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[摘 要]根据寒冷地区特定的自然条件，从水分迁移和聚冰层形成过程阐明路基冻损的机理，分析路基冻损对道路性能的影响及原因，总结预防路基冻损的设计原则和基本途径。
[关键词]寒冷地区；公路路基；冻损机理；预防原则
中图分类号：U416.217 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）09-0176-02
公路路基是路面的根基，其稳定性直接关系到公路功能的发挥和正常使用。这就要求路基具有足够的强度和稳定性并保持干燥状态，以保证路面的承载力，使路面不产生变形和破坏。影响路基强度，造成路面破坏的诸多因素中，无不与路基地下水和地面水的存在有关。
寒冷地区位于暖温带和温带半干旱大陆，四季分明，日温差大，无霜期短，年平均气温低，年平均降水量稀少，降雨形式以雷阵雨、大雨为主，降雨时间短，雨水漫流、排除、蒸发速度快，一般不会出现卿浆。但进入9月份，气温逐渐下降，水分蒸发速度较慢，这样雨水就会穿过沥青碎石面层深入基层，并长时间蕴藏在内浸泡基层，使基层表面软化，在车辆荷载的挤压作用下，基层泥浆通过面层空隙喷射出来，形成唧浆。初冬，地面冻结前（10月中旬到11月中旬），昼夜温差大，温度在0℃上下反复波动，这个时候降雨（雪）也容易出现唧浆病害，一旦出现，要采取补救措施为时已晚。春融期间（3月中旬到4月中旬），气温逐渐回升，由地表向地下解冻，可能会暴露其他病害。
一、路基冻损机理
冻损是冬季在道路上形成的局部抬高，春季时出现路面破坏的现象。在水移动薄膜机制基础上，冬季水分潜移至路面下的冻结区，形成冰夹层和冰晶体，春融时，土变得过湿和软化。在地下水作用下，路基通常会形成深层浆胀（水文地质冻胀）。较高的潜水水位和来自山坡一侧的潜水，靠近路基在路基基底或在路堑与侧沟的边坡上尖灭是促成深层冻损的主要条件。
（一）负温度作用下路基水分的迁移
当路基表面的土开始冻结时，土孔隙的自由水在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的作用，迁移到冰晶体上面冻结。因此，与冰晶体接触处土颗粒上的水膜变薄，薄膜水内的离子浓度增加，产生了渗透压力差，在土颗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，并逐层向下传递[1]。在温度为0℃～-3℃～-5℃的条件下，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。
通常路面特别是黑色路面，其导温性较两侧路肩强得多，因此路面下路基土冻结速度大，冻深也大，冻结线在路面下凹型（见图1）。路基下部和路肩土体中水分将向路基中部聚集，使路面下部形成较厚的聚冰层，从而使路基土产生冻胀，造成路面不平或产生裂缝。春季路基土开始融化，这时路面下土又比路肩土融化的快，使路基下形成凹形残留冰核（见图2），这一凹形冻土核为一不透水层，使其上部已融化的水分不能排除，从而造成翻浆。
但是，没有一定的冻结深度或冻结指数（冬季各月每日负气温的总和）是难以形成冻胀和翻浆的。而在同样的冻结深度或冻结指数的条件下，冻结速度和负温度作用的特点对冻胀和翻浆的形成影响很大，例如在寒冷地区的初冻时气温较高或冷暖交替变化，温度在0℃～-3℃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，形成严重的冻胀与翻浆[2]。
（二）聚冰层与聚冰的层位
当冻结线在某一深度停留时间较长，水分有较多的迁移时间，且水源供给充分时，可能在该深度处形成明显的聚冰层；当冻结速度较快，每一深度处水分迁移的时间短，聚冰少且均匀分布，可能形成不明显的聚冰层。路基内显著聚冰的层位，一般也是产生不均匀冻损的层位，通常主要出現在路基上部的某一深度范围内。超过该深度时，由于上覆土层冻结所形成的阻力，将使水分迁移大大减弱，不均匀冻损实际上停止发展。如果土在冻结时的体积增大（冻胀）是均匀发生在成分与含水量均一的大面积上，则土中将不会产生内力，只发生冻土层的单纯膨胀，可是当膨胀受约束或不许可，将对公路产生相当大的冻胀力。
