季节性冻土路基冻胀机理与防治技术浅析

季节性冻土路基冻胀机理与防治技术浅析
【摘要】本文阐述了季节性冻土路基的冻胀机理，分析了土的类别、冻前含水量和地下水位这三个因素对路基冻胀的影响，并提出了采用置换法、隔温材料法、设置毛石垫层等技术措施对路基的冻胀进行防治。

【关键词】季节性冻土；路基；冻胀
我国幅员辽阔，其中很大一部分面积处于中高纬度地区，因此，我国冻土分布非常广阔，冻土面积约占全国面积的75%。

冻土分为永冻土和季节性冻土。

我国季节性冻土面积约为513.7万平方公里，约占国土面积的53%。

土壤的冻胀是我国北方季节性冰冻地区普遍存在的地质现象，路基冻胀是这些地区公路路基特有的破坏现象，因此，在我国交通运输设施建设中，如何解决好路基土的冻胀问题对工程建设的影响就显得尤为重要。

路基冻害问题比较复杂，涉及因素多，必须从理论上去认识和了解冰冻作用的物理力学性质，了解冻胀的机理和特点，掌握和发现冰冻作用过程的规律，进而找出防治冻害措施。

1.土壤冻胀形成机理
在季节性冻土地区，秋冬交替季节，由于大气温度的下降，在大地与空气的热交换过程中，土体温度降到土中孔隙水结晶点时，土体便发生冻结。

随着土中原位孔隙水及来自外界水源的迁移水的结晶，土体中将会出现冰晶体，导致土体体积膨胀，引起附加的应力和变形，这就是冻胀现象。

冻胀的外观现象是土层的均匀或不均匀隆起、鼓包、开裂等。

到了春季，冻结后的土体从上层开始融化，但冻土层的下层尚未溶解，水分无法下渗，使土体处于饱和及未饱和的状态而导致土体强度降低。

一旦土体中冰侵入体消融成水，而土体又未能完全排水固结，就会从上部结构发生沉陷变形及道路翻浆等融沉现象。

这种现象对路基、桥梁、渠道等交通设施的施工与维护造成了很大的困难，为人民的生活带来了极大的不便。

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，由许许多多大小不等、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。

路基土开始冻结时，由于负温的作用，水分开始由下层向冻结锋面集聚，形成冰晶体、夹冰层。

通常路面特别是黑色路面，其导温性较两侧路肩强得多，因此，路面下基土冻结速度快，冻深也大，冻结线在路面下呈凹曲线，路基下部和路肩土体中水分将向路基中部集聚，使路面下部形成较厚的聚冰层，从而产生冻胀，造成路面不平或产生裂缝，如图1所示。

2.影响路基冻胀性的主要因素
影响路基冻胀性能的首要因素是气温。

除气温条件外，影响地基土冻胀性
主要因素有三个：土的类别、冻前含水量和地下水位。

2.1土的类别对冻胀性的影响
土的冻胀性与土颗粒的粒径、矿物成分等因素有关，不同类别的土发生冻胀的敏感程度不同，这是冻胀的内因。

现在普遍认为，易于形成冻胀机制的颗粒尺寸范围为0.005～0.05mm。

在这一范围内，一般随着颗粒粒径减少和分散性增大，土的冻胀性增大。

因此，当粉、黏土颗粒增多时，土的冻胀性显著增大。

另外，土中亲水性矿物含量较高时，土的冻胀性会显著增大。

这是由于亲水性矿物吸水造成土的含水量增加而引起的。

2.2土的冻前含水量对冻胀性的影响
土中液态水可分为结合水、毛细水、重力水。

其中，毛细水和重力水也称为非结合水。

非结合水为自由液态水，主要受重力作用的控制，在0℃或稍低于0℃时就冻结。

而结合水一般要在-1℃或更低的温度下才冻结。

因此，土的冻胀主要是由于冻结前土中的非结合水冻融引起的。

非结合水反应在土的物理指标上为含水量，也就是说土的冻前含水量决定着土的冻胀性。

2.3地下水位对冻胀性的影响
地下水对土的冻胀性的影响与各类土毛细水高度有关。

当地下水位低于某一临界深度时，可不考虑其对土的冻胀性的影响，仅考虑土中含水量的影响，此时为一封闭系统。

当地下水位高于某一临界深度时，由于毛细水的作用，地下水会随着土中水的冻结不断向土中补充水分，从而大大增强土的冻胀性，此时为一开放系统，既要考虑土中含水量的影响，还要考虑地下水补给的影响。

3.路基冻胀的防治方法与措施
冻胀现象的产生同时具备土质、含水量、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。

3.1置换法
置换深度及材料要求：置换深度由防止冻胀引起的路面破坏和春融期土基及底基层承载力降低造成的破坏这两种情况来决定。

最好采用理论最大冻结深度，即以不易引起冻胀的均匀粗颗粒材料构成的地基为基准，取在10年间最寒冷一年的最大冻结深度。

但是，由于冻害作用受积雪、除雪程度、日照条件等因素影响很大，所以一般根据当地具体情况，从经济和经验两方面来确定，可以采用廉价的粗颗粒材料，置换深度约为最大冻深的70%。

在不考虑冻深情况下所求得的面层、基层及垫层的总厚度再与拟置换的厚度进行比较，如置换厚度大时，其差值用不易引起冻胀的砂、天然砂砾等材料填在底基层之下，作为防冻层。

这部分被列为土基的部分。

如果原有土基为较弱土质，则需在防冻层下再设置20cm 的
隔离层。

这种隔离层大多数采用含粉质粘土小于10%的砂铺筑，以防软弱土质混入防冻层材料中。

置换用的材料应符合防冻层底基层的质量和规格要求，并且必须保证这种材料本身不能引起冻胀。

粗砂、砾、卵石、块石当细颗粒含量小于14%时可认为是非冻胀土。

3.2隔温材料法
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。

3.3设置毛石垫层
毛石垫层的应用，适用于严寒、高水位、冻胀层较深的地区。

借鉴软土地基的处理方法，结合地下水位高的特点，在路床与基层之间增加200mm，400mm 碎毛石垫层，表面再用混凝土找平，然后再按设计进行基础施工的方法。

经过这样处理的高水位冰冻层较深的各种基础，基本减少和消除了冻胀对基础的危害。

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