道路冻胀、翻浆产生的机理及其治理

道路冻胀、翻浆产生的机理及其治理
【摘要】北方城市道路和各等级公路在建成通车以后，由于行车荷载的作用和受自然条件和施工中各项因素的影响，道路经常会发生各种病害。

根据产生的原因和病害的形式道路病害可分为：裂缝、车辙、坑槽、推移、拥包、沉陷、桥头及涵洞跳车、冻胀、翻浆、沥青脱落等。

在下面部分，根据自己的经验和总结的知识，就冻胀和翻浆产生的原因、影响冻胀和翻浆的因素、冻胀和翻浆的危害谈一谈粗浅的看法。

【关键词】冻胀；机理；治理
1 冻胀产生的原因
冰冻季节因为大气负温的影响，土粒中水分冻结后就形成为冻土。

在冻土地区,随着冻土的产生和融冻的发生而出现的一些现象就成为冻土现象。

在冻土产生过程中，某些细粒土层在冻结过程中往往会发生土层体积的膨胀，膨胀使地面隆起成小丘，产生的这一现象就是所谓的冻胀现象。

在道路中经常出现以下情况，如：天然地下水位较高；城市道路地下供水、排水管道的泄漏没有及时维修；路表水向路基中的渗透等。

它们为冻胀提供了充足的水源，在形成毛细通道时就构成毛细水的上升，这是构成冰冻季节冻害的主要原因。

当冰冻季节冻结时，土中水分向冻结区迁移并积聚，大气温度降到负温度的时候，道路土层温度也跟随降低到负温度，土颗粒孔隙中的自由水在0℃以下时，自由水首先冻结成冰晶体。

随着气温的继续下降，周围未冻结区土中的水分会向表层冻结冰晶体迁移积聚，使冻结区土层中水分逐渐增大，冻结后的冰晶体也不断增大，只要冻结区周围还存在着水源(如：地下水距离冻结区很近、排水和供水管道泄漏未修复等)，并且还存在适当的水源补给通道(即：毛细通道)，能够源源不断地补充给冰冻体所需的水分，在这一不平衡的引力不间断地作用下，未冰冻区的水分不断地向冰冻区迁移积聚，使冰晶体不断扩大，在土层中形成冰夹层，由于水在由液态冻结后变成固态时体积会增大9%，因此，土层在冰夹层作用下体积会发生膨胀，也就是冻胀。

冻结区域冰晶体不断增大，不断吸引周围的水分，不断发生体积继续膨胀现象，一直继续到切断冰晶体所需的补给水源，此时的水分继续迁移积聚、冰晶体继续增大才会停止。

2 影响冻胀的因素
路基的冻胀现象是在一定条件下形成的，土层必须具备以下几个条件时在冰冻季节才会发生冻胀破坏。

2.1 持续缓慢负温度：
持续缓慢负温度会构成冻胀的条件。

大气温度在冰冻季节缓慢地下降，冷却的强度也很小，但是在这一季节负温持续的时间较长，使未冰冻区的水分不断地向冰冻区迁移积聚，冰冻区域冰晶体逐渐增大，在土层中形成冰夹层，土层在冰夹层作用下形成明显的冻胀现象。

温度的骤降不会产生冻胀。

在冰冻季节到来时，如果气温突然下降，并且下降的强度很大，这时土层冻结速度很快，土层的冻结面迅速向地下推移，土层中的水分来不及向冻结区迁移积聚就在原地冻结成冰，毛细通道也被形成的冰晶体给堵塞住。

这时,水分的迁移和积聚不会发生，只会在土孔隙中存在一些冰晶体，形成不了构成土层冻胀的冰夹层。

2.2 存在水源补给：
土层发生冻胀时水分的迁移和积聚是构成冻胀的主要原因。

当冻结区附近地下水位较高时或城市道路地下排水、供水管道有泄漏时，毛细水上升高度能够达到或接近冰冻层，使冰冻区能够得到充足的外部水源供给。

经过长期的冰晶体积聚和水分的迁移，将会发生比较强烈的冻胀现象。

冻胀现象可以分为强烈冻胀和轻微冻胀。

当冻胀发生时，在冻结过程中有充足的外部水源供给(地下高水位;城市道路下排水、供水管道未进行及时维修的泄漏水)，冻胀时在土层中形成很厚的冰夹层，这时将产生强烈冻胀。

