【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]路基會產(chǎn)生非常不均勻的凍脹現(xiàn)象，會引起路基變形和開裂，會導(dǎo)致路面開裂。到春季融化，路面便會出現(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行造成了安全隱患，同時也額外增大了公路的養(yǎng)護(hù)費用，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（ 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)的凍土長年觀測站。 1966 年，在蘭州建成了我國第一個頗具規(guī)模的凍土低溫實驗室。 60 年代中葉至 70 年代中葉的十年間，做了許多的現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)外的試驗、觀測和研究工作，積累了許多科學(xué)資料。 80 年代至 90 年時代，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價指標(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”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”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，我國開始對凍脹進(jìn)行研究，經(jīng)過半個多世紀(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)凍脹試驗及對野外道路的實際調(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 個凍土觀測場，進(jìn)行凍脹試驗和觀測。 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新的臺階，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)向了對凍脹機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 實驗研究》。 在 1997 年的“國際地層凍結(jié)和凍結(jié)作用研討會”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”上，中國學(xué)者高偉對路基材料的凍脹規(guī)律進(jìn)行了對比；陳湘生等建立了地基凍脹融沉的試驗?zāi)Ｐ?；李萍和何平等對飽和土的水熱力場以及凍結(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行造成了安全隱患，同時也額外的增大了公路的養(yǎng)護(hù)費用，給公路工程帶來了巨大的危害，同時給國民濟(jì)造成了重大的損失。本章通過對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。道路的凍脹會使路基產(chǎn)生不均勻的凍脹，會使路基變形開裂，導(dǎo)致柔性路面鼓包、開裂；還會導(dǎo)致剛性路面折斷或者錯縫，道路的凍脹還會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)致密實度大大 減減小。因而使這部分路基、路面的強度大大降低。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）。 道路凍脹機理 及影響因素 道路凍脹機理 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為凍結(jié)時土中水分向凍結(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，研究的主要對象是毛細(xì)水和薄膜水（弱結(jié)合水）。因此，路基土凍脹的機制為毛細(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 ?這主要是因為土中的毛細(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，我們就可以看到水會沿著毛細(xì)管上升。那么，毛細(xì)水為什么會上升呢？這主要是因為水與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成為球狀的原因。另一方面是因為毛細(xì)管管壁的分子和水分子之間有引力的作用，這個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)的時候，毛細(xì)管內(nèi)水面的彎曲面就會互相連接，便會形成內(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，因為濕潤現(xiàn)象使彎液面呈現(xiàn)內(nèi)凹的形狀時，水珠的表面積就大大增大了，這時因為管壁與水分子之間的引力比較大，就會使管內(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，水與管壁之間的濕潤現(xiàn)象又會使水柱表面變?yōu)閮?nèi)凹的彎液面形狀。就是因為這樣不停地反復(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理。 所以當(dāng)填筑路基的土顆粒比較細(xì)時，像粉土或者粘土土質(zhì)，土顆粒間的細(xì)微孔隙就會形成無數(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，便會形成土層中的毛細(xì)水帶，如圖 25 所示。 道路凍脹翻漿的成因與處理方法