季冻区路基冻胀影响因素分析及防治措施研究

程培峰 林 宏

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

我国季节性冻土区占国土面积的53.5%，主要分布在黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、甘肃、宁夏、青海、新疆北部等地，覆盖范围广，纬度越高地区的冻土层厚度越大［1］。一定深度内的路基土的温度随着冬季大气温度的降低而降低，当土层温度达到0℃以下时，土体中水分会随之冻结从而形成冻土。目前，国内外对于多年冻土研究较多，而对于季节性冻土研究相对较少。在季节性冻土区，路基随着季节的变化反复出现冻胀融沉现象及引发各种道路病害，导致路基高低不平，严重影响行车安全［2］。

近年来，随着对冻胀机理的不断分析研究，发现路基土冻胀是温度、水分、土质这三方面因素共同作用的结果，它们既是引起冻胀的前提条件，又起到关键的影响［1］。本文首先对哈尔滨市区道路冻害进行相关调查并对取自哈尔滨市的路基粘土进行闭式冻胀试验，系统研究冻胀率的变化规律，并提出防治冻害的一系列措施，希望对季冻区路基土体冻胀研究工作有所帮助，并为提高我国季冻区道路工程建设质量和使用性能提供理论参考。

1 调查

哈尔滨市是典型的季节性冻土区，在冻害特征体现最显著的3月末～4月初，对哈尔滨市区内的和兴路、学府路、尚志大街3条主干路和新伟街等2条次干路进行了冻害调查，分析了季冻区路基的主要冻害类型。

1)冻胀、翻浆。

冻胀是由于夏秋地面水下渗或下水位升高的基础上，在冬季负气温的作用下，发生水分迁移，使路基上层水分增多，并冻结成冰而形成，由于土中水的冻结和冰体(特别是凸镜状冰体)的增长而引起土体膨胀，地表不均匀隆起的现象，使地面发生变形。到了春季冻土表层首先融化，而下部没化通，融化的土壤水渗不下去，上部土体饱水而呈稀释状态，在外力作用下(通车)，造成道路翻浆毁坏，而无法通车，甚至造成车毁人伤。

2)融沉。

融沉是冻土融化时发生的下沉现象。一种是与外荷载无关的融化沉降，另一种是与外荷载直接有关的压密沉降［3］。冬季路基土冻胀，夏季融化导致路基沉陷变形，每年周而复始地进行，对路基的稳定性会产生不利的影响。

3)路基强度衰减。

路基土在反复冻融循环以后，承载力会有所降低，其强度主要取决于气候条件、水文地质条件的差异和所采取的排水、抗冻措施的不同。路基强度的下降，严重影响道路的使用寿命。

2 冻胀试验概况

为了有效研究路基土体冻胀病害，需要进行相应的闭式单因素冻胀试验，研究土体冻胀率随冻结温度、含水率、压实度三个因素的变化规律。试验用土为哈尔滨市区的路基粘土，其物理力学指标见表1。

表1 土料基本物理力学指标

文献［4］认为土的起始冻胀含水率接近塑限，但不超过塑限，考虑到当土中含水率超过塑限值越高时，即含水率过大不利于制样，所以选取20%，21%，23%这三个含水率水平;参照路基施工技术规范，选定88%，90%和95%三个压实度水平;路基土的起始冻结温度在－1℃ ～0℃之间［4］，一般路基土冻结过程中的最低温度为－18.9℃［4］，因此冻胀试验选取－6℃，－10℃和－19℃三个温度水平。

将风干土过2 mm筛后，用静压法按预定的含水率和压实度制备直径100 mm、高100 mm的标准体积圆柱形试件。制备前，先测定其风干含水率，估算所需风干土料质量，通过所选含水率计算用水量，将称量好的土与水搅拌均匀后装入塑料袋，密封闷料一夜备用。按式(1)计算一个试件用土量:

其中，m0为试件需土料质量，g;γ0为最大干密度，g/cm3;V为标准试件体积，cm3;λ为压实度，%;w为含水率，%。

制备试件完成后密封6 h，以保证含水率，并静置放置防止由于试件变形影响试验结果。调节低温试验柜温度，将试件放入，冻结16 h～20 h，量测并记录试件冻胀量，试验数据采用精度为0.01 mm的百分表进行量测。

表2为试验所测得的冻胀量换算为冻胀率的试验结果，从中可以看出，当含水率较小，冻结温度较高、压实度较低时冻胀率会出现负值，即发生冻缩现象。这种现象产生的原因在于当含水率小、压实度较低时，土体颗粒排列较为疏松，而高的冻结温度使孔隙水产生少量冰晶不足以填充土颗粒间较大的空隙，因此，当温度刚降低时，路基土体表现为冻缩，冻胀率为负值。

表2 不同冻结温度、含水率、压实度下冻胀率 %

3 试验结果与分析

整理后得出冻胀率随三种因素的变化曲线如图1～图3所示，再结合表2中数据进行冻胀单因素分析。

图1 冻胀率与温度关系图

图2 冻胀率与含水率关系图

图3 冻胀率与压实度关系图

3.1 冻结温度对土体冻胀影响

由图1可知，随着冻结温度的降低，冻胀率呈上升趋势。而当含水率一定时，冻胀率随着压实度的增大和温度的下降而升高;在压实度一定时，冻胀率随着含水率的升高和温度的下降而升高，也就是说当冻结温度低、含水率高或压实度大时，容易导致路基土冻胀;冻结温度高、含水率低或压实度小时，路基不易产生冻胀。

