浅析道路冻胀-翻浆形成原因及防治措施

浅析道路冻胀\翻浆形成原因及防治措施
摘要: 冻胀与翻浆是季节冻土与多年冻土地区所特有的两种道路病害，主要分布在我国北方寒冷地区和南方高寒山区。

本文阐述了路基产生翻浆、冻胀现象的原因，具体分析了各种因素对冻胀、翻浆的影响，并提出了相应的预防措施和具体的处治办法，从而延长道路使用寿命。

关键词：冻胀；翻浆；成因分析；防治措施
1.概述
现在学术界普遍把冻土分为季节性冻土、隔年冻土和多年冻土。

在天然条件下冬季冻结，夏季全部融化的土层，称为季节性冻土；冬季冻结，一两年内不融化的土层，称为隔年冻土；而冻结状态持续三年或三年以上的土层称为多年冻
土。

在冬季负温作用下，造成地表土层中孔隙水结冰，致使其体积膨胀9%左右。

而另一方面在负温梯度作用下，其下部未冻结的水分源源不断地向上迁移，并冻结成冰透镜体，使得土体出现大幅度膨胀，其总冻胀量在0.1m～0.3m不等。

这样大体积膨胀对工程上的危害是不可接受的，尤其是道路工程。

使用冻胀性土的路段，当有水分供给时，在冬季负气温作用下，水分连续向上聚流，在路基上部形成冰夹层、冰透镜体，导致路面不均匀隆起，使柔性路面开裂、刚性路面错缝或折断的现象，称为冻胀。

使用冻胀性土的路段，在春融期间，由于土基含水过多、强度急剧降低，在行车作用下路面发生弹簧、裂缝、鼓包、冒泥等现象，称为翻浆。

冻胀及翻浆灾害导致车速降低30%～50%，严重年份养修费用比例高达小修保养费用的50%～60%，因此冻土地区路基施工必须贯彻以防为主、防治结合的原则。

2.发生原因
冬季气温下降，路基上层土体开始冻结，路基下部土体温度仍然较高，水分在土体内由温度高处往温度较低处移动，使路基上层土体水分增多并随着温度降低冻结成冰。

此时土孔隙内的自由水在0℃以下时不断冻结，形成晶体，继而引发冰晶体接触的土颗粒表面的薄膜水受冰的结晶力作用，移动到冰晶体上而冻结，这样，该处土粒周围的水膜减薄而剩余了许多表面能(即水的张力作用)，增加了从水膜能较厚土粒处吸湿的能力。

土中温度高处的水分便向上移动，补充低温处土粒薄膜水的转移，从而温度高处的水分不断向温度较低处的冰晶体移动而形成冰晶，而冰晶体的体积越积越大，形成冰胀作用，使路基路面产生冻裂，冻胀隆起现象。

春季到了，气温逐渐回升，路基上层的土体首先融化，下层土体尚未解冻，
水分渗透不下去，越积越多，出现路基过湿状态，当其湿度超过液限后，路基的承载力极低，像泥潭一样，在车辆通过时，稀软的泥浆便会沿着开裂的路面缝隙挤出或形成较湿的车辙和鼓包，造成翻浆。

3.影响因素
道路冻胀与翻浆是多种因素综合作用的结果，土质、水、温度与路面是影响冻胀的四个主要因素。

翻浆除受这四个因素影响外，还受行车荷载因素的影响。

在上述诸因素中，土质、温度和水是形成冻胀与翻浆的三个基本条件。

3.1土质的影响
不同的土壤对翻浆的影响也不同。

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易于迁移，如水源供给充足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。

黏性土的毛细水上升虽高，但速度慢，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与翻浆。

粉性土和黏性土含有较多腐值质和易溶盐时，则更易形成冻胀与翻浆。

粗粒土在一般情况下不易引起冻胀与翻浆，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；但当粗粒土中粉黏粒含量超过一定量以后，冻胀性明显增加，也能形成冻胀与翻浆。

