【正文】 小興安嶺、松嫩平原北部及高山地帶和青藏高原上，并且零星分布在季節(jié)性凍土區(qū)內(nèi)的一些高原上，總面積約占 215 萬 km2,占全國面積的 %。 [2]我國凍土分布情況如圖 1— 1 所示。 圖 11 中國凍土的分布 在凍土地區(qū)，由于土中水的凍結(jié)和融化，常會(huì)發(fā)生一些奇特的凍土現(xiàn)象。例如，隨 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 2 著大氣溫度的降低，土體的溫度下降到 0℃或 0℃以下，土體就會(huì)發(fā)生凍 結(jié)，產(chǎn)生冰晶體，使土體的體積膨脹，引起變形，這便是凍脹現(xiàn)象。而到了春季以后，隨著溫度的回升，凍結(jié)的土體便開始從上層融化。但下層的凍土層并沒有溶解，水分就無法往下滲透，使土體中的水含量大大增加，致使強(qiáng)度下降。一旦冰浸入土體中消融成水，而土體又未能完全排水固結(jié)，就會(huì)使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生沉陷變形及道路融沉、翻漿等現(xiàn)象。 [3]路基會(huì)產(chǎn)生非常不均勻的凍脹現(xiàn)象，會(huì)引起路基變形和開裂，會(huì)導(dǎo)致路面開裂。到春季融化，路面便會(huì)出現(xiàn)裂縫、車轍、斷碎、冒泥翻漿、沉陷、鼓包（拱起）等病害（如圖 1— 2)。由此 可知，路基的凍害現(xiàn)象到處皆是，因此工程中迫切需要專門的、有效的措施，以防治由于路基凍結(jié)、融化引起的病害問題。這些道路病害不僅會(huì)降低或破壞路面的平穩(wěn)度，影響行車的安全和車輛的正常通行，還會(huì)極大地縮短道路的使用壽命。 圖 12 道路病害圖 圖 12 道路病害 不管是道路的凍結(jié)還是融化，都會(huì)造成路面平穩(wěn)度的降低甚至是破壞，嚴(yán)重的威脅著工程和建筑物的安全和穩(wěn)定，特別是給公路尤其是高速公路的正常運(yùn)行造成了安全隱患，同時(shí)也額外增大了公路的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，給公路工程建設(shè)帶來了巨大的危害，給國民經(jīng)濟(jì)造成了 重大的損失。據(jù)公路管理部門多年的統(tǒng)計(jì)資料表明，我國北方地區(qū)公路病害的70%以上都是由凍脹和翻漿造成的。且近幾年來，由于超載車輛等頻繁的出現(xiàn)，更加劇 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 3 了這種病害的程度。因此，研究凍土及凍土區(qū)的道路路基意義重大。 國內(nèi)外凍土研究概況 凍土研究概況 國外凍土研究概況 凍土的研究開始于十六世紀(jì)，關(guān)于凍土的研究是在凍土區(qū)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生產(chǎn)實(shí)踐中產(chǎn)生和發(fā)展起來的。凍土學(xué)首先是在前蘇聯(lián)發(fā)展成為獨(dú)立的一門學(xué)科。十八世紀(jì)中期，“凍土地”的綜述。十九世紀(jì)中前期，人們就初步獲得了關(guān)于西伯利 亞凍土層的厚度、溫度、分布情況和埋藏條件的資料。 十九世紀(jì)中后期，由于西伯利亞工農(nóng)業(yè)的發(fā)展以及人口的大量遷移，尤其是西伯利亞鐵路的修建，推動(dòng)了關(guān)于凍土的研究。在這期間，出版了很多有關(guān)凍土的文獻(xiàn)集書籍。例如， 1895 年俄國地理協(xié)會(huì)出版了 《西伯利亞凍土研究指南》， 1889 年出版了《論西伯利亞的永久凍土》報(bào)告 。1912 年出版了《永久凍土與永久凍土上的建筑物》等等。