论文部分内容阅读
摘要：在我国的东北地区，由于气温极低容易产生路基土的冻害现象，本文通过对路基土的冻胀机理和冻胀的影响因素进行了详细的分析，并得出了相对应的防治冻害的相关措施，为高寒地区路基土的设计、施工、维护等方面提供指导。
关键词：路基土；冻胀；防治措施
中图分类号：U41文献标识码： A
Abstract:In the northeast of China,because of the frost injury prone to subgrade soiltemperature is very low,this paper gives a detailed analysis of the factors affecting Frost Heaving Mechanism and on the subgrade soil,and obtained thecorresponding measures for prevention of frost damage,provide guidance for the design of subgrade soil,alpine area construction,maintenance etc.
Key word：The subgrade soil;frost heave;prevention measures
一、土壤凍胀形成机理
含水的土壤在负温下发生冻结，产生冰体，同时由于冰的胶结作用，使土体的抗外力的强度提高，这种土叫冻土。土在冻结过程中，土中的水分冻结成冰，并生成许多冰夹层、冰镜体，从而引起土颗粒的相对位移，产生土体膨胀，称为冻胀。冻胀的外观现象是土层的均匀或不均匀隆起、鼓包、开裂等；融化后发生明显的下沉，这种现象对路基、桥梁、渠道等交通和水利工程设施的施工与维护造成了很大的困难，为人民的生活带来了极大的不便。土是由固体颗粒、液体水和气体组成的三相体。固体土粒是土的最主要的物质成分，由许许多多大小不等、形状不同的矿物颗粒按照各种不同的排列方式组合在一起，构成土的骨架主体，称为“土粒”。在土颗粒之间的空隙中，通常有液体的水溶液和气体(主要为空气)充填。
在寒冷地区，当气温低于0oC时，上中液态水冻结为固态冰，冰胶结了土粒形成的一种特殊连结的土称为冻土。当温度升高时，土中的冰融化为液态水，这种融化了的土称为融土，其中所含水分比未冻结的土中水分增加很多。所以，冻土的强度较高，压缩性很低；而融土的强度剧烈变低，压缩性大大增强。冻结时，土中水分结冰膨胀，土体积随之增大，地基被隆起；融化时，土中的水分融化，土体积缩小，地基沉降。上的冻结和融化，土体膨胀和缩小，常给建筑物带来不利的影响，导致破坏。
土中水结成冰与冰融化为水是土中温度降低与升高的结果，是土体的热动态变化促使土中的水的物理状态的变化，使土的力学性质剧烈变化。土体的热动态与当地气候条件有关，故士的冻结情况各地不同。冬季冻结，春季融化，冻结和融化具有季节性，这是最常见的现象，这种冻结的土叫“季节性冻土”。由于气候条件不同，冻结土的深度也不同。黑龙江省境内的最大冻深可达2m以上，而一般性北方地区也可达到lm左右。土在冻结过程中，不仅是土层中原有的水分的冻结，还有未冻结士层中水向冻结土层迁移而冻结，所以，土的冻胀不仅仅是水结冰时体积增加的结果，更主要是水分在冻结过程中由下向上部迁移聚集再冻结的结果。重力水和毛细水在00(2或稍低于0c(二时就冻结，冻结后不再迁移；而结合水以薄膜形式存在于土粒表面，由于吸附的作用结合水外层一般要到一1℃左右才冻结，最内层甚至在一70~C也不会完全冻结。