路基冻胀与翻浆的关系及防治措施

浅谈路基冻胀与翻浆的关系及防治措施

摘要：本文笔者剖析冻胀与翻浆的形成机理及相互关系和影响因素，提出防治措施的原则并列举实践中常用的工程措施。 关键词：冻胀与翻浆、防治措施、机理 一、冻胀与翻浆的形成机理

当路基表面的土开始冻结时，土孔隙内的自由水在0℃时首先冻结，形成冰晶体。当温度继续下降时，与冰晶体接触的薄膜水受冰的结晶力作用，迁移到冰晶体峰面冻结，使得与冰晶体接触的土粒上的水膜变薄，破坏了原来的吸附平衡状态，土粒剩余的分子引力，从下面水膜较厚的土粒吸引水分子。同时，当水膜变薄时，薄膜水内的离子浓度增加，产生了渗透压力差。在土粒分子引力与渗透压力差的共同作用下，薄膜水就从水膜较厚处向水膜较薄处迁移，并向下传递。在合适的冻结温度下，当未冻区有充分的水源供给时，水分发生连续向冻结线的迁移，使路基上部大量聚冰而形成的冰夹层、冰透镜体等冻结体，在冻结体体积膨胀过程中,相对于底部及侧部而言,只有顶层为较薄的沥青面层为自由边界,体积膨胀只有向路面隆升形成冻胀。路面的不均匀隆起，促使柔性路面开裂、刚性路面错缝或断板。

在冬季形成的冻结体，在春季气温升高的条件下融化，使土基含水过多、如果细粒土排水能力差,土层就处于饱和状态，强度急剧降低，以至失去承载能力，在行车作用下路面发生弹簧、裂缝、

鼓包、冒泥等现象，形成翻浆。路基内土体的冻、融变化以及由于地表温度升高导致路基土体中向上运动的毛细作用是形成道路翻浆的主要机理。影响道路翻浆的主要因素有土性、水体、气温及动力作用,其中,土性和水体是形成道路翻浆的内因,物质条件,气温及动力作用则是形成道路翻浆的外因,诱发条件。 二、冻胀与翻浆的相互关系

冻胀与翻浆是统一过程的两个阶段。冻胀发生在冬季，是路基上层显著聚冰的直接反映；翻浆虽发生在春季，也是在冬季路基冻胀的基础上，气温升高冻胀体融化时，路基水分过多，强度下降，经行车作用而形成。

冻胀与翻浆具有一致性的同时又有差异性。一般情况下，冻胀大的路段，路基聚冰多，春融期水分多，容易翻浆或翻浆较重；反之，冻胀小或不冻胀的路段，土基聚冰少，春融期水分少，不易翻浆或不翻浆，这是冻胀与翻浆的一致性。但在有些情况下，冻胀大的路段并不翻浆，这可能是由于聚冰层位于土基下部或路面较厚等的缘故；而有时冻胀小或不冻胀的路段反而翻浆，其原因可能是聚冰层虽薄但位于土基上部、聚冰下挤没有表现为冻胀、路面过薄或结构不合理等，这是冻胀与翻浆的差异性。因此，冻胀不一定翻浆,但翻浆一定源于冻胀。

三、影响冻胀与翻浆形成的因素

公路冻胀与翻浆是多种因素综合作用的结果。土质、水、温度

是影响冻胀的三个主要因素，此外，还受行车荷载因素的影响。 1.土质

不同土质具有不同的冻胀性。粉性土具有最强的冻胀性，最容易形成翻浆。这种土的毛细水上升较高且快，在负温度作用下水分迁移强烈，如有充足水源供给可形成特别严重的冻胀，在春融时承载能力急剧下降易于形成翻浆。黏性土虽有较厚的结合水膜，毛细水上升虽高，但毛细孔隙很小，速度慢，只在水源供给充足且冻结速度缓慢的情况下，才能形成比较严重的冻胀和翻浆。粗粒土在一般情况下没有结合水，因其毛细水上升高度小、聚冰少，且在饱水情况下也能保持一定的强度，不易引起冻胀和翻浆。 2.水