其中，1927 年 《蘇聯(lián)境內(nèi)永久凍結(jié)土壤》的出版標(biāo)志著凍土學(xué)已成為一門獨(dú)立的學(xué)科。 第二世界大戰(zhàn)前，北美在多年凍土地區(qū)開采金礦； 1961 年 ，美國陸軍成立了寒區(qū)研究和工程試驗(yàn)室； 60 年代末在北極海發(fā)現(xiàn)大量石油； 70 年代阿拉斯加石油管道的修建。以上事件都極大地促進(jìn)了凍土研究的快速發(fā)展。 1963 年第一屆國際凍土大會(huì)（ ICOP0)的召開，標(biāo)志著關(guān)于凍土的研究進(jìn)入了嶄新的階段。此后國際凍土大會(huì)每 5 年舉行一次更加加快了關(guān)于凍土研究的步伐。 國內(nèi)凍土研究概況 在春秋戰(zhàn)國時(shí)期，就出現(xiàn)了關(guān)于季節(jié)性凍土凍結(jié)和融化的記載；三國時(shí)期，古人已開始采用凍結(jié)法施工。 新中國成立以后的十年（ 19491959）是凍土研究的騰飛階段。 1960 年，中國科學(xué)院成立了凍土研究 組和鐵道部高原鐵路研究所共同開展青藏公路沿線的凍土考察。 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 4 19631964 年，中國建立了世界上海拔最高（ 4950m)的凍土長年觀測(cè)站。 1966 年，在蘭州建成了我國第一個(gè)頗具規(guī)模的凍土低溫實(shí)驗(yàn)室。 60 年代中葉至 70 年代中葉的十年間，做了許多的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和室內(nèi)外的試驗(yàn)、觀測(cè)和研究工作，積累了許多科學(xué)資料。 80 年代至 90 年時(shí)代，主要進(jìn)行了我國凍土的分布填圖、凍土工程和凍土勘測(cè)等。 1990 年《中國凍土》一書的出版反映了我國 30 多年來凍土研究的進(jìn)展。雖然我國凍土研究的起步較晚，但是發(fā)展的特別快。目前，我國的凍土研 究在國際上也占有重要地位。 國內(nèi)外關(guān)于道路凍脹翻漿研究概況 國外研究概況 早在 17 世紀(jì)后葉，人們就注意到了路基土的凍脹這一自然現(xiàn)象。 1885 年，俄羅斯學(xué)者斯圖金伯格提出了“凍土水分遷移假說”。 1916 年，美國學(xué)者泰伯提出了將毛細(xì)管水上升高度作為路基土凍脹性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。 1957 年，美國學(xué)者潘納將土中水分遷移和冰析出同土的孔隙和分散程度緊密的聯(lián)系起來。 1973 年，前蘇聯(lián)學(xué)者崔托維奇 《凍土力學(xué)》一書的出版，標(biāo)志著凍土研究進(jìn)入了一個(gè)嶄新 的發(fā)展階段。 80 年代初期，O’Nelilletal 首先提出了剛性冰 模型。 90 年代以來， Fremond 提出熱力學(xué)模型。 1997 年，在“國際地層凍結(jié)和凍結(jié)作用研討會(huì)”上，日本學(xué)者 Yoshiki Miyata 提出了宏觀凍脹理論。 20xx 年在“國際地層凍結(jié)和凍結(jié)作用研討會(huì)”上， Akagawa 提出了靜態(tài)凍脹控制理論。 國內(nèi)研究概況 從 20 世紀(jì) 50 年代末期，我國開始對(duì)凍脹進(jìn)行研究，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)凍土研究工作者的努力，在凍脹研究領(lǐng)域取得了豐碩的成果。 50 年代末期，通過室內(nèi)凍脹試驗(yàn)及對(duì)野外道路的實(shí)際調(diào)查來分析凍脹破壞的原因。60 年代，中國分別在東北、華北、西北河青藏高原地區(qū)建立了十 個(gè)凍土觀測(cè)場(chǎng)，進(jìn)行凍脹試驗(yàn)和觀測(cè)。 