所以当气温稍低于O~C时，重力水和毛细水都先后冻结，而结合水仍不冻结，依然从水膜厚处向薄处移动。当含盐(正价离子)浓度不同时，结合水由浓度低处向高处移动，水分移动虽然缓慢，数量也不大，但是如有不断补给来源，一定时间的移动水量还是很可观的。水的补给来源主要通过下面的毛细水补给，由于结合水向上移动，在温度合适时它也被冻结，这就造成冻结后的水分比冻结前的水分大量聚集。所以，结合水的存在，毛细水不断的供给，合适的冻结温度和一定的时间，是大量水迁移的必要条件。
二、路基土的冻胀影响因素分析
1、土质对路基土产生冻胀的影响
土体中的矿物质成分、密实度和粒度的成分是土质对路基土产生冻胀影响的最主要原因。当路基土的土颗粒的粒径在0．1 mm以上时因为空隙较大，使得水分容易被排出，因此不会发生冻胀。当土颗粒的粒径减小到一定程度，空间的空隙减小到一定程度之后，就容易发生冻胀。当土颗粒粒径在0．1—0．05 mm范围之间，土体就会产生冻胀，这个范围内土体冻胀的可能性最大；当土体颗粒粒径在0．002 mm以下的时候，土颗粒分散性增大使得水分迁移量减小，使得土体的冻胀性逐渐减弱。矿物成分对冻胀的影响不会发生在颗粒较粗路的路基土中。土的密实程度也会对土的冻胀造成影响，在含水率固定的条件下，路基土密度的降低会增大土体之间的孔隙。当密实度较小的土体发生冻结的时候，留有充分的孔隙和空间让冰发生自由膨胀也不会引起土颗粒间间距的变化，这时的土体产生的冻胀量比较小。随着密实度的增大，自由水充填到了土颗粒间的孔隙之中，因此路基中水分在变成冰后的膨胀空间就会受到限制使得路基土冻胀程度变大。当土体处于一个标准的密实度范围内，土颗粒间的孔隙在最小的范围内，这时的土体的密实度就阻碍水分的迁移，使得冻胀量也就达到了最大值。
2、水对路基土产生冻胀的影响
路基土中的含水率，是促使路基土产生冻胀的基本条件。路基土的冻胀过程其实就是自由水在路基土中移动、聚集和相变的综合过程。路基土产生冻胀的补给水源有很多，包括地表水、雨水、浅层地下水等，这些水源的聚集都会成为路
基土冻胀的重要条件。尽管路基土含水量是产生冻胀的必要条件。但是冻结过程中含水的路基土不一定在冻结后必然发生冻胀。当在封闭的状态下土体的含水量只有大于一定值的时候才会产生冻胀。这一定值就是指在负温的条件之下，当路基土的冻胀率为零时候的路基含水率，这个定值也叫做路基土的起始冻胀的含水率；当路基土中的含水率低于这个定值的时候，也就是路基土中所有孔隙被冰和没有冻结的水分充满，土体是不会产生冻胀现象。路基土在冻结的过程中，如果没有外界水源补给的情况下，路基土内部的水分在温度梯度作用下发生移动积聚也不会产生较大的冻胀量，但是，当有外界水补给的时候情况就大不一样了。外界水源补给能够给土体冻胀提供源源不断的水源进而产生大面积的的冻胀量。
3、温度对路基土产生冻胀的影响
在寒冷的地区，路基土的温度会根据外界气温的变化而进行变化。路基土冻结的前提是在负温的情况之下。负温也能够决定路基土的冻结过程、时间和未冻水含量的多少。路基土在发生冻结的过程中，土体颗粒表面能作用被吸附在土颗粒表面那部分没有被冻结液态水成为冻土中的未冻水，这部分的未冻水和固态冰之间保持着动态平衡的关系：在路基土温度升高的时候，部分融化的冰就会转化成未冻水使得路基土的含水率加大。反之，路基土的温度降低，部分未冻水冻结成冰使得路基土的含水率降低。因此可以得出，路基土的冻胀量随路基土中温度的降低而增加的。在负温而且全封闭的条件下，路基土中的水分不断被冻结，自由水的含量不断减少，含冰率逐渐增大，使得路基土体积变大进而发生冻胀。