冻胀发生时，在冰结过程中没有充足的外部水源供给，只是在土层中存留多水季节渗留水分，使土层中偏高于正常含水量，这时的土层中产生冰夹层较薄，冻胀量较小，对结构构成不了太大破坏，这时称为轻微冻胀。

虽然，轻微冻胀对结构构成不了太大破坏，但是，在多年的冻胀以后，也会严重地影响道路的结构、影响道路的正常使用，轻微冻胀在道路维护时也是不容忽视的。

在冰冻季节，路面长期积水、积冰也是构成冰冻破坏的原因。

由于城市道路路面排水不畅，路面局部常年积水，积水经过路面渗入路基。

当冰冻季节来临时，路表积水在负温度下冻结，随着气温的继续下降，土层中未冻结区的水分会向表层冻冰迁移积聚，冻结层会逐渐增厚。

由于冰冻区在冰冻未到来之前不断受到积水的侵蚀和渗透，在冰冻时地下能够给予足够的水分。

因此，在不断的冰冻降温和饱和的水分作用下，冰冻区域冰体不断增大。

水分在液态转化为固态过程中体积的增大就形成严重的冻胀破坏现象。

2.3 路基填筑料的原因：
冻胀现象通常都发生在细粒土中，特别是容易出现在粉性土和极细砂路基中。

粉性土和极细砂在冻结时水分迁移积聚最为强烈，冻胀现象也最为严重。

这是因为，粉性土和极细砂具备出现毛细现象的条件，毛细水上升的高度大，上升的速度也快，并且能够形成较通畅的毛细水源补给通道。

同时，粉性土和极细砂的颗粒较小，细土粒吸水性强，能够持有较多的土粒结合水，在冰冻时能够使大量的结合水迁移积聚，为冻胀破坏的产生提供充足的条件。

3 冻胀的危害
冻胀在道路工程中危害是比较大的，特别是对道路工程中的路基路面结构，冻土现象是由冻结及融化两种现象作用构成的。

因此，冻土现象存在两种病害形式：冻胀破坏和融冻破坏。

冻土的冻胀会使路基隆起，使柔性路面鼓包、开裂，使刚性路面错缝或折断，冻胀还会使修建在其上面的建筑物(如：护坡、挡土墙等)抬起，引起构造物开裂、倾斜、甚至倒塌。

在季节性冻土地区，到了融冻季节，冰冻区开始解冻、融化，由于冰冻土层积聚了大量的冰晶，冰晶融化使土中含水量大大增加。

并且，冰冻区细粒土排水能力较差，区域内土层完全处于饱和状态，冰冻处土层解冻融化后的路基、路面强度大大降低。

融冻后的路基土在来往车辆的反复碾压下，轻者路面变得松软，限制了行车速度，严重时路面会开裂、冒泥，也就是会出现翻浆现象，使路基、路面遭到破坏。

4 冻胀的预防和治理
冻胀破坏在道路工程中是经常发生的。

如果在施工过程中对其认真预防是完全可以避免的；冻胀破坏发生时，在道路养护中是可以彻底根治的。

在施工和养护过程中，温度对冻胀的影响很关键，因为有温度的变化才能构
成冻胀和翻浆。

虽然道路冻胀中温度是无法控制的，但是在解决和预防冻胀时可以从土和水的方面来进行研究解决。

首先，在道路路基工程中，路基土选用时尽量使用砂砾等粗粒土，使土中没有或具有少量的结合水，完全控制土粒的含水量，控制基料碾压后出现的毛细现象。

使孔隙中自由水冻结后不会发生水分的迁移积聚，这样就会避免冻胀的发生。

对于已经发生冻胀现象的区域，需要进行仔细调查研究，如果确实属于土质问题的应当对冻胀部位进行换填路基土,从根本上对冻胀进行彻底根治。

其次，水的原因也是引起冻胀的必要因素。

冻胀产生时必须具有充足的冰冻水源。

在对冻胀区进行处理时，必须对冻胀部位进行仔细研究原因、认真调查清楚供给冻胀部位的水源，对天然地下高水位进行阻断；对地面水进行导流，彻底根治因排水不畅而引起的路面积水现象，避免地面水向路面、路基渗透；对地下排水、供水管道泄漏进行及时维修，彻底切断冰冻水源。

道路工程中道路的冻胀是在冰冻季节经常出现的病害。

随着道路工程事业的发展，冻胀现象以及其它各种道路病害还需要不断地进行深入的研究和探讨，还需要我们根据工程实际情况对道路病害进行预防和处理，从而促进道路事业的蓬勃发展。