季節性凍土區路基水分橫向遷移機理研究

倪鐵山

摘 要：本文基于Harlan模型和吸附-薄膜理論，首先分析了發生橫向水分遷移的水分類型和來源，進而分析了水分發生橫向遷移的動力，最終結合已有工程處置方法，給出針對防止水分橫向遷移相應的治理措施，并給出下一步研究試驗的方向。

關鍵詞：季節性凍土區，水分橫向遷移，孔隙水，薄膜水

中圖分類號：TU752 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（c）-0022-02

我國有一半以上的國土屬于季節性凍土區，屬世界第三凍土大國。隨著氣候變暖，一方面加劇了現有季節性凍土區道路病害，另一方面也可能使多年凍土區遇到與季節性凍土區同樣的道路病害問題，甚至對已建成建筑產生更嚴重的破壞。因此，有必要加深對季節性凍土區路基病害問題的研究，特別是路基凍害的研究。

1 季節性凍土區路基凍害分析

季節性凍土區路基凍害一直是困擾我國北方地區道路建設的一個重要問題。在季節性凍土區，伴隨著土中水凍結成冰和凍土中冰的融化而產生路基不均勻凍脹和融沉現象，進而表現為路面的裂縫、凸凹不平、鼓脹、翻漿等。而路基凍脹主要是由于冬季氣溫下降，導致土體中的水尤其是外界補給水分的聚集凍結，同時土體的體積增大，進而引起路基凍脹。事實上，自然條件下由于路基土質、水分及凍結條件的不均勻性，路基會產生不均勻凍脹，從而導致路面開裂；而春季融化時，上部凍土首先融化，而下部凍土不能及時融化，因此阻止了上部水分下滲，造成排水不暢，導致土顆粒間水膜增大，使土粒間摩擦阻力降低以至消失，也即使土的整體強度顯著減弱，在行車荷載作用下，路面即發生開裂、翻漿等病害。無論是凍脹還是融沉，都將造成路面平整度的降低甚至破壞，給道路的正常運行帶來了安全隱患，同時也額外增加了公路養護費用。

2 水分橫向遷移過程機理

綜合已有研究可知[1～3]，水分遷移作用是導致路基不均勻凍脹的主要原因，所以研究均會從水分遷移模型出發，進而研究路基凍脹和融沉作用機理，最后給出相應病害處治與防治方法。目前針對水分發生豎向遷移，即主要的遷移方向，開展的研究比較多。雖然有論文介紹發現這一現象[4]，但專門研究地基中水分橫向遷移的論文還沒有出現。本文基于Harlan模型和吸附-薄膜理論，主要研究路基中水分橫向遷移過程機理。

2.1 發生水分橫向遷移的水分

當土壤一部分溫度降低，發生凍結的時候，附近溫度較高而尚未凍結的其它部分土壤里的水分，就會向溫度較低的凍結區移動聚集。這是由于分子吸力的關系，土壤顆粒表面包著一層一定厚度的薄膜水。當溫度降低薄膜水開始部分凍結的時候，剩下的水膜厚度減薄，分子吸力有了剩余，因而將較暖處的尚未凍結的薄膜水源源不斷地吸來，于是發生土壤水分向凍結區的聚流現象。而在化凍時這些聚集來形成冰層的大量水分不能一下子排出去，都積留在路基上層土壤里，導致經過無數次凍溶循環最終形成翻漿。于是，要想有效避免凍脹和翻漿病害，必需從源頭上控制凍脹時期的水分積聚。

事實證明水分不單發生自下而上的豎向遷移，橫向遷移補給（包括路肩坡面、失效排水溝、路基中既有水分等）也是致使道路凍害的重要因素。水分的橫向遷移證據從一些路堤類路基調查資料中看得尤其清楚，因為路堤類路基受地下水影響相對較小，受水分橫向遷移影響明顯。而發生水分橫向遷移的水分主要是孔隙水和薄膜水（弱結合水）。下面首先來分析一下這些水分的水源。

