季節性凍土地區路基凍融效應特征

郭麗

（綿陽市涪城區西南科技大學 四川綿陽 621000）

1 季節性凍土分布特征

凍土，是指溫度等于或低于零攝氏度且含有固態冰的各類土。根據其凍結時間可分為短時凍土、季節凍土、隔年凍土和多年凍土。[1]季節性凍土指對溫度的敏感度高，冬季土體內水分結冰，夏季融化，交替產生凍結和融化循環變化的一類土。

在我國，季節性凍土面積為513.7×104km2，約占全國國土面積的53.5%。其中深季節凍土（凍深＞lm）約占全國國土面積的1/3。[2]主要分布于東北三省、內蒙古、甘肅、寧夏、新疆北部、青海和川西等中緯度地帶以及高寒山區。

2 季節性凍土地區凍融效應類型及特征

2.1 凍脹

冬季負溫使路基土體內的水分結冰而體積膨脹，在持續的負溫條件下，路基的凍結鋒面不斷下降，最終達到最大凍結深度，同時未凍結區的水分因毛細作用不斷向上遷移，形成大體積冰晶體，這種現象稱為凍脹。路基的凍脹變形通常分為三個階段。快速發展階段，路基的凍脹速率最大，凍脹量不斷增大直至達到最大凍脹量；穩定發展階段，因凍脹達到最大凍結深度后，路基凍脹量基本維持在同一水平；融化回落階段，溫度升高，凍結層從上至下依次融化，直至融化線與凍深線重合，凍脹變形基本復原。[3]通常情況下，路基的凍脹變形沿道路長度范圍內分布不均勻，因此路面平順度差，柔性路面易產生隆起、開裂，剛性路面易錯縫折斷，影響道路正常使用。

2.2 翻漿

翻漿是道路在凍脹作用條件下產生的特有的凍害現象。當春季回溫，路基上部聚冰先融化，積累大量自由水，路基下部聚冰融化較慢，形成不透水層，水分不能及時排出，基床被軟化，甚至成為流動的泥漿，強度大大降低，在車輛荷載的作用下，路面下沉，飽和水泥漿從裂縫中擠出而造成開裂、冒漿的情況稱為翻漿。

3 季節性凍土地區凍融效應影響因素

3.1 凍脹作用的影響因素

分析凍害現象的機理可知，凍脹作用是凍害現象產生的根本原因。因此，研究土壤凍脹作用的影響因素是我們有效處理凍害現象的基礎條件。在現代凍脹理論研究中，人們普遍接受“水分遷移是導致土體凍脹根源”這一說法。對于凍土而言毛細作用是水分遷移的主要動力，而毛細作用又與土質、地下水位、溫度、外界附加荷載等有直接關系。所以我們認為，影響凍脹作用的因素有土質、水分、溫度、附加荷載等。

3.1.1 土質條件

土是的多相性使得自身的物理及力學特性十分復雜，土的內在條件如粒徑、密實度、礦物成分、孔隙、含水量等，往往是土壤物理特性的決定性因素，土的凍脹敏感性就是其中的典型。

李向群通過室內凍脹實驗，在含水量不變的條件下，得出不同干重度與凍脹率的關系曲線，證明土的密實度越高，凍脹作用越強；礦物組分是土顆粒的重要組成部分，含碎屑礦物諸如石英、白云母較多的土，毛細現象弱，凍脹作用弱，含親水性較強的粘性礦物成分如蒙脫石、伊利石等的土，毛細現象明顯，凍脹作用強；趙安平在他的季凍區路基土凍脹的微觀機理研究中，研究了壓實度、凍結溫度、含水量與凍脹量之間的關系，發現在每個凍融循環過程中，土孔隙的大小及數量一直發生變化，并得出孔隙對凍脹起主導作用的結論；土中的鹽分降低冰點，有利于抑制凍脹。

3.1.2 水分條件

適當的水分是土發生凍脹現象的必要條件。當土中初始含水量超過其凍脹臨界含水量時，凍脹才可能發生。在無外界水源補給的情況下，地表水和大氣降水是路基水分的來源，直接決定路基土體凍脹量的大小。土體凍結時，水分遷移的數量及其持續性，取決于地下水的埋置深度，凍脹量隨地下水位的加深逐漸減小。