冻胀与翻浆的过程，实质上就是水在路基中迁移、相变的过程。路基附近的地表积水及浅的地下水，能提供充足的水源，是形成冻胀与翻浆的重要条件。影响路基的水分成两大类即地下水（上层滞水、潜水、层间水、裂隙水、泉水、管道漏水等）和地面水（季节性积水，路旁积水、路面渗水、流向路基的水）。受地面水和地下水的影响，土基经常潮湿，导致翻浆。 3.温度

没有一定的冻结深度或冰冻指数(冬季各月每日负气温的总和)就难以形成冻胀和翻浆。而在同样冻结深度或冰冻指数的条件下，冻结速度和负气温作用的特点对冻胀和翻浆的形成具有很大影响。

初冻时气温较高或冷暖交替变化，温度在0℃-5℃之间停留时间较长，冻结线长时间停留在土基上部，就会使大量水分聚流到距路面很近的地方，形成严重的冻胀和翻浆。反之，冬季一开始就很冷，冻结线下降很快，水分来不及向上迁移，土基上部聚冰少，冻胀和翻浆就较轻或不出现。此外，春融期间的气温变化及融化速度对翻浆也有影响。如春季开始融化时，天气骤暖，土基急剧融化，则会加重翻浆。如春融期间冷暖交替并伴有雨、雪，也会使翻浆加重。 在上述各因素中，土质、温度和水是形成冻胀与翻浆的三个基本条件，这三个是道路路基发生冻胀与翻浆的自然因素，加上行车荷载的激发，翻浆就产生了。

因此，不可变因素土质是道路冻胀与翻浆治理中必须面对的内在因素，可变因素水是道路冻胀与翻浆治理中重点控制的外在因素。

四、防治冻胀与翻浆的技术措施 1.防治冻胀和翻浆的基本原则

(1)有效防止地面水、地下水或其他水分在冻结前或冻结过程中进入路基上部，采用在路基中设置隔离层、隔温层，做好路基排水，提高路基等。

(2)如有水分聚集在路基上部，则应在融化时期将多余的水分及时排除或暂时蓄积在渗水性与水稳性良好的路面结构层中。采用设置排水或盖水砂(砾)垫层等。

(3)改善土基，加强路面。采用路基换土或采用加固土，路面采用石灰土、煤渣石灰土等结构层。

(4)一种治理措施，往往不能达到预期效果或不够经济合理时，可采用两种或两种以上治理措施并与新工艺、新技术、新材料的综合应用。

2.防治冻胀与翻浆的工程措施 (1)做好路基排水

良好的路基排水可防止地面水或地下水侵入路基，使土基保持干燥，减少冻结过程中水分聚流的来源。运营中加强对排水沟、侧沟、天沟等的养护维修，确保路基排水畅通。 (2)提高路基填土高度

提高路基填土高度，可增大路基边缘至地下水或地面水水位间的距离，从而减小冻结过程中水分向路基上部迁移的数量，使冻胀减弱，使翻浆的程度和可能性变小。

提高路基填土高度是一种技术简便易行、效果显著且比较经济的常用防冻胀和翻浆的措施。同时也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。 (3)设置隔离层

隔离层是设在路基中一定深度处，用于阻断毛细水，防止水分进入路基上部，从而保持土基干燥，起防治冻胀与翻浆作用的防水结构。

透水性隔离层用碎石、砾石或粗砂等做成，其厚度一般10-20cm；隔离层底部应高出地面水20cm以上，并向路基两侧作成3％的横坡。 不透水性隔离层分不封闭式(隔断毛细水)和封闭式(隔断毛细水和横向渗水)两种。在地面排水困难或地下水位高的路段，宜采用封闭式隔离层。不透水性隔离层采用： 8％-10％的沥青土或6％-8％的沥青砂，厚度2.5-3.0cm；沥青直接喷洒，厚度2—5mm；油毡纸、不透水土工布、塑料薄膜(在重盐渍土地区不宜使用)等不透水材料。