2.1.1孔隙水

孔隙水來源廣泛，可以是路肩坡面滲水、排水溝積水、甚至附近水塘等。在凍結過程中，由于路面傳熱快，下面的土壤冷卻得快，因而被浸濕的邊坡的水分便會在溫差作用下進入路面下的凍土區去，在開始春融時期，路面和路肩表層先融化，而路基的下部尚不能完全有融化，這時如果氣溫不繼續升高，甚至還再冷一下，即所謂“乍暖還寒”的氣候，化凍便不繼續深人，表面已化凍部分的土壤中的水分，在溫差作用下，還會繼續向路面下或路基下部凍土區聚流，因而加重了將來的翻漿程度。

2.1.2薄膜水

一定量薄膜水（弱結合水）廣泛存在于非飽和土孔隙中，特別是未處理的部分路基土中。當非飽和土凍結時，增長的冰晶從鄰近的水化膜中奪走水分，使水化膜變薄，而相鄰的厚水化膜向薄水化膜補充水分，這樣就形成了水分向凍結鋒面運移。薄膜水（弱結合水）是水分豎向遷移的主要對象之一，因而已經得到廣泛的研究。另外，薄膜水（弱結合水）可以以毛細水為水源從而產生持續的遷移，進而顯著改變地基土的含水量。

2.2 橫向水分遷移的動力—— 土水勢

在此引入土水勢這一定義[5]；在凍土中，水分的遷移是緩慢的，所以凍土中的水分可以忽略動能，只具有勢能，土中水分所具有的勢能稱為土水勢。總土水勢由基質勢ψm、壓力勢ψp、溶質勢ψs、重力勢ψg、溫度勢ψt五種組成。基于此，水分遷移的唯一的原則是自土水勢ψ高處向土水勢低處遷移流動。于是可知，土水勢梯度即為凍土中水分遷移的驅動力。針對橫向水分遷移特點，主要考慮其中的基質勢和溫度勢。

2.2.1基質勢

基質勢是由于基質吸力對土中固體顆粒做功引起的。它是土水勢的一個重要的分勢，對非飽和土的水分保持和運動起著重要作用。實驗表明，對同一種土來說，基質勢主要隨含水率增大而減小。土中水分被土基質勢吸持后，其自由能大大降低，相應的土水勢值減小。吸持作用越強，自由能降低越多，土水勢越小。換句話說，基質勢值越大，則土水勢值越小，導致橫向水分遷移力也越小。

有以下三種原因可能產生基質勢；（1）膠體顆粒具有巨大的表面能；（2）土粒間的孔隙具有毛管性；（3）土顆粒吸附離子的水化作用。非飽和土中由基質勢產生的基質吸力，主要由兩方面因素相互作用形成；孔隙氣壓力和毛管吸力。其中毛管吸力是由水的表面張力引起的毛細現象引起的。而基質吸力是孔隙氣壓力與毛管吸力的差值。研究表明，孔隙氣壓力與毛管吸力大小主要同土顆粒的粒度組成、土的壓實效果、土的礦物成分等因素有關。因此，基質勢大小也是同土顆粒的粒度組成、土的壓實效果、土的礦物成分等因素相關的函數。

當土顆粒由大變小，其比表面積由小變大，與水相互作用的能量也越強，自由就能越低，導致橫向遷移力減弱。因此隨著粗顆粒土中細顆粒含量的增大，其凍脹性則相應地減小。土粒間孔隙的毛管性與路基土的壓實效果有重大關系。當路基壓實效果很好，則土顆粒很密實，有效的阻斷了毛管通道，就可以顯著的減少毛管發生。土顆粒所含礦物如果具有較強的離子交換能力，能牢牢結合大量水分，就會使這類土而水分遷移量也較低。這為我們如何降低橫向水分遷移指明了方向。