三、路基土冻胀的工程防治措施
1、加强路基排水设施
解决水份对路基土冻胀影响的最有效方法就是采用各种排水的措施，尽可能的减少水份的渗透、迁移聚积和毛细水的补给使路基土体保持干燥状态。排除地下水应在路基下集中水流处设置暗管或暗沟，暗管或暗沟应设于最大冻结深度以下或采取保温措施，挖方及全冻路堤路段应设排水渗沟。排除地表水应在挖方路段界外设截水沟或拦水埂，土质截水沟必须做底、壁铺砌。设置的路基边沟沟底纵坡不宜小于0．75％，沟底应低于路床顶面至少0．3 m；土质边沟侧面和底面宜铺筑浆砌体。
2、置换法
在积雪寒冷地区，确定路面的置换深度时，各国有不同的要求，日本以道路最大冻深的80％作为标准。这个置换深度是在实测的基础上确定的，即挖开30~50cm己冻结的砂石道路，会发现靠近路面下形成大量的冰晶体，再向下冰晶体急剧减少。就我国的实际情况来说，近几年来，寒冷地区修建了大量的沥青混凝土和水泥混凝土路面，因而其冻结深度和砂石道路有许多不同。置换法中的置换深度确定应该由防止冻胀引起的路面破坏和春融期土基及底基层承载能力降低来决定，在防止冻胀引起的路面破坏时，最好采用不易引起冻胀的材料换填到理论最大冻结深度。但是根据国内外发表的大量文献来看，一般只要置换到理论最大冻深的70％己经足够。但考虑到冰害作用受积雪、除雪程度、曰照等条件影响很大，置换率一般根据当地具体情况分析。另外，改变置换深度和置换材料的种类以及路面结构都可以改变道路的冻结情况。
结束语
在东北高寒地区道路施工过程中，要应充分考虑不同工程地质条件对路基土冻胀的影响，并针对不同的地质情况，开展相应的防治冻胀的措施，保证道路的稳定。
参考文献
[1]刘红军，张秀华．工程地质学[D]．东北林业大学，2013．
[2]李伟．高寒地区路基土冻胀机理与防治对策[J]．中外公路，2011，(4)．
关键词：路基土；冻胀；防治措施
中图分类号：U41文献标识码： A
Abstract:In the northeast of China,because of the frost injury prone to subgrade soiltemperature is very low,this paper gives a detailed analysis of the factors affecting Frost Heaving Mechanism and on the subgrade soil,and obtained thecorresponding measures for prevention of frost damage,provide guidance for the design of subgrade soil,alpine area construction,maintenance etc.
Key word：The subgrade soil;frost heave;prevention measures
一、土壤凍胀形成机理
含水的土壤在负温下发生冻结，产生冰体，同时由于冰的胶结作用，使土体的抗外力的强度提高，这种土叫冻土。土在冻结过程中，土中的水分冻结成冰，并生成许多冰夹层、冰镜体，从而引起土颗粒的相对位移，产生土体膨胀，称为冻胀。冻胀的外观现象是土层的均匀或不均匀隆起、鼓包、开裂等；融化后发生明显的下沉，这种现象对路基、桥梁、渠道等交通和水利工程设施的施工与维护造成了很大的困难，为人民的生活带来了极大的不便。土是由固体颗粒、液体水和气体组成的三相体。固体土粒是土的最主要的物质成分，由许许多多大小不等、形状不同的矿物颗粒按照各种不同的排列方式组合在一起，构成土的骨架主体，称为“土粒”。在土颗粒之间的空隙中，通常有液体的水溶液和气体(主要为空气)充填。
