【正文】 究指南》， 1889 年出版了《論西伯利亞的永久凍土》報告 。十八世紀中期，“凍土地”的綜述。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。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。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。 [2]我國凍土分布情況如圖 1— 1 所示。 凍土覆蓋著全球陸地表面特別大的面積，它是凍圈層的重要組成部分，地球上多年凍土、季節(jié)凍土和瞬時凍土區(qū)的面積約占陸地面積的 50%。凍土 。 道路凍脹翻漿是多種因素綜合作用的結(jié)果，其中土質(zhì)、水、溫度和路面是導致道路凍脹翻漿現(xiàn)象產(chǎn)生的基本條件。 黑龍江大學 論文題目： 道路凍脹翻漿的成因及處理方法 學 院： 建筑工程學院 年 級： 20xx 級 專 業(yè)： 土木工程 姓 名： 王燈洋 學 號： 20xx1870 指導教師： 王莉 I 摘要 道路凍脹翻漿是凍土區(qū)最大的公路病害，嚴重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)護費用，給公路工程帶來了巨大的危害，同時給國民濟造成了重 大的損失。進而研究了道路凍脹翻漿產(chǎn)生的機理，道路的翻漿是伴隨道路凍脹發(fā)生的，道路的凍脹是道路翻漿形成過程中一個十分重要的發(fā)展階段，了所以說道路的凍脹與翻漿是統(tǒng)一過程的兩個階段且道路的凍脹與翻漿既具有一致性又有差異性。 關(guān)鍵詞 道路凍脹翻漿 。根據(jù)凍土存在的時間長短，凍土可以分為瞬時凍土（幾個小時、幾天至半月）、季節(jié)凍土（半月至數(shù)月）以及多年凍土（兩年或兩年以上）。其中長期處于凍結(jié)狀態(tài)的多年凍土主要分布在東北大、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 %。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。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)。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。凍土學首先是在前蘇聯(lián)發(fā)展成為獨立的一門學科。在這期間，出版了很多有關(guān)凍土的文獻集書籍。 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。 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。 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。雖然我國凍土研究的起步較晚，但是發(fā)展的特別快。 1916 年，美國學者泰伯提出了將毛細管水上升高度作為路基土凍脹性的評價指標。 90 年代以來， Fremond 提出熱力學模型。 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。 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，中國科學院蘭州凍土研究所出版了《凍土的溫度水分應力及其相互作用》； 991 年，鄧友生，徐學祖等出版了《凍土中水分遷移 實驗研究》。 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。 [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。因而使這部分路基、路面的強度大大降低。 [6] 凍脹的實質(zhì)就是凍土中水分遷移引起的宏觀表現(xiàn)。 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現(xiàn)象所致。 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 8 圖 24 毛細管內(nèi)水柱的上升 當我們把一根毛細管插入水中時，我們就可以看到水會沿著毛細管上升。毛細管內(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。 所以當填筑路基的土顆粒比較細時，像粉土或者粘土土質(zhì)，土顆粒間的細微孔隙就會形成無數(shù)的毛細管通道，土中的水在表面張力的作用下，沿著比較細的 孔隙向上移動，便會形成土層中的毛細水帶，如圖 25 所示。這樣，周而復始不停地往復，在凍結(jié)鋒面上的冰晶體就會不斷地增長。因為凍結(jié)鋒面上得不到水分的補給就會破壞了其熱平衡狀態(tài)，隨著土體溫度的不斷下降，凍結(jié)線就會繼續(xù)往下移動。 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(chǎn)生 當毛細水源源不斷地上升時，凍結(jié)層內(nèi)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(jié)層內(nèi)形成了“聚冰層”和“冰夾層”。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。 圖 28 路基土的分類 道路凍脹現(xiàn)象通常發(fā)生在比較細的土中，特別是粉質(zhì)土、粘性土。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(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。大氣的溫度在冰凍季節(jié)比較緩慢的下降，凍結(jié)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(qū)遷移積聚，從而就會形成非常嚴重的道路凍脹和翻漿現(xiàn)象。