季节性冻土地区路基冻融效应特征

郭丽

（绵阳市涪城区西南科技大学 四川绵阳 621000）

1 季节性冻土分布特征

冻土，是指温度等于或低于零摄氏度且含有固态冰的各类土。根据其冻结时间可分为短时冻土、季节冻土、隔年冻土和多年冻土。[1]季节性冻土指对温度的敏感度高，冬季土体内水分结冰，夏季融化，交替产生冻结和融化循环变化的一类土。

在我国，季节性冻土面积为513.7×104km2，约占全国国土面积的53.5%。其中深季节冻土（冻深＞lm）约占全国国土面积的1/3。[2]主要分布于东北三省、内蒙古、甘肃、宁夏、新疆北部、青海和川西等中纬度地带以及高寒山区。

2 季节性冻土地区冻融效应类型及特征

2.1 冻胀

冬季负温使路基土体内的水分结冰而体积膨胀，在持续的负温条件下，路基的冻结锋面不断下降，最终达到最大冻结深度，同时未冻结区的水分因毛细作用不断向上迁移，形成大体积冰晶体，这种现象称为冻胀。路基的冻胀变形通常分为三个阶段。快速发展阶段，路基的冻胀速率最大，冻胀量不断增大直至达到最大冻胀量；稳定发展阶段，因冻胀达到最大冻结深度后，路基冻胀量基本维持在同一水平；融化回落阶段，温度升高，冻结层从上至下依次融化，直至融化线与冻深线重合，冻胀变形基本复原。[3]通常情况下，路基的冻胀变形沿道路长度范围内分布不均匀，因此路面平顺度差，柔性路面易产生隆起、开裂，刚性路面易错缝折断，影响道路正常使用。

2.2 翻浆

翻浆是道路在冻胀作用条件下产生的特有的冻害现象。当春季回温，路基上部聚冰先融化，积累大量自由水，路基下部聚冰融化较慢，形成不透水层，水分不能及时排出，基床被软化，甚至成为流动的泥浆，强度大大降低，在车辆荷载的作用下，路面下沉，饱和水泥浆从裂缝中挤出而造成开裂、冒浆的情况称为翻浆。

3 季节性冻土地区冻融效应影响因素

3.1 冻胀作用的影响因素

分析冻害现象的机理可知，冻胀作用是冻害现象产生的根本原因。因此，研究土壤冻胀作用的影响因素是我们有效处理冻害现象的基础条件。在现代冻胀理论研究中，人们普遍接受“水分迁移是导致土体冻胀根源”这一说法。对于冻土而言毛细作用是水分迁移的主要动力，而毛细作用又与土质、地下水位、温度、外界附加荷载等有直接关系。所以我们认为，影响冻胀作用的因素有土质、水分、温度、附加荷载等。

3.1.1 土质条件

土是的多相性使得自身的物理及力学特性十分复杂，土的内在条件如粒径、密实度、矿物成分、孔隙、含水量等，往往是土壤物理特性的决定性因素，土的冻胀敏感性就是其中的典型。

李向群通过室内冻胀实验，在含水量不变的条件下，得出不同干重度与冻胀率的关系曲线，证明土的密实度越高，冻胀作用越强；矿物组分是土颗粒的重要组成部分，含碎屑矿物诸如石英、白云母较多的土，毛细现象弱，冻胀作用弱，含亲水性较强的粘性矿物成分如蒙脱石、伊利石等的土，毛细现象明显，冻胀作用强；赵安平在他的季冻区路基土冻胀的微观机理研究中，研究了压实度、冻结温度、含水量与冻胀量之间的关系，发现在每个冻融循环过程中，土孔隙的大小及数量一直发生变化，并得出孔隙对冻胀起主导作用的结论；土中的盐分降低冰点，有利于抑制冻胀。

3.1.2 水分条件

适当的水分是土发生冻胀现象的必要条件。当土中初始含水量超过其冻胀临界含水量时，冻胀才可能发生。在无外界水源补给的情况下，地表水和大气降水是路基水分的来源，直接决定路基土体冻胀量的大小。土体冻结时，水分迁移的数量及其持续性，取决于地下水的埋置深度，冻胀量随地下水位的加深逐渐减小。

