高寒地区路基土冻胀影响因素研究

杨洪生，宇德忠，于立泽

(黑龙江省交通科学研究所)

高寒地区路基土冻胀影响因素研究

杨洪生，宇德忠，于立泽

(黑龙江省交通科学研究所)

对高寒地区高速公路路基土的冻胀机理和冻胀影响因素进行了分析和探讨，并提出了相应的冻害工程防治措施。可为今后高寒地区路基土的施工、设计及冻害防治提供理论支撑。

路基土;冻胀;影响因素;防治措施

1 路基土的冻胀

路基土在冻结过程中水分的冰析作用和迁移积聚现象是导致路基土不均匀冻胀的直接因素。冻胀性的强弱主要取决于土体冻结时的温度、土体中含水率及水分的补给来源、土颗粒的大小、矿物成分以及外荷载作用等因素。冻胀可分为分凝冻胀和原位冻胀两类。原位冻胀是指冻结锋面向下推进和已冻土温度持续降低过程中，正冻土中的孔隙水或已冻土中的未冻水原位冻结造成体积增大的现象;而当土体冻结以后，在土颗粒表面能的作用下，土中始终存在着未冻结的薄膜水，并且在温度梯度的影响下，薄膜水会从高温区向低温区迁移，正是由于水的迁移作用使水分积聚在冻结锋面后方并冻结，分凝成冰透镜体，这一过程称为分凝冻胀现象。

2 路基土的冻胀影响因素

2.1 土质对路基土产生冻胀的影响

土体的矿物成分、密实度及粒度成分是土质对路基土产生冻胀的影响主要影响因素。

当路基土土颗粒的粒径在0.1 mm以上时由于空隙较大水分易于排出而不易产生冻胀，但随着土颗粒粒径的减小，彼此间空隙减小导致土体分散性增，冻胀性也随之变大;当土颗粒粒径在0.1～0.05 mm范围时，土体就会发生冻胀，研究表明颗粒粒径为0.05～0.002 mm时土体的冻胀性最大;当土体颗粒粒径在0.002 mm以下即在粘土颗粒范围时，由于土颗粒分散性的增大导致了水分迁移量的减小，土体的冻胀性也随之减弱。矿物成分对冻胀的影响不存在于颗粒较粗路的基土中。当路基土的土颗粒较细时，尤其是在粘性土中矿物成分对其冻胀的影响则较为显著。具有较坚固晶格结构的矿物如高岭土它的离子交换能力超不过蒙脱石的10%离子交换能力很弱，同时具有高带电荷性，土粒表面化学活动性较小具有较大的可移动薄膜水，因而这类土的冻胀性较大。相反，没有坚固晶格结构的矿物如蒙脱石具有较高的离子交换能力，同其它矿物相比能够牢固地结合大量自由水，这使毛细管的导水性能变弱也将导致土体冻胀性的减弱。

土的密实程度对土的冻胀也有一定的影响，在含水率一定的条件下，路基土密度的降低将增大土体的孔隙。当密实度较小的土体冻结时，有充分的孔隙和空间让冰自由膨胀而不会引起土颗粒间间距的变化，此时土体的产生的冻胀量较小。随着密实度的增大，自由水充填了土颗粒间的孔隙，因此路基中水分冻结成冰后的膨胀空间收到限制这也会导致路基土冻胀量的增大。当土体达到某一个标准的密实度时，土颗粒间的孔隙最小达到了最佳的颗粒聚集条件，这时的土体的密实度能使水分迁移处于最有力的条件，冻胀量也将达到最大值。

2.2 水对路基土产生冻胀的影响

促使路基土产生冻胀的基本条件就是路基土中的含水率。路基土的冻胀过程实质上就是自由水在路基土中迁移、积聚和相变的综合过程。路基土产生冻胀的补给水源有路基附近地表水、大气降水及浅层地下水，这些水源是形成路基土冻胀的重要条件。从成冰用水的来源分，路基土中的水分又分为地下水和孔隙水两种。

路基土中的水分是产生冻胀的必要条件。但在冻结过程中含有水分的路基土不一定在冻结后都会使产生冻胀，在封闭的条件下土体中的含水率必须大于某一定值才会产生冻胀。这一定值为在负温条件下，路基土冻胀率为零时的路基含水率，此定值也被称为路基土起始冻胀含水率;当路基土中的含水率低于这个定值时，即使路基土中全部孔隙被冰及未冻结水分充满，土体也不会产生冻胀现象。

路基土冻结过程中，在没有外界水源补给的条件下，路基土内部的水分在温度梯度作用下引起的迁移积聚也不会产生较大的冻胀量;如果在有外界水补给的时候情况就不同了，外界补给可以为土体冻胀提供源源不断的水源产生较大的冻胀量。由地下水引起的路基土冻胀主要受到土体毛细管上升高度的影响，当地下水与冻结锋面距离小于或等于毛细管水上升高度时，路基土在毛细水补给的条件下也将产生较大的冻胀量。

