季节性冻土区路基水分横向迁移机理研究

倪铁山

摘 要：本文基于Harlan模型和吸附-薄膜理论，首先分析了发生横向水分迁移的水分类型和来源，进而分析了水分发生横向迁移的动力，最终结合已有工程处置方法，给出针对防止水分横向迁移相应的治理措施，并给出下一步研究试验的方向。

关键词：季节性冻土区，水分横向迁移，孔隙水，薄膜水

中图分类号：TU752 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）10（c）-0022-02

我国有一半以上的国土属于季节性冻土区，属世界第三冻土大国。随着气候变暖，一方面加剧了现有季节性冻土区道路病害，另一方面也可能使多年冻土区遇到与季节性冻土区同样的道路病害问题，甚至对已建成建筑产生更严重的破坏。因此，有必要加深对季节性冻土区路基病害问题的研究，特别是路基冻害的研究。

1 季节性冻土区路基冻害分析

季节性冻土区路基冻害一直是困扰我国北方地区道路建设的一个重要问题。在季节性冻土区，伴随着土中水冻结成冰和冻土中冰的融化而产生路基不均匀冻胀和融沉现象，进而表现为路面的裂缝、凸凹不平、鼓胀、翻浆等。而路基冻胀主要是由于冬季气温下降，导致土体中的水尤其是外界补给水分的聚集冻结，同时土体的体积增大，进而引起路基冻胀。事实上，自然条件下由于路基土质、水分及冻结条件的不均匀性，路基会产生不均匀冻胀，从而导致路面开裂；而春季融化时，上部冻土首先融化，而下部冻土不能及时融化，因此阻止了上部水分下渗，造成排水不畅，导致土颗粒间水膜增大，使土粒间摩擦阻力降低以至消失，也即使土的整体强度显著减弱，在行车荷载作用下，路面即发生开裂、翻浆等病害。无论是冻胀还是融沉，都将造成路面平整度的降低甚至破坏，给道路的正常运行带来了安全隐患，同时也额外增加了公路养护费用。

2 水分横向迁移过程机理

综合已有研究可知[1～3]，水分迁移作用是导致路基不均匀冻胀的主要原因，所以研究均会从水分迁移模型出发，进而研究路基冻胀和融沉作用机理，最后给出相应病害处治与防治方法。目前针对水分发生竖向迁移，即主要的迁移方向，开展的研究比较多。虽然有论文介绍发现这一现象[4]，但专门研究地基中水分横向迁移的论文还没有出现。本文基于Harlan模型和吸附-薄膜理论，主要研究路基中水分横向迁移过程机理。

2.1 发生水分横向迁移的水分

当土壤一部分温度降低，发生冻结的时候，附近温度较高而尚未冻结的其它部分土壤里的水分，就会向温度较低的冻结区移动聚集。这是由于分子吸力的关系，土壤颗粒表面包着一层一定厚度的薄膜水。当温度降低薄膜水开始部分冻结的时候，剩下的水膜厚度减薄，分子吸力有了剩余，因而将较暖处的尚未冻结的薄膜水源源不断地吸来，于是发生土壤水分向冻结区的聚流现象。而在化冻时这些聚集来形成冰层的大量水分不能一下子排出去，都积留在路基上层土壤里，导致经过无数次冻溶循环最终形成翻浆。于是，要想有效避免冻胀和翻浆病害，必需从源头上控制冻胀时期的水分积聚。

事实证明水分不单发生自下而上的竖向迁移，横向迁移补给（包括路肩坡面、失效排水沟、路基中既有水分等）也是致使道路冻害的重要因素。水分的横向迁移证据从一些路堤类路基调查资料中看得尤其清楚，因为路堤类路基受地下水影响相对较小，受水分横向迁移影响明显。而发生水分横向迁移的水分主要是孔隙水和薄膜水（弱结合水）。下面首先来分析一下这些水分的水源。

2.1.1孔隙水

孔隙水来源广泛，可以是路肩坡面渗水、排水沟积水、甚至附近水塘等。在冻结过程中，由于路面传热快，下面的土壤冷却得快，因而被浸湿的边坡的水分便会在温差作用下进入路面下的冻土区去，在开始春融时期，路面和路肩表层先融化，而路基的下部尚不能完全有融化，这时如果气温不继续升高，甚至还再冷一下，即所谓“乍暖还寒”的气候，化冻便不继续深人，表面已化冻部分的土壤中的水分，在温差作用下，还会继续向路面下或路基下部冻土区聚流，因而加重了将来的翻浆程度。

2.1.2薄膜水

一定量薄膜水（弱结合水）广泛存在于非饱和土孔隙中，特别是未处理的部分路基土中。当非饱和土冻结时，增长的冰晶从邻近的水化膜中夺走水分，使水化膜变薄，而相邻的厚水化膜向薄水化膜补充水分，这样就形成了水分向冻结锋面运移。薄膜水（弱结合水）是水分竖向迁移的主要对象之一，因而已经得到广泛的研究。另外，薄膜水（弱结合水）可以以毛细水为水源从而产生持续的迁移，进而显著改变地基土的含水量。

2.2 横向水分迁移的动力—— 土水势

在此引入土水势这一定义[5]；在冻土中，水分的迁移是缓慢的，所以冻土中的水分可以忽略动能，只具有势能，土中水分所具有的势能称为土水势。总土水势由基质势ψm、压力势ψp、溶质势ψs、重力势ψg、温度势ψt五种组成。基于此，水分迁移的唯一的原则是自土水势ψ高处向土水势低处迁移流动。于是可知，土水势梯度即为冻土中水分迁移的驱动力。针对横向水分迁移特点，主要考虑其中的基质势和温度势。

