路基土中自由水分對公路病凍害影響的分析研究

雷忠明

摘 要：公路工程質量事關國計民生，是人們對美好生活質量追求不可或缺的一部分，文章從路基土壤中自由水方面論述出發，研究自由水、最大凍結深度、汽車輪載工作區范圍內地下水毛細水病凍害對公路質量的影響，并總結了一些應對措施和方法。

關鍵詞：自由水分;公路病凍害;分析研究

隨著我國經濟的快速發展，對交通運輸的要求必將越來越高，而良好的路面質量是滿足人們安全出行的必然需求，為此分析產生公路病凍害的緣由在公路建設中顯得尤為重要。

1 沿途當地地下毛細水現象對公路工程質量的影響

我們知道路基土是由巖石經過物理化學風化作用產生的物質，是由固體、液體與氣體三者組成的混合體系。它的固體物質構成路基土的基本骨架，決定著路基土承載的結構強度。而它的液體則指土粒間填充的水分，其含量的大小在很大程度上是由沿途當地的地表與地下水文狀況決定的，當土顆粒與填充水之間相互作用時，按照土顆粒對填充水的吸附力大小劃分，可分為結合水和自由水。而結合水又分為強、弱結合水，由于這部分水受到土顆粒的超強吸附力，形成了土顆粒外圍的結合水膜，它不遵從自然水力學規則，也就很少影響路基土的承載結構強度，所以它們對路基土強度影響可以忽略不計。土顆粒結合水膜外的水為自由水，分為重力水和毛細水，這部分水對路基承載強度和道路日常運營中的病凍害影響十分巨大，其中的重力水是構成地下水的重要部分，而毛細水是受毛細作用控制的水分，除了受自身重力作用外還受到水表面張力，它遵從毛細現象規律，毛細水對公路路基土的干濕狀態及病凍害的影響很大，在日常建設中是容易被忽略考慮的部分，按照海森經驗公式：

因為土粒間的抗剪強度是土粒與土粒之間抵抗發生剪切位移的能力，與顆粒間的聯結力有關，聯結力越大，土的強度越大，反之則小。因此土粒間的聯結力是土強度的基礎，當路基土處于最佳含水量時，土粒間聯結力最大，抗破壞強度能力最強，而由于毛細水的存在，若在路基土設計中未能充分考慮阻止毛細水上升的相應措施，使設計最佳含水量的路基土在當地水文狀況極其不利的情況下，引起路基土中的含水量增大，土粒間的聯結力減小，從而導致路面承載強度降低。因此路面高程設計應充分考慮路基毛細水上升高度內水分引起的對路基強度的影響，對路基土采取如密級配灰土改良土壤或憎水性材料等措施從源頭上阻止毛細水對路基土強度的破壞影響。

2 沿途冬季最大凍結深度內的自由水分對路基產生的凍害影響

前面講過路基土中的水分分為結合水和自由水，在道路沿線進入冬季冰凍季節，強弱結合水由于受土粒分子引力的嚴重影響，就是弱結合水最外層水膜一般都要到零下20℃-30℃時才會凍結，它的存在除少數地區外不會產生凍害影響。而土中的毛細水由于受其表面張力的作用其冰點稍低于0℃，重力水則與自然界中的水分性質完全一致，隨著冬季來臨氣溫降低，路基土壤中的自由水首先在0℃時開始凍結成冰晶體，當氣溫繼續降低時，由于弱結合水的外圍水膜結冰，導致冰晶體周圍的土粒結合水膜減薄，土粒亦產生剩余的分子引力，在這種引力作用下，附近未凍結區的水分亦被吸引到凍結區的水膜較薄處凍結。我們知道水分凍結成冰時體積約增大9%，所以導致土體積發生膨脹而隆起，映射到路面產生鼓包、開裂、錯縫乃至斷板，這種現象稱為土的凍脹現象。而隨著春季氣度升高土顆粒中的冰晶體解凍融化，路基土中的含水量大大增加，加之自然土層排水能力差土層處于水飽和狀態，土層軟化，體積減小，強度降低，在路面受車輛反復碾壓下發生開裂、冒泥，發生翻漿現象。在我國的華中華東等地處季節性凍土地區，上述現象統稱為翻漿凍脹現象，兩者周而復始交替產生就使得路面完全破壞。現根據有關氣象部門實測得出的經驗估算公式如下：

在通過上述公式估算出沿途當地標準最大凍結深度后，公路路面的設計高程須大于當地冬季地下水位加上毛細水上升高度值與最大凍結深度之和的總高程，以使路基土壤中的自由水處于當地最大凍結深度之下，若滿足不了，就要采取換土或其它處理措施，以保障最大凍結深度內的路基土免遭翻漿凍脹作用的影響，從源頭上杜絕產生翻漿凍脹凍病害的出現機會。

3 汽車輪載工作區范圍內對路基土壤中水分含量的要求

當路面產生車載輪壓時，在土壤的一定深度外，輪載產生的應力σ車與路基土自重應力σ土的比值很小時，就可以不計輪壓應力σ車，由此得：

按照公式可以計算出車輪荷載所產生的應力分布深度，即汽車輪載工作區深度h的計算公式為：

由于實際路面分為剛性和柔性路面，剛性路面比柔性路面強度大，路面輪載工作區的實際深度隨著路面結構層強度的增大而減小，于是在將路面折算為與路基相同材料參數后，得出的換算公式為：

當折算后的輪載工作區總厚度大于結構層厚度時，車輪荷載不僅僅作用于路面結構層，還將作用于部分路基土壤中，這時將這部分高度土壤換成憎水性密級配材料等措施以切斷地下水及毛細水作用，或者通過設計地下排水結構物以降低地下水或加深兩側邊溝以加大溝底與路基邊緣之間的高程差達到降低地下水的目的，避免土中的自由水作用引起的路基土承載強度降低或翻漿凍脹的發生從而導致路面質量過早毀壞。

參考文獻：

[1]公路橋涵地基與基礎設計規范（JTG D63-2007）.人民交通出版社，2007.

[2]公路路基設計規范（JTG D30-2015）.人民交通出版社，2015.

[3]工程水文學.中國交通書城出版社，2012.