足路基填土高度的要求。路基填土高度的增加，可以增大路基土体与地下水位之间的间隔，进而减少水分迁移量，从而达到减少土体冻胀的目的。

4结论

综上所述，季冻区的道路质量以及行车安全面临严重挑战，因此防治措施研究势在必行。

（1）路基土体的冻胀与土体土质、含水量、压实度、大气温度、路面荷载以及水中盐分含量有关。粗颗粒砂石等透水性好的填充材料有助于减轻冻胀影响。路面荷载越大，土体的冻胀性能越弱。水中盐分可有效降低水的冰点，从而减缓冻胀。

（2）土体的融沉与土体土质、含水量、土体压实度以及路面载荷均有很大关联。其中，土体的颗粒组成是影响融沉系数的重要影响因素，尤其以粉质粘土的含量为最主要的影响。

（3）路基土的冻胀与融沉对道路质量与行车安全影响重大，针对其病害的发生原因提出了针对性的防治措施。

参考文献：

[1]雷明轩.季节性冰冻地区路基回弹模量试验研究[D].西安：长安大学，2010.

[2]黄志勇.冻土路基线路的主要病害分析和整治措施[J].山西建筑，2008，34（17）：286-287.

[3]徐学祖，王家澄，张立新.冻土物理学[M].2版.北京：科学出版社，2010.

[4]毛雪松，杨锦凤，张正波，等.温度-湿度-荷载综合作用下路基冻融过程试验研究[J].冰川冻土，2012，34（2）：427-434.

[5]李东庆，周家作，张坤，等.季节性冻土的水-热-力建模与数值分析[J].中国公路学报，2012，25（1）：1-7.

[6]常法，李东庆，张坤，等.季节冻土区路基冻胀翻浆防治措施试验研究[J].甘肃农业大学学报，2011，46（3）：147-155.

[7]张世民，李双洋.青藏粉质黏土冻融循环试验研究[J].冰川冻，2012（15）：77-78.

[8]朝晖，张国平.考虑融沉的冻土地区沥青路面结构设计[J].交通标准化，2011（20）：39-44.