黑龍江大學畢業論文道路凍脹翻漿的成因及處理方法(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 9 圖 25 土中的毛細水帶 路基土體凍脹主要和三個過程有關，以下便詳細分析路基土體凍脹過程。 土中液相水轉變為冰晶體 在季節性凍土區，當大氣溫度降至 0℃或 0℃以下時，土層中土體溫度 也隨之不斷降低，地表土層就開始凍結，土體孔隙中的毛細水上升至凍結層時被凍結為冰晶體。 冰晶體的增長與聚冰帶的形成 冰晶體形成后，靠著冰晶體及土顆粒的吸引力把附近的水分子吸引到自身的表面，便會構成一層水膜，新的冰晶體又會首先從這里產生。這樣，周而復始不停地往復，在凍結鋒面上的冰晶體就會不斷地增長。土顆粒為了恢復水膜中壓力和吸引力之間的平衡，就會不斷地從鄰近處，也就是非凍結土體中的土顆粒束縛水膜，把水分子“抽吸”過來，以便補充被遷移走的水量，這樣就可以保持冰晶體不斷增長成聚冰帶時能夠得到 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 10 源源不斷的水 分的供給，（如圖 26 所示）。 圖 26 路基水分遷移和成冰圖 在冰晶體的不斷增長引起土顆粒間距增大與土顆粒位移的過程中，外界的水流侵入冰晶體，產生所謂的“冰劈”作用，就會使凍土體產生層理，形成厚度不均勻的聚冰帶。當冰晶的分凝作用遠遠比土顆粒的薄膜水向凍結鋒面遷移時，就會導致下邊有效水分補給區的土體含水量大大減小，此時凍結線前緣的土體便會產生收縮。因為凍結鋒面上得不到水分的補給就會破壞了其熱平衡狀態，隨著土體溫度的不斷下降，凍結線就會繼續往下移動。當到達土體含水量較多、水分補給比較充裕的 地帶，就會出現新的熱平衡狀態，凍結線此時就會緩慢地停止移動，這時冰晶的分凝作用又會活躍起來，又會形成新的聚冰帶（如圖 27 所示）。這樣，凍結線就會一會兒快一會兒慢地向著土體深處推進。這樣的凍結過程就會形成凍土中的聚冰帶分層分布的特點。 圖 27 聚冰帶的形成 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 11 凍脹產生 當毛細水源源不斷地上升時，凍結層內的冰晶體大量增加時，便會堵塞土體中的毛細管道，大量的冰晶聚積在凍結層內形成了“聚冰層”和“冰夾層”。隨著地層凍結深度的繼續增加，凍結層內的“聚冰層”和“冰夾層”也會不斷增加，這樣就會在當地的整個凍結深度的范圍內，形成了多層“聚冰層”和“冰夾層”。這時土體體積就會增大、膨脹、地面鼓包，土體的凍脹就由此產生了。 道路凍脹的影響因素 土質 影響道路凍脹的主要因素是路基的土質（如圖 28）。土是由大小不等的顆 粒組成的，用土的粒徑和級配來表示，即所謂土的分散性。 [7]以土的分散性作為決定路基土體凍結時水分遷移和土體凍結強度的一個基本因素。高分散性的土中，水膜比較厚，可以保證水向生長著的冰晶體遷移聚集。但在低分散性的土中，水膜厚度比較小，所以 水分子向這些水膜處的移動性能就大大降低，所以土 體的凍脹強度就很小。 圖 28 路基土的分類 道路凍脹現象通常發生在比較細的土中，特別是粉質土、粘性土。因為土顆粒細小，毛細管道發達，毛細水上升高度大，上升速度比較快，具有比較暢通的水源補給通道，土體凍結時水分遷移集聚比較強烈，所以凍脹現象就十分的嚴重。同時，土顆粒比較細，其表面能就比較大，土顆粒中的礦物成分親水性就比較強，能保持較多的結合水，從而能使大量的結合水遷移和積聚。為道路凍脹破壞的產生提供充足的條件。含粉土、粘土成分少的砂石、碎石等，通過實驗證明基本上不產生凍脹現象。 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 12 溫度 合適的冰凍指數和 凍結深度是形成道路凍脹翻漿的主要原因，如果沒有一定的冰凍指數或凍結深度道路是很難形成凍脹和翻漿的。 [8]同樣如果沒有很大的冰凍指數或凍結深度就很難形成比較嚴重的道路凍脹和翻漿現象，在同樣的冰凍指數或凍結深度的條件下，負氣溫作用和凍結速度對道路的凍脹和翻漿的形成也有很大的影響。持續且緩慢的負溫度是道路形成凍脹的主要條件。大氣的溫度在冰凍季節比較緩慢的下降，凍結線就會比較長時間的停留在土基上部，就會使大量的水分不斷地向冰凍區遷移積聚，從而就會形成非常嚴重的道路凍脹和翻漿現象。反之，如果溫度驟降，則不會產生凍脹現 象。因為如果冬季一開始溫度突然下降，凍結線下降的特別快，土體中的水分還來不及遷移，就在原地凍結成冰，土體中的毛細管道也被形成的冰晶體堵塞。這時候，土體中就不會發生水分的遷移和積聚，只會在土孔隙中凍結成一些冰晶體，形成不了造成土層凍脹的“冰夾層”和“聚冰層”。那么道路的凍脹就會較輕或者不發生道路凍脹現象。 水 道路發生凍脹時，水分的遷移和積聚是構成道路凍脹的主要因素。當土體凍結區附近的地下水位較高或者此地降水比較充足時，毛細水上升的高度能夠接近或達到冰凍層，使土體的冰凍區能夠得到比較充足的外部水源的補給。 經過較長時間的冰晶體的積聚和水分遷移，就會發生比較強烈的道路凍脹現象。 凍脹現象可以分為強烈凍脹和輕微凍脹。 [9]當道路發生凍脹時，如果在凍結過程中有較充足的外部水源供給，在土層中就會形成較厚的“聚冰層”和“冰夾層”。這時就會產生十分強烈的道路凍脹現象。 道路凍脹發生時，如果凍結過程中沒有充足的外部水源供給，這時的土層中 只會產生較薄的“聚冰層”和“冰夾層”，凍脹量就十分小，對路面結構構成不了太大的破壞，這時就稱為道路的輕微凍脹。雖然，道路的輕微凍脹對路面結構造成不了太大的破壞。但是，經過多年的道路凍脹以后 ，也會影響道路的結構和正常使用。 在冰凍季節，路面的長期積冰、積水也是構成道路凍脹破壞的原因。因為城市道路路面的排水不通暢，路面常年積水，積水會滲入路基。當冰凍季節到來時，路表積水就會凍結，隨著氣溫的繼續不斷下降，土層中沒有凍結的水分會向表層的冰凍區積聚，土 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 13 體中的冰凍層就會逐漸地增厚。因為冰凍區在冰凍沒有到來之前不斷受到積水的滲透作用，在冰凍過程中地下能夠得到充足的水分。所以，在飽和水分和不斷地冰凍降溫的共同作用下，冰凍區的凍結區域就不斷增大。水分在液態轉化為固體的過程中，體積會增大，就會形成嚴重的道路凍脹 現象。 路面 道路的凍脹和翻漿都是通過路面的變形破壞表現出來的。因此，道路的凍脹和翻漿和路面是密不可分的，所以路面的類型對道路凍脹翻漿的影響巨大。例如，在潮濕的土基中鋪筑瀝青，而瀝青路面的透氣性又比較差，就會導致路基中的水分蒸發不通暢，“聚冰層”和“冰夾層”的厚度增加就會導致道路凍脹現象的產生。 道路翻漿機理 及其影響因素 道路翻漿機理 道路翻漿的實質是水在路基土層中轉移和變化的過程。所以說水是造成道路翻漿的根本原因。在季凍區，冬季路基上層的土開始凍結，下層還未凍結的土壤里的水分就會向已 凍結的土基上層聚集，加之秋季雨水比較大，土基凍結前含水量就會明顯的增大。還有路基附近的淺地下水、地表積水、河流以及灌溉水等不斷地滲入，都會造成地下水位的增加，導致土基凍結過程中有大量的水分轉移和改變，這就為道路凍脹和翻漿創造了很好的條件。路基土層中水的來源如圖 29 所示。 圖 29 路基水來源 同時，在路面尤其是黑色的瀝青路面上，由于路面導溫性能比路肩土要好得多，所以當冬天來臨時，路面下的土比路兩旁路肩下的土冷的要快，所以凍得早。于是不僅僅 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 14 是路基下部分水，且還有路肩、邊坡下沒有凍結的土中水分， 也都會向路面下已凍結土壤中聚集，這也是路基水的來源之一，如圖 210 所示。 