3.1.3 温度条件

温度梯度越大，冻胀作用越强。在有外界水分补给的开放体系中，温度梯度同样是影响冻胀作用的重要因素之一。温度对地基土冻胀的影响具体反映在地基土的冻结深度和冻结速率上。土体冻结后，在相同土质条件下，负温持续时间越长，冻结深度越大，冻胀量越大；而冻结速率越快，水分向冻结区的迁移速度越快，冻胀作用就越强。

3.2 翻浆的影响因素

3.2.1 自然因素

水分因素。对于与地下水位越高、平均降水量越多的地区，上层路基累加大量聚冰融化的自由水，普遍翻浆严重。

土质因素。粉性土、粘性土路基中的毛细作用强，水分迁移量大，大量的水分聚流到路面很近的地方，路基的稳定性差，翻浆现象较其他种类的路基土严重。

温度因素。冻融速度的快慢对形成翻浆的影响很大。对于冷暖交替出现的地区，冻结线长期停留在路面下较浅处，容易发生翻浆现象。反之，如果冬季温度骤降到较低的温度，冻结线很快下降到距离路面较深的地方，路基快速达到最大冻结深度，路基上部聚冰少，春融期积累的水分就越少，就不易出现翻浆现象。春季化冻速度越快，翻浆越严重。

3.2.2 人为因素

设计因素。路基填土设计标高不够、路拱高度不足都会增加翻浆现象出现的可能性。此外，混凝土路面最初的配合比设计包括匀质程度、水灰比大小、外掺加剂、密实程度都与翻浆有关。有实验证明，水灰比越小，水泥浆孔隙越少，混凝土的抗渗性、抗冻性就越好，翻浆就越不容易发生。

施工因素。保证填土有足够大的压实度，保证拌合物拌合均匀、铺摊平整，对提前预防翻浆的发生起到一定作用。

养护因素。道路填缝料长期暴露在环境中，耐久性能变差，及时更换整修填缝可减轻道路翻浆程度。做好路面清洁工作，避免路面杂物因阻碍排水系统的工作而导致路基排水不良，翻浆加重。

车辆荷载。车辆荷载的直接作用是导致路面翻浆的外部条件，车辆荷载越大，反复性越大，造成的翻浆现象越突出。

4 目前常用的冻害处理手段

冻害现象的产生是土质、水分、温度和荷载相互影响、共同作用的结果，目前常用的防治措施就是从冻害的产生机理入手，针对性的采用相应的措施。

4.1 路基填料加固

改变土壤冻胀敏感特性的方法主要有换填和添掺加剂两种。换填指将路基冻结深度以上的部分甚至全部冻胀敏感性土挖去，换填成弱冻胀性的土，该方法能从根源上防治冻害，适用范围广，但造价过高；多项实验表明添加土壤改良剂效果不错，但各地区土质条件相差各异，局限性太强，并未在实际工程中广泛应用。

4.2 改善路基水分状态

除了设置排水沟、截水沟以外，使用优质粉煤灰能提高混凝土的密实度，改善混凝土的内部孔结构，阻止及水分的渗入；阻碍土壤水分迁移路径是另一种有效途径，常用方式有提高路基的填土高度，使路基持力层边缘尽量远离地下水位，减少冻结过程中的水分迁移量。

4.3 改变路基温度场

负温环境是使季节性冻土发生冻胀的基本条件，工程上常采取适当的保温措施来改变路基的温度场，降低冻深，从而减小冻胀量。但是大量实验表明，目前应用的保温材料普遍存在耐久性能差、防水性能差、强度不高的缺陷。

5 结语

冻胀、翻浆病害一直是季冻地区道路建设中常遇的难题，虽然在目前的工程实践中已经应用了不少冻害防治手段，但这些方法仍然存在不同程度的缺陷。在研究冻胀成因和规律的基础上，以新的思路探究出一套简单、经济、有效并且可以广泛应用的冻害处理技术，有很大的前景。