严寒地区道路冻胀的原因解析及防治措施

张宏红 侯金桥

1 冻土和道路冻胀的形成

冻土是一种由固体土颗粒、冰、液态水和气体四种基本成分所组成的多相复合体，分为多年冻土(两年或两年以上)、季节冻土(冬季冻结，夏季全部融化)和瞬时冻土(几个小时至半月)三类。

在季节性冻土地区，随着大气温度的下降，土体温度降到土中孔隙水结晶点时，土体便发生冻结，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。到了春季，随着气温的上升，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，使土体含水量增大，导致强度降低。一旦冰侵入土体中消融成水，而土体又未能完全排水固结，就会使上部结构发生沉陷变形及道路融沉、翻浆等现象。

路基产生不均匀冻胀，就会引起路基变形开裂，导致路面开裂;春季融化，路面发生裂缝、断碎、车辙、冒泥翻浆、拱起(鼓包)、沉陷等病害(见图1)，降低或破坏路面的平稳度，影响车辆通行和行车安全，缩短道路使用寿命。

图1 道路病害

2 道路冻胀形成的原因

在季节冻土区，路基冻胀主要是由于大气温度下降，使土体中的水尤其是外界补给水分的聚集冻结使土体的体积增大，引起路基冻胀。自然条件下，由于路基土质、水分及冻结条件的不均一性，会产生不均匀冻胀，导致路面开裂;春季融化时，水分下渗，而下部土体尚未融化，造成排水不畅，土体水分聚集，由于颗粒间水膜增大，土粒间摩擦阻力降低以致消失，使土的抗剪强度显著减弱，在行车荷载作用下，路面发生开裂、翻浆等病害，影响道路通行。

3 影响冻胀的因素

影响冻胀的主要因素为:1)具有冻胀敏感性的土(如:粘性土、粉土);2)初始水分和外界水分的充分供给;3)适宜的冻结条件和时间(气温和地下水温度)［2］。

4 减少冻胀破坏的措施

冻胀现象的产生要同时具备土质、地下水、地表和地下水温度三个主要因素。因此，为了防治冻胀现象，只要消除这三个因素中的一个，就能达到目的。防治道路冻胀的措施可以归纳为以下几类:

1)假设防冻胀层采用非冻胀材料换填冻胀性材料的“置换法”，即用难以引起冻胀作用的粗颗粒材料换下冻结深度内的冻胀土。

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［1］。

2)在路基中设置隔温层，提高冻胀土的温度，减少冻胀量的“隔温法”，隔温法适用于冻结深度大或者交通量较小，又缺少置换材料的情况。

泡沫隔温材料主要有:EPS(发泡聚苯乙烯)类;XPS(挤塑聚苯乙烯)类;PU(聚氨酯)类。其厚度设计参考国外的常用厚度，并结合当地的气候条件确定。如:0.05 m和0.075 m。

泡沫隔温材料宜铺设在路床与基层之间，在泡沫隔温层的上下面铺设5cm厚粒径约1cm的砂砾层。目的主要是:a.找平路基，为泡沫隔温材料提供良好的支撑工作面，使泡沫材料与路基接触密合，防止泡沫板的折断与碎石嵌入泡沫材料;b.保证泡沫材料与基层的良好衔接，削弱或者消除冻胀。

3)在冻胀土中掺入石灰和水泥，改变其冻胀性质，适用于路基回填区域。

4)降低冻结温度的“稳定处理法”。用于粘性土构成的软弱路基情况，也可以与置换法配合使用。

5)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C8级混凝土找平，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［3］。

碎毛石垫层的优点:a.松散碎石置于饱和的地下水中，水位升降、流动可以在石块空隙中自由进行，受力均匀;b.碎毛石为无规格的废料，不需加工和修整，就地取材，施工简单，铺填容易，减少了拌浆和砌筑工序，节约材料，加快了施工速度;c.冬季大地冻胀收缩裂缝时，因碎石垫层有许多空隙具有弹性性能，冻胀拉力被无水泥胶结的碎石吸收，使之不能侵入上部路面结构层，有“以柔克刚”之效。

6)提高路基填土高度是一种简便易行、效果显著且比较经济的常用措施。同时，也是保证路基路面强度和稳定性，减薄路面，降低造价的重要途径。

提高路基高度，增大路基边缘至地下水或地面水位间的距离，从而减小了冻结过程中水分向路基上部迁移的数量，使冻胀减弱，减少翻浆的程度和可能性。

5 结语

通过对季节性冻土地区道路路面冻胀特点进行分析，可以看出路面冻胀的原因是由于地表水渗入或地下水位过高产生毛细作用，排水不畅，再加上土质为冻胀土等原因综合作用的结果。

所以要解决冻胀问题，必须从源头抓起，切实解决防水、排水、土质和防冻等几个方面的问题。

［1］ 管枫年，严 厉，杨冬玲.水平冻胀力对挡土墙的破坏作用及防冻害设计［J］.建筑技术，2009(10):38-39.

［2］ 孙德举，董玉节.浅论长春地区的冻土［J］.吉林勘查设计，2006(6):3-4.

［3］ 肖广智.冻胀土地基碎毛石垫层的应用［J］.煤炭技术，2003(2):66-67.

［4］ 谷宪明.季冻区道路冻胀翻浆机理及防治研究［D］.博士研究生论文，2007.