圖 210 路基水來源 道路的翻漿是凍土區特有的道路凍害現象。冬季，路基凍脹導致道路開裂、變形；到了春天，氣溫開始回升，溫度逐漸升高，地表的土層開始解凍。又因為黑色的瀝青路面吸熱能力特別的強，使路基內土體中的“聚冰層”和“冰夾層”開始融化。因為春融是個比較緩慢個過程，路基土內的“聚冰層”和“冰夾層”的融化也是自上而下的比較緩慢的進行，當上部的“聚冰層”和“冰夾層”已經融化而下部的“聚冰層”和“冰夾層”還未解凍。這樣，上部融化 后，產生的大量水無法排解或下滲，加上粉土、粘土等細粒土排水能力特別的差，導致已經融化的土層中含水量大大的增加，使土層處于飽和狀態，致使土體軟化，路基強度大大降低（如圖 211 所示）。在過往車輛的反復碾壓下，路面便會發生開裂、車轍、斷碎、沉陷、冒泥翻漿等病害。 綜上所述，道路的翻漿機理是因為冬季開始凍結時，水份發生遷移、集聚，集中在路面以下不太深的范圍內，形成了“聚冰層”和“冰夾層”。春季隨著溫度的回升，路基上層的“聚冰層”和“冰夾層”開始融化，使土體中含水量大大增加，使土體強度大大下降，在行車荷載的作用下 ，便最終導致道路出現翻漿現象。 圖 211 路基融化狀況圖 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 15 道路翻漿的影響因素 土質 凍脹性較強的土更容易產生道路翻漿現象。像粘性土、粉質土具有毛細水上升高、上升速度較快和透氣性小的特征，在負溫的作用下更適宜水分在土體中遷移和積聚，從而形成“聚冰層”和“冰夾層”。到了春融期，隨著土中水分的增多而導致承載力急劇下降，從而形成了道路翻漿現象。 另外，如果粘性土、粉性土中含有大量的易溶鹽和腐殖質時，更加容易產生道路翻漿現象。 水 水是造成道路翻漿最根本的原因。道路翻漿的過程實質上就是水 在土體中轉移和變化的過程。 溫度 道路中土體只有在一定的負溫下才會發生凍結和凍脹，而凍結深度又與冰凍指數有著密切的關系。一般來說，凍結指數和凍結深度成正比關系。而在同樣的凍結深度和冰凍指數的情況下，溫度梯度和凍結速度對道路的凍脹和翻漿影響都很大。在初冬氣溫較高或者冷暖交替出現比較頻繁時，使凍結速度比較緩慢，如果溫度在初冬低溫停留時間較長時，就會造成大量水分積聚到路面較淺的凍結鋒面處凍結，形成比較嚴重的道路翻漿現象；反之，冬季開始溫度驟降，溫差較大，則水分來不及向上層轉移，路基土體中的水就凍結了，這時在路 面下較近處聚冰不太多，道路翻漿較輕或就不會發生翻漿現象。如果土體凍融速度很快，路基土體急劇融化，就會加重道路翻漿的程度。特別是如果在這期間氣溫冷暖交替變化，且伴有雨雪天氣等，更加重道路翻漿的程度，而且有可能延長道路翻漿現象的時間。 行車荷載 道路的翻漿是通過行車荷載的作用，最后才會形成和暴露出來的。如果具備道路翻漿的水、土質、溫度等自然條件，但沒有行車荷載的作用，也是不會產生道路翻漿現象 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 16 的。相反地，如果不具備道路翻漿條件的良好道路，車輛再多也不會產生道路翻漿現象。如果不僅具備了產生道路翻漿的條件，而且在 翻漿季節交通量特別大，則產生的道路翻漿現象也會特別嚴重。可以這樣說，道路翻漿的發生是某種特定的條件下，又會有其中的某一種或兩種因素起主導作用，成為引起道路翻漿的主要因素。 路面 道路翻漿是通過路面的變形破壞而表現出來的，并按其變形破壞程度來劃分等級的。 [10]所以道路翻漿和路面是密切相關的。 不同的路面，路面結構不同，路面的厚度也不同，對道路翻漿有一定的影響。一般來說，蒸發量比較大的潮濕路基比蒸發量小的潮濕路基的翻漿程度要輕一些。因此，在一些潮濕的路基上鋪上黑色瀝青以后，便會使路基中的水分不能很暢通地從 路面蒸發出