在天然条件下，由于土在平面上和深度上的非均质性，几乎见不到土层完全均匀的膨胀现象。此外，由于土的粘土含量、颗粒矿物成分和吸附阳离子成分不同，土体本身的冻胀也是各不相同的。冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀。孔隙水原位冻结，造成体积增大9%，但由于外界水分补给并在土中迁移到某个位置冻结，体积将增大1.09倍。所以开放系统饱水土中的分凝冻胀是构成土体冻胀的主要分量。分凝冻胀的机理应包括两个物理过程：土中水分迁移和成冰作用。决定土体冻胀的主导因素是土中的热流和水流状况，而土质、土中溶质成分、含量和外界压力则在不同程度上改变冻胀的强度和速度。
二、路基冻损对道路性能的影响及原因
公路受风、沙、雨、水等各种自然因素的作用，形成各种病害。其中有水损坏和有不良地质作用造成的地质病害，特别是由于路基吸收水分过多，水分冻结后体积膨胀，超过路基土所能容纳数量时所引起的路基冻胀，对公路的破坏尤为严重。
（一）路基冻损对道路性能的影响
在寒冷地区，由于水的冻结作用，会造成公路的路基冻损。冻结期间所产生的不均匀冻胀，导致路面高低不平，失去平坦性，轻者给行车带来障碍，重者造成交通事故。路基的不均匀冻胀还将导致公路的路面，特别是混凝土刚性路面产生裂缝，这种裂缝多呈纵向分布，且经冻融反复作用而不断加宽，严重时路面呈破碎状[3]。
路基内冰融解期间的路基承载力下降危害更为严重。在寒冷地区水文地质条件不良地段，冬季路基土体由于冰冻作用，使其含水量增大，春天化冻时路基中水分不能及时排出，形成潮湿软弱状态。由于行车荷载的反复作用，使路面发生裂缝、鼓包、车辙、冒泥浆等现象。
寒冷地区公路的冻害调查结果表明，当路基为亚砂土，且有地下水补给条件下，会产生严重的聚冰现象，冬季路面产生大的冻胀变形，春季融化时水分多处于饱和状态，又不能及时排出，在这种情况下，往往形成流沙和泥浆。粘土在不良水文地质条件下，如地下水位高、路基两旁积水时，冬季路面也能产生较大的不均匀冻胀，而春季则造成翻浆。 （二）路基冻损的成因
路基的土质、水分和温度等条件影响着道路的不均匀冻胀和翻浆的严重程度，而路基的水分条件是引起路面冻胀和翻浆的决定性因素。当路基土中含水量超过起始含水量并超过起始冻胀含水量时，路面便会有不均匀冻胀发生，特别是地下水位较高时，由于地下水位的补给将使土基产生更大的不均匀冻胀。路基土冻结后，由于水分迁移和聚冰作用，使土体含水量显著增大，春季融化时往往处于饱和状态，这时土颗粒间水膜厚度增大，土颗粒间的摩阻力消失，土壤的强度指标显著降低，这是造成道路翻浆的主要原因[4]。按不同的水文地质条件，道路翻浆可分为地下水类翻浆、地面水类翻浆、土体水类翻浆和气态水类翻浆。
三、路基冻损的防治
综上，路基的冻损对公路的破坏极为严重。因此，应根据中冻地区地形、地质、气候及自然环境概况，制定防治冻损的原则与途径。
（一）寒冷地区防止冻损的设计原则
1、寒冷地区的路基设计，要贯彻以防为主，防治结合的原则。路线应尽量设置在干燥路段，当路线必须通过水文及水文地质条件不良地段时，应采取预防措施。
2、防止冻损应根据寒冷地区的地质气候与路段特点，按照因地制宜、就地取材和路基路面综合设计的原则，提出合理处治方案。
3、冻损地区路基设计，在一般情况下，应首先搞好地面水和地下水的处理，并注意路基填土高度。
4、对于高级和次高级路面，除按强度进行结构层设计外，还须按容许冻胀要求进行复核，对于低、中级路面则根据防治冻损要求进行设计。
（二）寒冷地区防治冻损的基本途径
1、调节路基水温状况，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。例如，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，则应在化冻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。如设置排水或者砂垫层等。
3、改善土基，加强路面結构层的强度。如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、在有些情况下，用一种处理措施，往往不能收到预期效果或不够经济，可采用两种或两种以上综合措施。
参考文献
[1] 原国红.季节冻土水分迁移的机理及数值模拟[D].长春：吉林大学，2006.