70 年代中期到 90 年代，由于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，使得道路建設(shè)與 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 5 科研工作都上了一個(gè)新的臺(tái)階，先進(jìn)的科技手段和科研設(shè)備使研究工作更加細(xì)致和深入，在理論和實(shí)踐方面都有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。 80 年代，凍脹研究工作轉(zhuǎn)向了對(duì)凍脹機(jī)理和凍脹防治措施的研究。 1983 年，趙文龍出版了《鐵路路基凍害及防治》； 1985 年，管楓年，童長江出版了《土的凍脹與建筑物凍害防治》； 1989 年，中國科學(xué)院蘭州凍土研究所出版了《凍土的溫度水分應(yīng)力及其相互作用》； 991 年，鄧友生，徐學(xué)祖等出版了《凍土中水分遷移 實(shí)驗(yàn)研究》。 在 1997 年的“國際地層凍結(jié)和凍結(jié)作用研討會(huì)”上，中國學(xué)者徐學(xué)祖等提出了凍結(jié)緣的厚度取決于凍脹速度和凍結(jié)速度，且有隨凍結(jié)歷時(shí)增大、恒定和減小 3 中模式。 在 20xx 年的“國際地層凍結(jié)和凍結(jié)作用研討會(huì)”上，中國學(xué)者高偉對(duì)路基材料的凍脹規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比；陳湘生等建立了地基凍脹融沉的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?；李萍和何平等?duì)飽和土的水熱力場(chǎng)以及凍結(jié)現(xiàn)象特征進(jìn)行了研究。 在 20xx 年第八屆國際凍土大會(huì)上，我國凍土專家程國棟院士提出了保護(hù)鐵路路基穩(wěn)定性的工程措施。 以上的研究成果，基本上代表了目前我國凍脹研究的現(xiàn)狀。 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 6 第二章 道路凍脹翻漿成因的分析 在我國北方地區(qū)道路凍脹翻漿是最大的公路病害，嚴(yán)重的威脅著工程建筑物的安全與穩(wěn)定，特別是給公路尤其是高速公路的正常運(yùn)行造成了安全隱患，同時(shí)也額外的增大了公路的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，給公路工程帶來了巨大的危害，同時(shí)給國民濟(jì)造成了重大的損失。本章通過對(duì)道路凍脹翻漿成因的進(jìn)行分析，希望能為工程技術(shù)人員提供處理該病害的技術(shù)支持。 道路凍脹產(chǎn)生的危害 所謂的道路凍脹，主要是冬季在路基土中沿著溫度的降低方向生成冰晶形狀的霜柱，使路面上隆起的一種現(xiàn)象。 [4] 圖 23 道路病害圖 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 7 道路的凍脹在道路工程中危害是比較大的，特別是給道路工程中的路基路面結(jié)構(gòu)造成了很大的破壞。道路的凍脹會(huì)使路基產(chǎn)生不均勻的凍脹，會(huì)使路基變形開裂，導(dǎo)致柔性路面鼓包、開裂；還會(huì)導(dǎo)致剛性路面折斷或者錯(cuò)縫，道路的凍脹還會(huì)是修建在該路基上面的建筑物像擋土墻、護(hù)坡等被抬起，造成建筑物的開裂、傾斜甚至倒塌。 到了春融期，在季節(jié)性凍土地區(qū)，冰凍去就開始解凍、融化，使附近的土處于飽和狀態(tài)。并且，冰凍區(qū)的細(xì)粒土排水能力十分的差，融解的水被未解凍土層阻擋，很難繼續(xù)向下滲透，導(dǎo)致密實(shí)度大大 減減小。因而使這部分路基、路面的強(qiáng)度大大降低。