2.2.1基质势

基质势是由于基质吸力对土中固体颗粒做功引起的。它是土水势的一个重要的分势，对非饱和土的水分保持和运动起着重要作用。实验表明，对同一种土来说，基质势主要随含水率增大而减小。土中水分被土基质势吸持后，其自由能大大降低，相应的土水势值减小。吸持作用越强，自由能降低越多，土水势越小。换句话说，基质势值越大，则土水势值越小，导致横向水分迁移力也越小。

有以下三种原因可能产生基质势；（1）胶体颗粒具有巨大的表面能；（2）土粒间的孔隙具有毛管性；（3）土颗粒吸附离子的水化作用。非饱和土中由基质势产生的基质吸力，主要由两方面因素相互作用形成；孔隙气压力和毛管吸力。其中毛管吸力是由水的表面张力引起的毛细现象引起的。而基质吸力是孔隙氣压力与毛管吸力的差值。研究表明，孔隙气压力与毛管吸力大小主要同土颗粒的粒度组成、土的压实效果、土的矿物成分等因素有关。因此，基质势大小也是同土颗粒的粒度组成、土的压实效果、土的矿物成分等因素相关的函数。

当土颗粒由大变小，其比表面积由小变大，与水相互作用的能量也越强，自由就能越低，导致横向迁移力减弱。因此随着粗颗粒土中細颗粒含量的增大，其冻胀性则相应地减小。土粒间孔隙的毛管性与路基土的压实效果有重大关系。当路基压实效果很好，则土颗粒很密实，有效的阻断了毛管通道，就可以显著的减少毛管发生。土颗粒所含矿物如果具有较强的离子交换能力，能牢牢结合大量水分，就会使这类土而水分迁移量也较低。这为我们如何降低横向水分迁移指明了方向。

2.2.2温度势

温度势就是由土中温度场的温差所引起，而土中各点的温度和标准参考温度之差就决定了温度势的大小。温度势梯度是水分迁移的重要诱导因素，温度势的变化对水分迁移有很大影响，事实上冻胀发生最直接的原因就是温度降低。路基土在冻融过程中，由于梯度明显的温度场存在，特别是不均匀性，不仅引起水质点周围力的重新分布，同时还引起其它因素的改变，而这些因素又会对水分迁移产生更多的影响。

水分的横向迁移过程不仅会受到以上基质势和温度势的作用，还会受到其它作用，比如易溶盐含量偏高时产生的溶质势或者荷载作用下产生压力势等方面的作用。试验表明，易溶盐含量偏高时产生的溶质势不但可以降低冰点，而且能够抑制水分迁移，副作用是会导致土体强度降低。正如前述，在水分横向迁移过程中，一般是这两种作用最显著。当条件比较特殊时，其它因素的作用可能增大，因此应该合理分析，并区别对待。

由于高等级道路常采用的黑色路面，水分的横向迁移问题常常显得更明显。因为黑色路面材料传热比土壤快得多，当冬天降温的时候，路面下的土壤比两旁路肩下的土壤冷的快、冻结早，于是不但路基下部，而且两旁路肩尚未冻结部分土壤里的水分，都向路面下先冻结的土壤处聚集。而到了春天化冻时期，路面下的土壤又比路肩下的土壤暖得早、化得快，于是路基下面残余未化的土壤形成凹槽状，阻止化冻水分正常排出去，因而土基下土壤的含水量便会逐年增加，直至出现病害问题。

3 结语与展望

事实上，在冬季结冰期，冻结锋面以上的土会由于水分结冰阻断横向迁移通道，从而减缓甚至停止水分的横向迁移。但是由于水源充足，在春融和秋雨的时候会出现更多的横向迁移。水分横向迁移是水分它向迁移的一部分，其它还有从路面、路肩或边坡等向下的水分迁移，可以为水分横向迁移提供水源。另外，作为路基中水分迁移的主体之一—— 从下层土基向路基中的竖向水分迁移，是现在研究最多，也是主动采取规范性工程措施[6]的对象。目前国内针对季节性冻土区的道路冻胀翻浆破坏主要的防治措施有；（1）对于重要路段路面采用冰冻稳定性良好的二灰土来修建，以改善路基结构；（2）设置砂砾垫层；（3）提高路基填筑高度；（4）基底铺设土工织物；（5）采用油毡纸做不透水性隔离层；（6）设置排水沟、截水沟、路肩明沟及扩大边沟。

规范和施工中均未对阻止横向水分迁移给出明确规定，但是对于路堤类路基或者附近有明显水源的情况下，横向水分迁移对路基的影响还是很显著的，因此有必要采取相应的防治措施。根据本文的分析，建议采取以下工程措施；（1）通过相应构造施工，将防水层扩展到路基的侧向，阻断或降低横向水源的补给；（2）改善路基填料组合，减少路基土中粉土含量；（3）通过改善施工工艺，提高路基压实效果。另外，水分横向迁移的相关理论还有待完善，还有待于进一步的实验验证。

参考文献

[1] Harlan， R.L. Analysis of coupled heat-fluid transport in partially frozen soil[J]. Water Resources Researeh，1973，9（5）：1314-1323.

[2] 程国栋.中国冰川学和冻土学研究40年进展和展望[J].冰川冻土，1998，9，20（3）.

[3] 谷宪明.季节性冻土区道路冻胀翻浆机理及防治研究[D].吉林：吉林大学，2007，5.

[4] 李雨浓.季节性冻土区高速公路路基冻害影响因素分析[D].吉林：吉林大学，2007，6.

[5] 原国红.季节冻土水分迁移的机理及数值模拟[D].吉林：吉林大学，2006，5.

[6] JTG F10-2006，公路路基施工技术规范[S].