隔离层的深度(隔离层距路肩顶面的垂直距离)一般为(3-3.5)d(d为标准轴载的轮迹直径)。 (4)换土

当采用水稳性好、冰冻稳定性好、强度高的粗颗粒土换填路基上部时，可以提高土基的强度和稳定性。由于粘土水化能力虽很强，但其透水性差，故其中的水分迁移并不显著。可以挖除冻胀性土，换填粘土夯实。

换土层厚度一般可根据地区情况、公路等级、行车要求以及换填材料等因素确定。根据一些地区的经验，在路基上部60-80cm厚的范围换填粗粒土，路基可以基本稳定。

(5)加强路槽排水

在冻胀与翻浆地段应做好路槽排水，常采用设砂垫层和横向盲

沟等措施进行路槽排水。砂垫层在融化期可起蓄水、排水作用；能隔断毛细水上升；可防止融期路基泥浆上挤污染路面结构层；冬季对路基冻胀可起缓冲作用，从而减轻路面冻胀。砂垫层的经验厚度为：中湿路段，15-20cm；潮湿路段，20-30cm。砂垫层路段两端，要用不透水的黏性土封闭，以防止翻浆的蔓延。在透水性很差的黏性土路基，一般不宜使用蓄水的砂垫层。

道路纵坡大于3％的翻浆路段，可在路槽下设置横向盲沟，排出路面基层内的纵向水流和春融期土基化冻时的多余水分。 (6)加设防冻层

在中、重季节冻结区和多年冻土区的有可能冻胀的路段，为防止不均匀冻胀，路面总厚度不应小于规定的要求。如按强度计算的路面厚度小于下表规定时，应用冰冻稳定性良好的材料加设防冻层补足。

路面防冻最小总厚度(cm）

防冻层材料应选用冰冻稳定性良好的砂砾、粗砂、矿渣、煤渣等粒料，也可采用水泥或石灰煤渣稳定粗粒土、石灰粉煤灰稳定粗粒土；掺入石灰和水泥，改变冻胀土冻胀性质。采用砂砾和粗砂时，小于0.074mm的颗粒含量不应大于5％；采用煤渣时，小于2mm的颗粒含量不宜大于20％。 (7)铺设隔温层

采用铺设高效隔温层的方法，减小土基冻结深度或使土基不冻结，防治冻胀与翻浆。隔温层采用导温性能差的材料，例如：煤渣、泡沫塑料、苯乙烯海绵塑料混凝土、含有多孔填充料的轻混凝土等高效隔温材料铺在土基内、土基顶面或路面结构层内。 （8）土工合成材料治理道路翻浆

土工合成材料虽然不能阻止水分迁移，冰层扩大，但利用土工合成材料的高强度、高韧性力学性能，分散荷载，土工合成材料可直接铺设在路基表面或路槽上表面，增加土体的刚度模量来改善土体或构成加筋土以及各种复合土工结构，并构成隔离层改善道路的使用情况。

（9）设置抗翻浆与冻胀路基结构控制道路翻浆与冻胀：在路面翻浆与冻胀层下设碎石层，其上铺彩条布，共同组成毛细隔水层，以有效防止毛细作用使地下水到达翻浆与冻胀层；对于路侧渗水采用设置地面排水边沟来解决，综合治理翻浆与冻胀问题，提高路基路面的抗冻性能，这种路基结构为抗翻浆与冻胀路基结构。实践证明，抗翻浆与冻胀路基可以有效削弱地表水和地下水入渗路基，通过控制路基水体的入渗而控制道路翻浆与冻胀病害的发生。 注：文章内的图表及公式请到pdf格式下查看