在寒冷地区，当气温低于0oC时，上中液态水冻结为固态冰，冰胶结了土粒形成的一种特殊连结的土称为冻土。当温度升高时，土中的冰融化为液态水，这种融化了的土称为融土，其中所含水分比未冻结的土中水分增加很多。所以，冻土的强度较高，压缩性很低；而融土的强度剧烈变低，压缩性大大增强。冻结时，土中水分结冰膨胀，土体积随之增大，地基被隆起；融化时，土中的水分融化，土体积缩小，地基沉降。上的冻结和融化，土体膨胀和缩小，常给建筑物带来不利的影响，导致破坏。
土中水结成冰与冰融化为水是土中温度降低与升高的结果，是土体的热动态变化促使土中的水的物理状态的变化，使土的力学性质剧烈变化。土体的热动态与当地气候条件有关，故士的冻结情况各地不同。冬季冻结，春季融化，冻结和融化具有季节性，这是最常见的现象，这种冻结的土叫“季节性冻土”。由于气候条件不同，冻结土的深度也不同。黑龙江省境内的最大冻深可达2m以上，而一般性北方地区也可达到lm左右。土在冻结过程中，不仅是土层中原有的水分的冻结，还有未冻结士层中水向冻结土层迁移而冻结，所以，土的冻胀不仅仅是水结冰时体积增加的结果，更主要是水分在冻结过程中由下向上部迁移聚集再冻结的结果。重力水和毛细水在00(2或稍低于0c(二时就冻结，冻结后不再迁移；而结合水以薄膜形式存在于土粒表面，由于吸附的作用结合水外层一般要到一1℃左右才冻结，最内层甚至在一70~C也不会完全冻结。所以当气温稍低于O~C时，重力水和毛细水都先后冻结，而结合水仍不冻结，依然从水膜厚处向薄处移动。当含盐(正价离子)浓度不同时，结合水由浓度低处向高处移动，水分移动虽然缓慢，数量也不大，但是如有不断补给来源，一定时间的移动水量还是很可观的。水的补给来源主要通过下面的毛细水补给，由于结合水向上移动，在温度合适时它也被冻结，这就造成冻结后的水分比冻结前的水分大量聚集。所以，结合水的存在，毛细水不断的供给，合适的冻结温度和一定的时间，是大量水迁移的必要条件。
二、路基土的冻胀影响因素分析
1、土质对路基土产生冻胀的影响
土体中的矿物质成分、密实度和粒度的成分是土质对路基土产生冻胀影响的最主要原因。当路基土的土颗粒的粒径在0．1 mm以上时因为空隙较大，使得水分容易被排出，因此不会发生冻胀。当土颗粒的粒径减小到一定程度，空间的空隙减小到一定程度之后，就容易发生冻胀。当土颗粒粒径在0．1—0．05 mm范围之间，土体就会产生冻胀，这个范围内土体冻胀的可能性最大；当土体颗粒粒径在0．002 mm以下的时候，土颗粒分散性增大使得水分迁移量减小，使得土体的冻胀性逐渐减弱。矿物成分对冻胀的影响不会发生在颗粒较粗路的路基土中。土的密实程度也会对土的冻胀造成影响，在含水率固定的条件下，路基土密度的降低会增大土体之间的孔隙。当密实度较小的土体发生冻结的时候，留有充分的孔隙和空间让冰发生自由膨胀也不会引起土颗粒间间距的变化，这时的土体产生的冻胀量比较小。随着密实度的增大，自由水充填到了土颗粒间的孔隙之中，因此路基中水分在变成冰后的膨胀空间就会受到限制使得路基土冻胀程度变大。当土体处于一个标准的密实度范围内，土颗粒间的孔隙在最小的范围内，这时的土体的密实度就阻碍水分的迁移，使得冻胀量也就达到了最大值。
2、水对路基土产生冻胀的影响