3.2水的影响
形成冻胀和翻浆的主要原因是路基在冰冻期间发生的水分积聚，其剧烈的程度主要取决于土质类别，有无地下水和路基在冻结期负温度坡。

土在冻结过程中，土中水分发生明显的迁移运动，形成水分重分布现象，此时水分的移动同正温度时水分的蒸发下渗及毛细作用是不同的。

冻土中的水分迁移运动，主要是在负温度梯度和冻晶的综合作用下，发生的十分复杂的物理—力学变化过程。

由于冻结土中水分的重分布，从而变成土层中聚冰层的重分布，因各地负气温的进程、冻结深度、以及地下水的补给条件不同，故路基层中聚冰的分布规律也不同。

当冻前土含水量较大，地下水位较深，但受地表水影响较多时，路基上部的含水量就较大，主聚冰带也就在这个部位产生；当冻前土含水量不大，但地下水位较高，就会造成路基下部含水量大，主聚冰带也就在这个部位产生；当冻前土含水量较大，地下水位较高，冻结过程中水源补给条件充分时，在土基冻结深度内，可能产生多个主要冰带。

聚冰带的形成，破坏了土基的原有结构，使土基体积增大，形成冻胀，春
融时，冰晶体融解，使局部土层含水过多，往往超过土的液限含水量，荷载的作用下和路面较薄时，泥浆涌出，造成翻浆。

3.3温度因素
没有一定的冻结深度或冰冻指数是难以形成冻胀和翻浆的，没有更大的冻结深度或冰冻指数是难以形成严重的冻胀和翻浆，而在同样的冻结深度或冰冻指数的条件下，冻结速度和负气温作用对冻胀和翻浆的形成有很大影响。

例如，在初冬时气温较高或冷暖交替变化，温度在0℃至-3～-5℃之间停留时间较长，冻结线长时期停留在土基上部，就会使大量水分聚留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，水分来不及迁移，土基上部聚冰较少。

那么冻胀和翻浆就较轻或不出现。

此外，春融期间的气温变化及化冻速度对翻浆也有影响。

如春季开始化冻时，气温骤暖，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。

3.4路面影响因素
冻胀与翻浆都是通过路面变形破坏而表现出来的，因此，冻胀与翻浆和路面是密切相关的。

路面类型对冻胀与翻浆有影响，如在比较潮湿的土基上铺筑沥青路面后，由于沥青路面透气性较差，路基的水分不能通畅地从表面蒸发，可能导致聚冰增加、冻胀量增大，以致出现翻浆。

土质路堑或遇水崩解软化的风化泥质路堑，填料质量差，施工又未作特殊处理，极易发生翻浆。

路面厚度对冻胀与翻浆也有影响，路面厚度大时可减轻冻胀，也可减轻或避免翻浆。

一般来说，水泥混凝土路面的容许冻胀值为2cm，沥青混凝土路面的容许冻胀值为4cm，次高级路面的容许冻胀值为6cm。

3.5行车荷载
公路翻浆是通过行车荷载作用最后形成和暴露出来的，虽然路基有聚冰，有冻胀，春融时含水过多，但无行车荷载作用是不可能产生翻浆的，当其他条件相同时，在翻浆季节，交通量越大，车辆愈重，则翻浆也会愈多和愈重。