2.3 温度对路基土产生冻胀的影响

在高寒冻土地区路基土中的温度是随着外界环境温度的变化而发生不断变化的。负温是路基土产生冻结的前提条件，也是决定路基土的冻结过程、时间以及未冻水含量的基本因素。路基土在冻结过程中，由于土体颗粒表面能的作用被吸附在土颗粒表面那部分没有被冻结液态水成为冻土中的未冻水，这部未冻水与固态冰之间保持着动态平衡的关系:当路基土温度升高时，部分冰融化转化为未冻水路基土含水率增大。相反，当路基土温度降低时部分未冻水冻结成冰路基土含水率降低。路基土的冻胀量是随着路基土中温度的降低而增加的，因为在负温且封闭的条件下路基土中的水分不断冻结，自由水含量不断减少，含冰率逐渐增大最终导致路基土体积变大产生冻胀。

负温条件下，路基土中温度的变化速率将决定路基土的冻结速度同时也会影响到路基土的冻胀量。冻结锋面在路基土中的推进速度反应了路基土中某一瞬间冻结锋面的热平衡状态。当冻结锋面经过己冻区域并且向上传递的热量大于未冻区域通过热传导方式传递上来的热量时，在冻结锋面上就会有冰析。在同一温度条件下，土体的冻结速度还取决于土中含水率、冰析出率和土体的密实度等因素。路基土冻胀量的大小与外界环境温度下降速度及路基土中冻结锋面向下的冻结速度有着直接关系。外界大气温度降低较快且冷却强度较大时，冻结锋面向下冻结的速度越快。此时路基土中的毛细水和弱结合水还来不及向低温冻结锋面迁移积聚就被原地冻结，被冻结的冰晶体也堵塞了毛细水的补给通道，由于水分迁移和积聚无法发生，在路基土中看不到冰夹层只有散布于土孔隙中的冰晶体，路基土无明显冻胀。相反，如果外界气温下降缓慢、负温持续时间较长且冷却强度较小时，路基土中的毛细水和自由水不断的向低温冻结锋面迁移积聚，在路基土中出现冰夹层且产生较为明显的冻胀现象。

2.4 外荷载对路基土产生冻胀的影响

外荷载会对路基土的冻胀产生抑制作用。路基土在外部附加压力的作用下，增大了土颗粒间的接触压力，这也就降低了路基土的冻结温度点影响了整个路基土中的水分相态转化。同时在荷载的作用下，土颗粒间间距减少，密实度增大，土颗粒越密实彼此间的作用力就越大这也抑制了未冻结的水分向冻结锋面的迁移和积聚，从而减少了路基冻胀量。虽然外荷载对路基土的冻胀量有一定的抑制作用，但要终止路基土的冻胀则需要相当大的外部压力，这个外部压力又根据土质的不同而相差很大。土颗粒越细，需要的外部压力就越大。

3 路基土冻胀的工程防治措施

路基土发生冻胀的原因是因为冻结时土中的水向冻结区迁移积聚。防治路基土冻胀的最有效的途径就是防止地表水、地下水或者其它的水分在路基土冻结前和冻结的过程中渗入到路基土体中。结合高寒地区路基土的冻胀影响因素从以下几个方面提出相应的工程防治措施。

3.1 加强路基排水设施

解决水份对路基土冻胀影响的最有效方法就是采用各种排水的措施，尽可能的减少水份的渗透、迁移聚积和毛细水的补给使路基土体保持干燥状态。排除地下水应在路基下集中水流处设置暗管或暗沟，暗管或暗沟应设于最大冻结深度以下或采取保温措施，挖方及全冻路堤路段应设排水渗沟。排除地表水应在挖方路段界外设截水沟或拦水埂，土质截水沟必须做底、壁铺砌。设置的路基边沟沟底纵坡不宜小于0.75%，沟底应低于路床顶面至少0.3 m;土质边沟侧面和底面宜铺筑浆砌体。

3.2 提高路基土压实度

经研究表明压土体的实度越与冻胀率成反比，当压实度较小时土体中毛细水的上升的高度较高，随着压实度的逐渐增大土体中的孔隙逐渐减小，压实度大于等于96%时土体孔隙中的水分主要以弱结合水存在，整个孔隙几乎都被弱结合水占据了，这也阻断了毛细水的上升通道，从而减少了路基土上部水分的积聚程度，路基土的冻胀量也相应减小。因此，在施工时应严格控制路基土的压实度。

4 结论

在高寒地区道路建设中应充分考虑到不同工程地质条件对路基土产生冻胀的影响，针对不同的地质情况，开展相应的防治冻胀措施。结合路基土冻胀病害的影响因素，在筑路时应严格控制路基填土含水率使其在最佳含水率附近以及控制分层压实的厚度，必要时采取其他有效方法压实方法，如用振冲式压路机对路基进行碾压施工，使土体达到一定的密实度。修筑比较完善的排水系统，在冬季冻结期尽量排除路基周围水源，以减小路基土冻胀量从而保证道路使用的稳定性。

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U416.1

C

1008-3383(2012)02-0052-02

2011-12-26

杨洪生(1974-)，男，高级工程师。

黑龙江省交通厅重点科技项目(HJ2008018)。