公路路基受季节性冻胀影响因素及采取措施

公路路基受季节性冻胀影响因素及采取措施

岳华文

中国水利水电第七工程局有限公司国际工程公司

摘要：随着我国高速公路的不断发展，高速公路发展规模已经由原来的主要发展平原地区逐渐向全国各地区发展。本文在马其顿MS公路施工实践中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：公路路基；季节性；影响因素；措施

引言

冻土是一种性质非常特殊的土类，这种土类的温度在通常的情况下为负温度或是在零度，同时土壤中还含有一定的冰。可以按照冻土状态持续的时间对冻土进行分类，（1）短时冻土主要是指冰冻时间在几个小时到十五天左右的冻土；（2）季节冻土主要是指半个月以上到几个月之间的冻土；（3）多年冻土主要是指两年及两年以上的冻土。

1项目简介

MS高速公路位于马其顿境内，该公路位于首都东南方向，全长46km。新建段26km，地处丘陵地区；改扩建段19km，地势平坦。途中最高海拔567m，平均海拔371m。马其顿为东欧内陆国家，以温带大陆性气候为主，大部分地区夏季最高气温达40℃，冬季最低气温达-20℃，冬季时段为12月至次年2月。

2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。

3路基冻胀的影响因素

3.1温度对冻胀的影响

温度也会对冻胀造成一定的影响。当气温发生骤降的时候，土的冻结面会马上向下部转移，也就是冻结速度会非常快。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。

3.2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。

3.3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。

3.4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。

4冻害造成的路面破坏

季冻区高速公路路基发生冻害形式有很多，主要有路面横向挠曲变形、纵裂破坏、沉陷隆胀等。

4.1路面横向挠曲形变以及纵裂破坏对高速公路的影响是最大的同时也是最为常见的一种破坏形式。此类破坏的主要特征就是发生形变的总形变量非常大，同时横向的表现不是很均匀，还会出现纵向裂缝的情况。一般来讲这样的裂缝都会出现在行车道上，其出现的形式主要是纵长的裂缝或是断续裂缝，这些裂缝长短不一从几米、十几米、几十米甚至是上百米都、上千米都可能。并且裂缝的宽度也是大小不一，在一些路段进行破坏程度调查时发现，有些路段的裂缝深度达到一米以上，已经将整个结构层完全的贯穿，这些裂缝的出现会在一定程度上影响车辆通行，甚至是造成路面变形导致交通事故的发生。

4.2沉陷与隆胀的情况也是一种典型的破坏形式。对于道路来讲，翻浆是极为常见的一种融冻害的现象，道路出现翻浆的情况主要是由路基水、土以及车辆行驶的荷载等诸多因素的影响所造成的。由于道路翻浆所造成的沉陷、臌胀以及车辙等道路破损的情况，在一定程度上会影响道路的使用寿命以及车辆的行驶安全。

5路基冻胀的防治措施

路基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“隔温法”、“置换法”及“稳定处理法”。

5.1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、土工布结合格栅等。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，MS路实际施工中局部采用此方法。

在进行路堤填筑过程中，如果冻胀性质的土方用于填筑，则在冬季来临前必须用非冻胀材料层予以覆盖保温，如在粘性土路堤上及时填筑2层天然砂砾料等，防止粘性土路堤经过冻胀造成密实度及承载力大幅下降，即使经过翻晒再碾压仍然不能满足技术条款的要求，只能返工，形成时间和费用的损失。

5.2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，MS路项目实际施工中多数采用置换法，深度范围在60-90cm。

5.3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或者石灰进行处理，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。

6结束语

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。

参考文献：

[1]冶进良试论青藏高海拔地区公路路基的施工与养护[J]黑龙江科技信息2008.11

[2]侯晋芳，冯军，闫伟，李亚静.季节性冻土地区客专路基现场试验[J].冰川冻土.2011（04）