路基土中自由水分对公路病冻害影响的分析研究

雷忠明

摘 要：公路工程质量事关国计民生，是人们对美好生活质量追求不可或缺的一部分，文章从路基土壤中自由水方面论述出发，研究自由水、最大冻结深度、汽车轮载工作区范围内地下水毛细水病冻害对公路质量的影响，并总结了一些应对措施和方法。

关键词：自由水分;公路病冻害;分析研究

随着我国经济的快速发展，对交通运输的要求必将越来越高，而良好的路面质量是满足人们安全出行的必然需求，为此分析产生公路病冻害的缘由在公路建设中显得尤为重要。

1 沿途当地地下毛细水现象对公路工程质量的影响

我们知道路基土是由岩石经过物理化学风化作用产生的物质，是由固体、液体与气体三者组成的混合体系。它的固体物质构成路基土的基本骨架，决定着路基土承载的结构强度。而它的液体则指土粒间填充的水分，其含量的大小在很大程度上是由沿途當地的地表与地下水文状况决定的，当土颗粒与填充水之间相互作用时，按照土颗粒对填充水的吸附力大小划分，可分为结合水和自由水。而结合水又分为强、弱结合水，由于这部分水受到土颗粒的超强吸附力，形成了土颗粒外围的结合水膜，它不遵从自然水力学规则，也就很少影响路基土的承载结构强度，所以它们对路基土强度影响可以忽略不计。土颗粒结合水膜外的水为自由水，分为重力水和毛细水，这部分水对路基承载强度和道路日常运营中的病冻害影响十分巨大，其中的重力水是构成地下水的重要部分，而毛细水是受毛细作用控制的水分，除了受自身重力作用外还受到水表面张力，它遵从毛细现象规律，毛细水对公路路基土的干湿状态及病冻害的影响很大，在日常建设中是容易被忽略考虑的部分，按照海森经验公式：

因为土粒间的抗剪强度是土粒与土粒之间抵抗发生剪切位移的能力，与颗粒间的联结力有关，联结力越大，土的强度越大，反之则小。因此土粒间的联结力是土强度的基础，当路基土处于最佳含水量时，土粒间联结力最大，抗破坏强度能力最强，而由于毛细水的存在，若在路基土设计中未能充分考虑阻止毛细水上升的相应措施，使设计最佳含水量的路基土在当地水文状况极其不利的情况下，引起路基土中的含水量增大，土粒间的联结力减小，从而导致路面承载强度降低。因此路面高程设计应充分考虑路基毛细水上升高度内水分引起的对路基强度的影响，对路基土采取如密级配灰土改良土壤或憎水性材料等措施从源头上阻止毛细水对路基土强度的破坏影响。

2 沿途冬季最大冻结深度内的自由水分对路基产生的冻害影响

前面讲过路基土中的水分分为结合水和自由水，在道路沿线进入冬季冰冻季节，强弱结合水由于受土粒分子引力的严重影响，就是弱结合水最外层水膜一般都要到零下20℃-30℃时才会冻结，它的存在除少数地区外不会产生冻害影响。而土中的毛细水由于受其表面张力的作用其冰点稍低于0℃，重力水则与自然界中的水分性质完全一致，随着冬季来临气温降低，路基土壤中的自由水首先在0℃时开始冻结成冰晶体，当气温继续降低时，由于弱结合水的外围水膜结冰，导致冰晶体周围的土粒结合水膜减薄，土粒亦产生剩余的分子引力，在这种引力作用下，附近未冻结区的水分亦被吸引到冻结区的水膜较薄处冻结。我们知道水分冻结成冰时体积约增大9%，所以导致土体积发生膨胀而隆起，映射到路面产生鼓包、开裂、错缝乃至断板，这种现象称为土的冻胀现象。而随着春季气度升高土颗粒中的冰晶体解冻融化，路基土中的含水量大大增加，加之自然土层排水能力差土层处于水饱和状态，土层软化，体积减小，强度降低，在路面受车辆反复碾压下发生开裂、冒泥，发生翻浆现象。在我国的华中华东等地处季节性冻土地区，上述现象统称为翻浆冻胀现象，两者周而复始交替产生就使得路面完全破坏。现根据有关气象部门实测得出的经验估算公式如下：

在通过上述公式估算出沿途当地标准最大冻结深度后，公路路面的设计高程须大于当地冬季地下水位加上毛细水上升高度值与最大冻结深度之和的总高程，以使路基土壤中的自由水处于当地最大冻结深度之下，若满足不了，就要采取换土或其它处理措施，以保障最大冻结深度内的路基土免遭翻浆冻胀作用的影响，从源头上杜绝产生翻浆冻胀冻病害的出现机会。

3 汽车轮载工作区范围内对路基土壤中水分含量的要求

当路面产生车载轮压时，在土壤的一定深度外，轮载产生的应力σ车与路基土自重应力σ土的比值很小时，就可以不计轮压应力σ车，由此得：

按照公式可以计算出车轮荷载所产生的应力分布深度，即汽车轮载工作区深度h的计算公式为：

由于实际路面分为刚性和柔性路面，刚性路面比柔性路面强度大，路面轮载工作区的实际深度随着路面结构层强度的增大而减小，于是在将路面折算为与路基相同材料参数后，得出的换算公式为：

当折算后的轮载工作区总厚度大于结构层厚度时，车轮荷载不仅仅作用于路面结构层，还将作用于部分路基土壤中，这时将这部分高度土壤换成憎水性密级配材料等措施以切断地下水及毛细水作用，或者通过设计地下排水结构物以降低地下水或加深两侧边沟以加大沟底与路基边缘之间的高程差达到降低地下水的目的，避免土中的自由水作用引起的路基土承载强度降低或翻浆冻胀的发生从而导致路面质量过早毁坏。

参考文献：

[1]公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）.人民交通出版社，2007.

[2]公路路基设计规范（JTG D30-2015）.人民交通出版社，2015.

[3]工程水文学.中国交通书城出版社，2012.