3.1.3 溫度條件

溫度梯度越大，凍脹作用越強。在有外界水分補給的開放體系中，溫度梯度同樣是影響凍脹作用的重要因素之一。溫度對地基土凍脹的影響具體反映在地基土的凍結深度和凍結速率上。土體凍結后，在相同土質條件下，負溫持續時間越長，凍結深度越大，凍脹量越大；而凍結速率越快，水分向凍結區的遷移速度越快，凍脹作用就越強。

3.2 翻漿的影響因素

3.2.1 自然因素

水分因素。對于與地下水位越高、平均降水量越多的地區，上層路基累加大量聚冰融化的自由水，普遍翻漿嚴重。

土質因素。粉性土、粘性土路基中的毛細作用強，水分遷移量大，大量的水分聚流到路面很近的地方，路基的穩定性差，翻漿現象較其他種類的路基土嚴重。

溫度因素。凍融速度的快慢對形成翻漿的影響很大。對于冷暖交替出現的地區，凍結線長期停留在路面下較淺處，容易發生翻漿現象。反之，如果冬季溫度驟降到較低的溫度，凍結線很快下降到距離路面較深的地方，路基快速達到最大凍結深度，路基上部聚冰少，春融期積累的水分就越少，就不易出現翻漿現象。春季化凍速度越快，翻漿越嚴重。

3.2.2 人為因素

設計因素。路基填土設計標高不夠、路拱高度不足都會增加翻漿現象出現的可能性。此外，混凝土路面最初的配合比設計包括勻質程度、水灰比大小、外摻加劑、密實程度都與翻漿有關。有實驗證明，水灰比越小，水泥漿孔隙越少，混凝土的抗滲性、抗凍性就越好，翻漿就越不容易發生。

施工因素。保證填土有足夠大的壓實度，保證拌合物拌合均勻、鋪攤平整，對提前預防翻漿的發生起到一定作用。

養護因素。道路填縫料長期暴露在環境中，耐久性能變差，及時更換整修填縫可減輕道路翻漿程度。做好路面清潔工作，避免路面雜物因阻礙排水系統的工作而導致路基排水不良，翻漿加重。

車輛荷載。車輛荷載的直接作用是導致路面翻漿的外部條件，車輛荷載越大，反復性越大，造成的翻漿現象越突出。

4 目前常用的凍害處理手段

凍害現象的產生是土質、水分、溫度和荷載相互影響、共同作用的結果，目前常用的防治措施就是從凍害的產生機理入手，針對性的采用相應的措施。

4.1 路基填料加固

改變土壤凍脹敏感特性的方法主要有換填和添摻加劑兩種。換填指將路基凍結深度以上的部分甚至全部凍脹敏感性土挖去，換填成弱凍脹性的土，該方法能從根源上防治凍害，適用范圍廣，但造價過高；多項實驗表明添加土壤改良劑效果不錯，但各地區土質條件相差各異，局限性太強，并未在實際工程中廣泛應用。

4.2 改善路基水分狀態

除了設置排水溝、截水溝以外，使用優質粉煤灰能提高混凝土的密實度，改善混凝土的內部孔結構，阻止及水分的滲入；阻礙土壤水分遷移路徑是另一種有效途徑，常用方式有提高路基的填土高度，使路基持力層邊緣盡量遠離地下水位，減少凍結過程中的水分遷移量。

4.3 改變路基溫度場

負溫環境是使季節性凍土發生凍脹的基本條件，工程上常采取適當的保溫措施來改變路基的溫度場，降低凍深，從而減小凍脹量。但是大量實驗表明，目前應用的保溫材料普遍存在耐久性能差、防水性能差、強度不高的缺陷。

5 結語

凍脹、翻漿病害一直是季凍地區道路建設中常遇的難題，雖然在目前的工程實踐中已經應用了不少凍害防治手段，但這些方法仍然存在不同程度的缺陷。在研究凍脹成因和規律的基礎上，以新的思路探究出一套簡單、經濟、有效并且可以廣泛應用的凍害處理技術，有很大的前景。