[2] 李向群.吉林省公路冻害原因分析及处理方法研究[D].长春：吉林大学，2006.
[关键词]寒冷地区；公路路基；冻损机理；预防原则
中图分类号：U416.217 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）09-0176-02
公路路基是路面的根基，其稳定性直接关系到公路功能的发挥和正常使用。这就要求路基具有足够的强度和稳定性并保持干燥状态，以保证路面的承载力，使路面不产生变形和破坏。影响路基强度，造成路面破坏的诸多因素中，无不与路基地下水和地面水的存在有关。
寒冷地区位于暖温带和温带半干旱大陆，四季分明，日温差大，无霜期短，年平均气温低，年平均降水量稀少，降雨形式以雷阵雨、大雨为主，降雨时间短，雨水漫流、排除、蒸发速度快，一般不会出现卿浆。但进入9月份，气温逐渐下降，水分蒸发速度较慢，这样雨水就会穿过沥青碎石面层深入基层，并长时间蕴藏在内浸泡基层，使基层表面软化，在车辆荷载的挤压作用下，基层泥浆通过面层空隙喷射出来，形成唧浆。初冬，地面冻结前（10月中旬到11月中旬），昼夜温差大，温度在0℃上下反复波动，这个时候降雨（雪）也容易出现唧浆病害，一旦出现，要采取补救措施为时已晚。春融期间（3月中旬到4月中旬），气温逐渐回升，由地表向地下解冻，可能会暴露其他病害。
一、路基冻损机理
冻损是冬季在道路上形成的局部抬高，春季时出现路面破坏的现象。在水移动薄膜机制基础上，冬季水分潜移至路面下的冻结区，形成冰夹层和冰晶体，春融时，土变得过湿和软化。在地下水作用下，路基通常会形成深层浆胀（水文地质冻胀）。较高的潜水水位和来自山坡一侧的潜水，靠近路基在路基基底或在路堑与侧沟的边坡上尖灭是促成深层冻损的主要条件。
（一）负温度作用下路基水分的迁移
当路基表面的土开始冻结时，土孔隙的自由水在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的作用，迁移到冰晶体上面冻结。因此，与冰晶体接触处土颗粒上的水膜变薄，薄膜水内的离子浓度增加，产生了渗透压力差，在土颗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，并逐层向下传递[1]。在温度为0℃～-3℃～-5℃的条件下，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。
通常路面特别是黑色路面，其导温性较两侧路肩强得多，因此路面下路基土冻结速度大，冻深也大，冻结线在路面下凹型（见图1）。路基下部和路肩土体中水分将向路基中部聚集，使路面下部形成较厚的聚冰层，从而使路基土产生冻胀，造成路面不平或产生裂缝。春季路基土开始融化，这时路面下土又比路肩土融化的快，使路基下形成凹形残留冰核（见图2），这一凹形冻土核为一不透水层，使其上部已融化的水分不能排除，从而造成翻浆。
但是，没有一定的冻结深度或冻结指数（冬季各月每日负气温的总和）是难以形成冻胀和翻浆的。而在同样的冻结深度或冻结指数的条件下，冻结速度和负温度作用的特点对冻胀和翻浆的形成影响很大，例如在寒冷地区的初冻时气温较高或冷暖交替变化，温度在0℃～-3℃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，形成严重的冻胀与翻浆[2]。
（二）聚冰层与聚冰的层位
当冻结线在某一深度停留时间较长，水分有较多的迁移时间，且水源供给充分时，可能在该深度处形成明显的聚冰层；当冻结速度较快，每一深度处水分迁移的时间短，聚冰少且均匀分布，可能形成不明显的聚冰层。路基内显著聚冰的层位，一般也是产生不均匀冻损的层位，通常主要出現在路基上部的某一深度范围内。超过该深度时，由于上覆土层冻结所形成的阻力，将使水分迁移大大减弱，不均匀冻损实际上停止发展。如果土在冻结时的体积增大（冻胀）是均匀发生在成分与含水量均一的大面积上，则土中将不会产生内力，只发生冻土层的单纯膨胀，可是当膨胀受约束或不许可，将对公路产生相当大的冻胀力。