那么道路的凍脹就會較輕或者不發(fā)生道路凍脹現(xiàn)象。 凍脹現(xiàn)象可以分為強烈凍脹和輕微凍脹。雖然，道路的輕微凍脹對路面結(jié)構(gòu)造成不了太大的破壞。當冰凍季節(jié)到來時，路表積水就會凍結(jié)，隨著氣溫的繼續(xù)不斷下降，土層中沒有凍結(jié)的水分會向表層的冰凍區(qū)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。 路面 道路的凍脹和翻漿都是通過路面的變形破壞表現(xiàn)出來的。所以說水是造成道路翻漿的根本原因。 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。又因為黑色的瀝青路面吸熱能力特別的強，使路基內(nèi)土體中的“聚冰層”和“冰夾層”開始融化。 綜上所述，道路的翻漿機理是因為冬季開始凍結(jié)時，水份發(fā)生遷移、集聚，集中在路面以下不太深的范圍內(nèi)，形成了“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(xiàn)象。 溫度 道路中土體只有在一定的負溫下才會發(fā)生凍結(jié)和凍脹，而凍結(jié)深度又與冰凍指數(shù)有著密切的關(guān)系。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。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(chǎn)生道路翻漿現(xiàn)象。 [10]所以道路翻漿和路面是密切相關(guān)的。 其它 沒有隔離層或穩(wěn)定層的路面結(jié)構(gòu)，且路面厚度特別大時，道路的翻漿程度就會較輕，或者不發(fā)生道路翻漿現(xiàn)象。 （ 2）一致性與差異性 [12] 一般的情況下，道路凍脹大的路段，土基的聚冰就比較多。這就是道路凍脹與翻漿的一致性。其主要原因是雖然土基中“聚冰層”和“冰夾層”比較薄，但是卻位于土基的上部。 [13] 小結(jié) 在我國北方地區(qū)，道路凍脹翻漿是最大的公路病害。 道路翻漿大多是在冬季道路形成凍脹的基礎上，道路春融期，經(jīng)過行車荷載的作用最終表現(xiàn)出來的。 [14] 防治道路凍脹翻漿應根據(jù)道路凍脹翻漿的類型、程度和地區(qū)特點，以因 地制宜、就地取材和路基路面綜 合設計的原則，提出最為合理的方案。 對于次高級和高級路面，除按強度進行結(jié)構(gòu)層設計外，還要按防治凍脹翻漿的要求進行復核。所以，為了防止道路凍脹翻漿破壞作用的產(chǎn)生，只要消除這幾個主要影響因素中的其中一個，就能達到道路凍脹翻漿的防治目的。 [16] 加強路基排水 道路凍脹翻漿產(chǎn)生過程的實質(zhì)就是水在嗎路基土中的遷移和想變得過程。 提高壓實度 提高路基土體的壓實度是防止道路產(chǎn)生凍脹和翻漿十分有效的方法。路基土層要分層碾壓，特別是在季節(jié)性凍土地區(qū)，提高路基的壓實度可以降低路基土層中毛細水的上升高度，從而減輕因為負溫差作用引起的水分聚積。所以，在季節(jié)性凍土區(qū)提高路基的壓實度對減輕道路的凍脹翻漿現(xiàn)象極為有效。 路槽排水 道路凍脹翻漿是誰在路基中的遷移和溫度相變的綜合作用的結(jié)果，而路基附近的地下水、地表水和降水能提供足夠的水份從而導致道路凍脹翻漿的發(fā)生 。依據(jù)路基土層的干濕情況可以選用 15 至 30 ㎝厚的粗砂、中砂或者礫砂，如圖 312 所示。但需要注意兩個問題，第一個問題是隔離層應該設置在什么位置，應該距路面多深；第二個問題是怎樣保持路基土層排水的通暢，不使隔離層 內(nèi)形成局部蓄水狀況，從而導致產(chǎn)生不均勻凍脹。 [21] （二）不透水性隔離層 不透水的隔離層一般用兩層油氈紙中間夾渣油和土拌合、瀝青和土拌合或瀝青等材料，或采用柏油、瀝青、油氈紙、塑料薄膜、不透水土工布等材料。 泡沫隔穩(wěn)材料宜鋪設在路床與路基層之間，在泡沫隔溫層的上、下面鋪設 5 ㎝厚粒徑約 1 ㎝的砂礫層。 [23] 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 23 道路凍脹翻漿處理方法工程實例 上一節(jié)我們從理論方面提出了道路凍脹翻漿的幾個處理方法。上凍期，砂墊層具有隔離水的作用；春融期，砂墊層具有排水（蓄水）、均勻傳遞和分布荷載的作用。而砂墊層的上層和中層的含水量均比下層小。 遼寧沈大贛的兩路段的調(diào)查結(jié)果，同樣的表明在春融期，砂墊層的蓄水量十分的小，最大才打到 %，土基上部的相對含水量也只是減少了 。砂墊層中盡量使用中砂和粗砂，不得以的情況下也 可以使用細砂，但要求細砂中無任何雜質(zhì)特別是泥土等。因為土工合成材料具有排水作用和防護作用 （防護凍土地區(qū)地下排水構(gòu)筑物的防凍和地下水的冰凍）。 經(jīng)運營，目前該路段路基使用情況良好，無道路凍脹翻漿等不良現(xiàn)象的產(chǎn)生。 1963 年 7 月，東北片區(qū)道路翻漿防治座談會上提出了石灰土適用范圍和設計參數(shù)，肯定了石灰土的防治翻漿的作用。說明石灰土防治道路凍脹翻漿的產(chǎn)生是十分有效的措施。 復合土工膜隔斷層施工技術(shù)是在路基施工工藝與現(xiàn)代的土工合成材料結(jié)合發(fā)展起來的。但當施工單位開挖至換填處時，發(fā)現(xiàn)有大量地下水露出。施工效果圖如圖 3— 1圖 3— 16 所示。所以在治理道路凍脹翻漿方面，復合土工膜得到了廣泛的應用。 工程實例 ： 某公路路段經(jīng)過草原沼澤地區(qū)，路基土從下往上依次分布著：基巖 —— 砂礫土 ——細中砂 —— 黏土 —— 粉土 —— 泥炭土 —— 草甸土。該公路技術(shù)等級三級，設計行車速度為30km/h，路基設計高度為 米，路基填料為碎石土，強度比較低。 圖 3— 17泡沫隔溫板施工圖 通車半年后將埋置的隔溫板取出進行檢測，結(jié)果表明 ： 隔溫板厚度變化小于 1 ㎜。 防治原則：預防為主，防治結(jié)合。 提高路基土體的壓實度是防止道路產(chǎn)生凍脹翻漿十分有效的方法。本論文從最初的選題、中期的修改到最