3.6人为因素
在下列情况下，都将加剧翻浆的形成。

设计时对翻浆的因素考虑不周，路基设计高度不够，特别是低洼地带，路线没有避开不利的水文地质地带，缺乏防治
翻浆的措施，以及路面结构组合不当，厚度偏薄等。

填筑方案不合理，不同土质填料混杂填筑，或采用大量的粉质土、腐值土、盐渍土、大块冻土等劣质填料，或分层填筑时压实度不足。

排水设施堵塞，路拱有反向坡，路面、路肩积水，对翻浆估计不足，且无适当的防护措施。

4.防治措施
4.1置换法
置换法是采用非冻胀材料，特别是采用水稳性好、冰冻稳定性好、强度高的粗颗粒土换填路基上部，可以提高路基的强度和稳定性。

应用时需要确定的问题主要是冻结深度和置换到何种程度。

采用置换法应对当地的土质、气温及地下水进行调查，并确定采用防止冻胀措施的路面冻结深度，然后根据得到的冻结深度，确定不引起路面产生冻胀破坏的置换深度。

冻结深度可以根据观测的气温资料由计算来确定，但对高速公路等一些重要的路面结构，最好在冻结最严重时期进行实测，以确定最大冻结深度。

置换深度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。

但考虑到冰害作用受积雪、除雪程度，日照等影响很大，所以置换率一般根据当地其体情况分析。

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。

4.2提高路基高度
根据实际情况加高路基，使路基上部土层远离地下或地表水面。

路基加高的数值，应根据当地冻土深度，路基土质和水文情况，以路基最小填土高度及临界高度确定，一般应保证路基处于干燥状态。

良好的路面路基排水可防止地面水或地下水侵入路基，使路基土体保持干燥，从而减少冻结时水分聚流的来源，这是预防和处理冻胀、翻浆的重要措施。

4.3铺设隔离层
隔离层设在路基顶面下0. 5 m ～0. 8 m处，它可以阻断毛细水上升通道，使其上部土基保持干燥，防止冻胀、翻浆发生。

它适用于地下水位低，但地面水位较高，不宜提高路基段。

隔离层按使用材料分为如下两类:
透水性隔离层用于透水性路面，材料采用碎石、砾石、粗砂或炉渣条，做成其厚度一般为10 cm～20 cm，为了防止淤塞，应在隔离层上面和下面分别铺设1 cm ～2 cm的泥炭、草皮或炉渣、石屑、针刺无纺布等透水性材料的防淤层。

隔离层底部应高出地面水20 cm以上，其路拱设为3%～4%，在路基边坡处用大块
碎砾石铺入路基50cm。

不透水隔离层用于非透水性路而，不透水隔离层用的材料有:1)沥青含量为8%～10%的沥青土或6%～8%的沥青砂，厚度一般为2. 5 cm～3. 0 cm; 2)直接喷洒厚度为2 mm～ 5 mm的沥青材料;3) 2层～3层油毡或塑料薄膜(在盐渍地不能用);4)复合土工膜、一布一膜即可。

4.4完善排水设施，设置路肩盲沟或渗沟
良好的路面路基排水可防止地面水或地下水侵人路基，使路基土体保持干燥，从而减轻冻结时水分聚流的来源，这是预防和处理地面水类和地下水类冻胀、翻浆的首要措施。

1）路肩盲沟，它适用于透水性好的路基翻浆地段，盲沟沿路线横向设置，与路中心线垂直，当路基纵坡大于1%时，盲沟应与路中心线顺下坡方向成60°～75°的交角，以利排水一般的，盲沟在路基两边交错排列，5 m～6 m设置一道，深为20 cm～40 cm，宽为40 cm左右，且用渗水性良好的碎(砾)石填充，沟底做成4%～5%的纵坡，它的出口应高出边沟水而30 cm，且适用于排除春融期间路基中的自由水。

2）排水渗沟，当地下水位较高时，可在边沟下设置盲沟或有管渗沟，拦截并排除流向路基的层间水，可采用截水渗沟。

4.5改善路基结构
1)铺设砂(砾)垫层:砂砾垫层因空隙大可以阻断地下的毛细水上升，化冻时能蓄水、排水，冰冻时体积变化小，同时砂垫层又可作为路而的一个加强基层，能提高道路的整体强度，将荷载进一步扩散，而减轻路基集中受力，避免翻浆发生。

2)铺设水泥稳定类，石灰稳定类或石灰工业废渣类垫(基)层，这类结构具有板体性好，水稳性和冻稳性，能提高路而的整体强度，起到缓减和防止路基冻胀和翻浆的作用，但石灰不宜用于重冰浆区潮湿路段。

3)设置防冻层:对于高级和次高级路而结构的总厚度要满足防冻层厚度的要求，以避免路基内出现较厚的聚冻带而产生导致路而开裂的不均匀冻胀，进一步产生翻浆。

4.6规范施工过程
施工质量控制是道路施工的关键因索，有一部分道路冻胀、翻浆现象的发生是由于在施工中没有严格按照规范施工造成的，只有在材料含水量在压实试验的界限范围内时，路堤的压实才能进行，超出或不到最佳含水量时不能填筑路基，必须采取相关措施使材料在最佳含水量附近进行填筑，同时做好试验工作。

5结束语
道路冻胀、翻浆现象是道路路面的病害之一，并且发生的频率和范围很大，我们只有正确分析掌握了路面冻胀、翻浆现象的成因，对每项道路工程从设计到施工都依据科学，运用合理可行的方法进行设计和施工，施工前做好地质勘查工作，充分考虑路线经过地段的土质、水文及地质等情况，考虑该地区的气候、温度、地质、地理等情况。

在施工过程中讲求科学的施工艺，才能减少冻胀、翻浆对道路的影响，保障我国公路建设的可持续发展。

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