在天然条件下，由于土在平面上和深度上的非均质性，几乎见不到土层完全均匀的膨胀现象。此外，由于土的粘土含量、颗粒矿物成分和吸附阳离子成分不同，土体本身的冻胀也是各不相同的。冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀。孔隙水原位冻结，造成体积增大9%，但由于外界水分补给并在土中迁移到某个位置冻结，体积将增大1.09倍。所以开放系统饱水土中的分凝冻胀是构成土体冻胀的主要分量。分凝冻胀的机理应包括两个物理过程：土中水分迁移和成冰作用。决定土体冻胀的主导因素是土中的热流和水流状况，而土质、土中溶质成分、含量和外界压力则在不同程度上改变冻胀的强度和速度。
二、路基冻损对道路性能的影响及原因
公路受风、沙、雨、水等各种自然因素的作用，形成各种病害。其中有水损坏和有不良地质作用造成的地质病害，特别是由于路基吸收水分过多，水分冻结后体积膨胀，超过路基土所能容纳数量时所引起的路基冻胀，对公路的破坏尤为严重。
（一）路基冻损对道路性能的影响
在寒冷地区，由于水的冻结作用，会造成公路的路基冻损。冻结期间所产生的不均匀冻胀，导致路面高低不平，失去平坦性，轻者给行车带来障碍，重者造成交通事故。路基的不均匀冻胀还将导致公路的路面，特别是混凝土刚性路面产生裂缝，这种裂缝多呈纵向分布，且经冻融反复作用而不断加宽，严重时路面呈破碎状[3]。
路基内冰融解期间的路基承载力下降危害更为严重。在寒冷地区水文地质条件不良地段，冬季路基土体由于冰冻作用，使其含水量增大，春天化冻时路基中水分不能及时排出，形成潮湿软弱状态。由于行车荷载的反复作用，使路面发生裂缝、鼓包、车辙、冒泥浆等现象。
寒冷地区公路的冻害调查结果表明，当路基为亚砂土，且有地下水补给条件下，会产生严重的聚冰现象，冬季路面产生大的冻胀变形，春季融化时水分多处于饱和状态，又不能及时排出，在这种情况下，往往形成流沙和泥浆。粘土在不良水文地质条件下，如地下水位高、路基两旁积水时，冬季路面也能产生较大的不均匀冻胀，而春季则造成翻浆。 （二）路基冻损的成因
路基的土质、水分和温度等条件影响着道路的不均匀冻胀和翻浆的严重程度，而路基的水分条件是引起路面冻胀和翻浆的决定性因素。当路基土中含水量超过起始含水量并超过起始冻胀含水量时，路面便会有不均匀冻胀发生，特别是地下水位较高时，由于地下水位的补给将使土基产生更大的不均匀冻胀。路基土冻结后，由于水分迁移和聚冰作用，使土体含水量显著增大，春季融化时往往处于饱和状态，这时土颗粒间水膜厚度增大，土颗粒间的摩阻力消失，土壤的强度指标显著降低，这是造成道路翻浆的主要原因[4]。按不同的水文地质条件，道路翻浆可分为地下水类翻浆、地面水类翻浆、土体水类翻浆和气态水类翻浆。
三、路基冻损的防治
综上，路基的冻损对公路的破坏极为严重。因此，应根据中冻地区地形、地质、气候及自然环境概况，制定防治冻损的原则与途径。
（一）寒冷地区防止冻损的设计原则
1、寒冷地区的路基设计，要贯彻以防为主，防治结合的原则。路线应尽量设置在干燥路段，当路线必须通过水文及水文地质条件不良地段时，应采取预防措施。
2、防止冻损应根据寒冷地区的地质气候与路段特点，按照因地制宜、就地取材和路基路面综合设计的原则，提出合理处治方案。
3、冻损地区路基设计，在一般情况下，应首先搞好地面水和地下水的处理，并注意路基填土高度。
4、对于高级和次高级路面，除按强度进行结构层设计外，还须按容许冻胀要求进行复核，对于低、中级路面则根据防治冻损要求进行设计。
（二）寒冷地区防治冻损的基本途径
1、调节路基水温状况，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。例如，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，则应在化冻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。如设置排水或者砂垫层等。
3、改善土基，加强路面結构层的强度。如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、在有些情况下，用一种处理措施，往往不能收到预期效果或不够经济，可采用两种或两种以上综合措施。
参考文献
[1] 原国红.季节冻土水分迁移的机理及数值模拟[D].长春：吉林大学，2006.
[2] 李向群.吉林省公路冻害原因分析及处理方法研究[D].长春：吉林大学，2006.