路基土中的含水率，是促使路基土产生冻胀的基本条件。路基土的冻胀过程其实就是自由水在路基土中移动、聚集和相变的综合过程。路基土产生冻胀的补给水源有很多，包括地表水、雨水、浅层地下水等，这些水源的聚集都会成为路
基土冻胀的重要条件。尽管路基土含水量是产生冻胀的必要条件。但是冻结过程中含水的路基土不一定在冻结后必然发生冻胀。当在封闭的状态下土体的含水量只有大于一定值的时候才会产生冻胀。这一定值就是指在负温的条件之下，当路基土的冻胀率为零时候的路基含水率，这个定值也叫做路基土的起始冻胀的含水率；当路基土中的含水率低于这个定值的时候，也就是路基土中所有孔隙被冰和没有冻结的水分充满，土体是不会产生冻胀现象。路基土在冻结的过程中，如果没有外界水源补给的情况下，路基土内部的水分在温度梯度作用下发生移动积聚也不会产生较大的冻胀量，但是，当有外界水补给的时候情况就大不一样了。外界水源补给能够给土体冻胀提供源源不断的水源进而产生大面积的的冻胀量。
3、温度对路基土产生冻胀的影响
在寒冷的地区，路基土的温度会根据外界气温的变化而进行变化。路基土冻结的前提是在负温的情况之下。负温也能够决定路基土的冻结过程、时间和未冻水含量的多少。路基土在发生冻结的过程中，土体颗粒表面能作用被吸附在土颗粒表面那部分没有被冻结液态水成为冻土中的未冻水，这部分的未冻水和固态冰之间保持着动态平衡的关系：在路基土温度升高的时候，部分融化的冰就会转化成未冻水使得路基土的含水率加大。反之，路基土的温度降低，部分未冻水冻结成冰使得路基土的含水率降低。因此可以得出，路基土的冻胀量随路基土中温度的降低而增加的。在负温而且全封闭的条件下，路基土中的水分不断被冻结，自由水的含量不断减少，含冰率逐渐增大，使得路基土体积变大进而发生冻胀。
三、路基土冻胀的工程防治措施
1、加强路基排水设施
解决水份对路基土冻胀影响的最有效方法就是采用各种排水的措施，尽可能的减少水份的渗透、迁移聚积和毛细水的补给使路基土体保持干燥状态。排除地下水应在路基下集中水流处设置暗管或暗沟，暗管或暗沟应设于最大冻结深度以下或采取保温措施，挖方及全冻路堤路段应设排水渗沟。排除地表水应在挖方路段界外设截水沟或拦水埂，土质截水沟必须做底、壁铺砌。设置的路基边沟沟底纵坡不宜小于0．75％，沟底应低于路床顶面至少0．3 m；土质边沟侧面和底面宜铺筑浆砌体。
2、置换法
在积雪寒冷地区，确定路面的置换深度时，各国有不同的要求，日本以道路最大冻深的80％作为标准。这个置换深度是在实测的基础上确定的，即挖开30~50cm己冻结的砂石道路，会发现靠近路面下形成大量的冰晶体，再向下冰晶体急剧减少。就我国的实际情况来说，近几年来，寒冷地区修建了大量的沥青混凝土和水泥混凝土路面，因而其冻结深度和砂石道路有许多不同。置换法中的置换深度确定应该由防止冻胀引起的路面破坏和春融期土基及底基层承载能力降低来决定，在防止冻胀引起的路面破坏时，最好采用不易引起冻胀的材料换填到理论最大冻结深度。但是根据国内外发表的大量文献来看，一般只要置换到理论最大冻深的70％己经足够。但考虑到冰害作用受积雪、除雪程度、曰照等条件影响很大，置换率一般根据当地具体情况分析。另外，改变置换深度和置换材料的种类以及路面结构都可以改变道路的冻结情况。
结束语
在东北高寒地区道路施工过程中，要应充分考虑不同工程地质条件对路基土冻胀的影响，并针对不同的地质情况，开展相应的防治冻胀的措施，保证道路的稳定。
参考文献
[1]刘红军，张秀华．工程地质学[D]．东北林业大学，2013．
[2]李伟．高寒地区路基土冻胀机理与防治对策[J]．中外公路，2011，(4)．