3.2 含水率对土体冻胀影响

实验表明，土的温度与压实度一定时，冻胀率随含水率的升高而升高。也可以看出，含水率是决定冻胀大小的主要因素之一，但并非所有含水率下路基土体都会发生冻胀，而是当含水率达到或超出一定高度后才会出现冻胀现象，即存在起始冻胀含水率［5］。即含水率过小，则冻胀不明显，当路基土含水率达到起始冻胀含水率时，在负温度条件下，随着含水率的升高，水分积聚体积越大，冻胀也就越严重。

3.3 压实度对土体冻胀影响

当含水率和温度一定时，土体冻胀率随压实度的升高而升高。说明压实度也就是土体的密实程度，也是影响冻胀的主要因素之一。当土体含水率一定，而密实度小时，土体颗粒间有足够的空隙，即使随着负温水完全冻结成冰，体积膨胀，但由于土颗粒空隙足够大，水分冻结后不会因体积膨胀影响到土体颗粒间距，因而不利于冻胀的产生。而当密实度大时，土体颗粒间距较小，当水分冻结时为满足体积膨胀导致土体颗粒间距改变，冻胀明显。

4 冻害防治措施研究

4.1 加强路基排水

鉴于冻胀试验所得结论，路基土体中的水分对冻胀影响极大，因而路基排水是冻害防治的关键环节。路基中的水来源于降水、地表水和地下水这三种类型，它们分别以不同方式进入到路基中。一旦水分进入路基当中就很难蒸发和流失，在路基这种封闭环境中，当发生冻融循环时，就会导致冻胀和翻浆形成。因此，要避免季冻区路基病害的发生，一方面是保证内部水分及时排出，另一方面是防止外部水分渗入，解决的方法就是完善道路排水设施，地下排水设施更应时时注意养护维修，确保路基内部水的排出。地下排水设施是对抗冻胀的有效防治措施，然而却有维护性差的缺点，使用一段时间，会出现淤塞，导致排水效果不佳，有时甚至会提前出现问题。因而在施工过程中，要保证地下排水设施建设质量，最后在竣工图中准确标注其位置和工作状态，以便道路养护部门检查和及时养护。

4.2 置换填土法

置换填土法是目前用于解决冻胀问题应用最广泛的方法，其原理是应用碎石、砂砾、石渣等透水性良好的颗粒土全部或部分换掉路基冻胀土体，起到隔离层的作用，控制地下水上升，有效降低冻胀量。在寒冷冰冻地区即使换填层在冰冻线以上仍可采用此方法来减少路基冻胀土厚度，从而削弱冻胀的抬升力。对于换填深度的规定，我国并没有统一的要求，需根据环境条件、地下水位、当地冻结深度、土质、换填材料的质量等条件综合考虑决定，但通常不低于路面结构层下80 cm［6］。

4.3 增强路面结构层的强度和刚度

当路面结构层具有较高的强度和刚度时，在路基发生冻害过程中，仍能保持正常的工作状态和基本的使用性。大量实践证明，在铺筑路面结构层后，由于对底面产生了一种限制力，在一定程度上有效限制了冻胀量。但这种限制力是不均匀的，且会随着冻胀的不均匀发展而变大。因而路面的平整度也需要随着刚度的增大而增大，而路面刚度对冻胀力可以产生有效限制作用。

5 结语

1)季冻区路基病害主要有冻胀翻浆、融沉和强度衰减。病害的发生对季冻区道路的使用状况及寿命造成严重影响。

2)闭式冻胀单因素条件下，季冻区路基土冻胀率随含水率的增大而增大，随压实度的提高而上升，随冻结温度的降低而提高。说明高的含水率，高的压实度及低的冻结温度会加剧土体冻胀。

3)排水系统设置、置换填土法和提高路面整体强度和刚度这三种方法更适合于季冻区路基冻胀病害防治。

［1］李兆宇.季节冻土区粉质粘土冻胀性实验研究［D］.哈尔滨：黑龙江大学，2011.

［2］钟敏辉，王少斌.季节性冻土路基冻胀性分析及治理措施［J］.铁路建筑，2009(4)：205-216.

［3］John O.Halkquist LS-DYNA KEYWORD USER’S MANUAL Versi On 970［M］.USA：LSTC，2003.

［4］赵安平.季冻区路基土冻胀的微观机理研究［D］.吉林：吉林大学，2008.

［5］林世文，包俊超，兰荣旺.冻融试验研究［J］.岩土工程技术，2001(3)：161-164.

［6］童长江，管枫年.土的冻胀与建筑物冻害防治［M］.北京：水利电力出版社，1985.

［7］于琳琳.不同人工冻结条件下土的冻胀试验研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

［8］赵喜明.浅谈季节性冻土的处理措施［J］.辽宁省交通高等专科学校学报，2008，4(2)：24-30.