當(dāng)?shù)缆诽幱谶@種狀態(tài)，在來往車輛的反復(fù)碾壓下，路面便會(huì)處于開裂、車轍、斷裂、冒泥翻漿、沉陷等病害（如圖 2— 3）。 道路凍脹機(jī)理 及影響因素 道路凍脹機(jī)理 凍脹可分為原位凍脹和分凝凍脹兩類。 [5]凍脹是指凍結(jié)鋒面前進(jìn)過程和已凍土繼續(xù)降溫過程中，正凍土中的孔隙水或已凍土中的未凍水原位凍結(jié)，造成體積增大，而當(dāng)土體凍結(jié)以后，由于土顆粒表面能的作用，土中始終存在未凍結(jié)的薄膜水，在溫度梯度的誘導(dǎo)下，薄膜水會(huì)從溫度高出向溫度低處遷移，正是由于水的抽吸作用使水分集聚 在前進(jìn)的凍結(jié)鋒面后方并凍結(jié)，分凝成冰透鏡體，這一過程稱為分凝凍脹。 [6] 凍脹的實(shí)質(zhì)就是凍土中水分遷移引起的宏觀表現(xiàn)。也就是說土發(fā)生凍脹的根本原因是因?yàn)閮鼋Y(jié)時(shí)土中水分向凍結(jié)區(qū)遷移和積聚的結(jié)果。路基土中水分遷移主要發(fā)生在地表淺層的非飽和地帶中，研究的主要對(duì)象是毛細(xì)水和薄膜水（弱結(jié)合水）。因此，路基土凍脹的機(jī)制為毛細(xì)水和薄膜水遷移引起的土體凍脹。 下面我們來探討一下土中水分的遷移是怎樣發(fā)生的 ?這主要是因?yàn)橥林械拿?xì)現(xiàn)象所致。土的毛細(xì)現(xiàn)象是指土中的水在表面張力的作用下，沿著比較細(xì)的孔隙向上及其它方向移動(dòng)的現(xiàn)象。像 這種細(xì)微孔隙中的水就被稱為毛細(xì)水。為了更直觀的了解土中毛細(xì)水的上升情況，我們可以借助水在毛細(xì)管內(nèi)上升的現(xiàn)象來加以說明，如圖 24 所示。 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 8 圖 24 毛細(xì)管內(nèi)水柱的上升 當(dāng)我們把一根毛細(xì)管插入水中時(shí)，我們就可以看到水會(huì)沿著毛細(xì)管上升。那么，毛細(xì)水為什么會(huì)上升呢？這主要是因?yàn)樗c空氣的分界面上存在著表面張力，液體總是想方設(shè)法的縮小自己的表面積，以便可以使表面自由能變的最小，這也是一滴水珠總是會(huì)成為球狀的原因。另一方面是因?yàn)槊?xì)管管壁的分子和水分子之間有引力的作用，這個(gè)引力使與管壁接觸的水面呈向 上的彎曲狀，這種現(xiàn)象被稱為濕潤現(xiàn)象。當(dāng)毛細(xì)管的直徑比較細(xì)的時(shí)候，毛細(xì)管內(nèi)水面的彎曲面就會(huì)互相連接，便會(huì)形成內(nèi)凹的彎液面形狀，這種內(nèi)凹的液面可以說明，管壁和液體之間是相互吸引的。毛細(xì)管內(nèi)的水柱，因?yàn)闈駶櫖F(xiàn)象使彎液面呈現(xiàn)內(nèi)凹的形狀時(shí)，水珠的表面積就大大增大了，這時(shí)因?yàn)楣鼙谂c水分子之間的引力比較大，就會(huì)使管內(nèi)的水珠上升，改變彎液面形狀，縮小水柱的表面積，降低水柱表面的自由能。但是，當(dāng)水柱上升改變彎液面形狀的同時(shí)，水與管壁之間的濕潤現(xiàn)象又會(huì)使水柱表面變?yōu)閮?nèi)凹的彎液面形狀。就是因?yàn)檫@樣不停地反復(fù)，使毛細(xì)管內(nèi)的水柱不斷 地上升，直到升高的水柱重力和水分子與管壁之間的引力產(chǎn)生的上舉力平衡為止。這便是土中水分遷移的機(jī)理。 所以當(dāng)填筑路基的土顆粒比較細(xì)時(shí)，像粉土或者粘土土質(zhì)，土顆粒間的細(xì)微孔隙就會(huì)形成無數(shù)的毛細(xì)管通道，土中的水在表面張力的作用下，沿著比較細(xì)的 孔隙向上移動(dòng)，便會(huì)形成土層中的毛細(xì)水帶，如圖 25 所示。 道路凍脹翻漿的成因與處理方法