2.2.2溫度勢

溫度勢就是由土中溫度場的溫差所引起，而土中各點的溫度和標準參考溫度之差就決定了溫度勢的大小。溫度勢梯度是水分遷移的重要誘導因素，溫度勢的變化對水分遷移有很大影響，事實上凍脹發生最直接的原因就是溫度降低。路基土在凍融過程中，由于梯度明顯的溫度場存在，特別是不均勻性，不僅引起水質點周圍力的重新分布，同時還引起其它因素的改變，而這些因素又會對水分遷移產生更多的影響。

水分的橫向遷移過程不僅會受到以上基質勢和溫度勢的作用，還會受到其它作用，比如易溶鹽含量偏高時產生的溶質勢或者荷載作用下產生壓力勢等方面的作用。試驗表明，易溶鹽含量偏高時產生的溶質勢不但可以降低冰點，而且能夠抑制水分遷移，副作用是會導致土體強度降低。正如前述，在水分橫向遷移過程中，一般是這兩種作用最顯著。當條件比較特殊時，其它因素的作用可能增大，因此應該合理分析，并區別對待。

由于高等級道路常采用的黑色路面，水分的橫向遷移問題常常顯得更明顯。因為黑色路面材料傳熱比土壤快得多，當冬天降溫的時候，路面下的土壤比兩旁路肩下的土壤冷的快、凍結早，于是不但路基下部，而且兩旁路肩尚未凍結部分土壤里的水分，都向路面下先凍結的土壤處聚集。而到了春天化凍時期，路面下的土壤又比路肩下的土壤暖得早、化得快，于是路基下面殘余未化的土壤形成凹槽狀，阻止化凍水分正常排出去，因而土基下土壤的含水量便會逐年增加，直至出現病害問題。

3 結語與展望

事實上，在冬季結冰期，凍結鋒面以上的土會由于水分結冰阻斷橫向遷移通道，從而減緩甚至停止水分的橫向遷移。但是由于水源充足，在春融和秋雨的時候會出現更多的橫向遷移。水分橫向遷移是水分它向遷移的一部分，其它還有從路面、路肩或邊坡等向下的水分遷移，可以為水分橫向遷移提供水源。另外，作為路基中水分遷移的主體之一—— 從下層土基向路基中的豎向水分遷移，是現在研究最多，也是主動采取規范性工程措施[6]的對象。目前國內針對季節性凍土區的道路凍脹翻漿破壞主要的防治措施有；（1）對于重要路段路面采用冰凍穩定性良好的二灰土來修建，以改善路基結構；（2）設置砂礫墊層；（3）提高路基填筑高度；（4）基底鋪設土工織物；（5）采用油氈紙做不透水性隔離層；（6）設置排水溝、截水溝、路肩明溝及擴大邊溝。

規范和施工中均未對阻止橫向水分遷移給出明確規定，但是對于路堤類路基或者附近有明顯水源的情況下，橫向水分遷移對路基的影響還是很顯著的，因此有必要采取相應的防治措施。根據本文的分析，建議采取以下工程措施；（1）通過相應構造施工，將防水層擴展到路基的側向，阻斷或降低橫向水源的補給；（2）改善路基填料組合，減少路基土中粉土含量；（3）通過改善施工工藝，提高路基壓實效果。另外，水分橫向遷移的相關理論還有待完善，還有待于進一步的實驗驗證。

參考文獻

[1] Harlan， R.L. Analysis of coupled heat-fluid transport in partially frozen soil[J]. Water Resources Researeh，1973，9（5）：1314-1323.

[2] 程國棟.中國冰川學和凍土學研究40年進展和展望[J].冰川凍土，1998，9，20（3）.

[3] 谷憲明.季節性凍土區道路凍脹翻漿機理及防治研究[D].吉林：吉林大學，2007，5.

[4] 李雨濃.季節性凍土區高速公路路基凍害影響因素分析[D].吉林：吉林大學，2007，6.

[5] 原國紅.季節凍土水分遷移的機理及數值模擬[D].吉林：吉林大學，2006，5.

[6] JTG F10-2006，公路路基施工技術規范[S].