【正文】 本論文從最初的選題、中期的修改到最后的完成。 防治原則：預(yù)防為主，防治結(jié)合。該公路技術(shù)等級三級，設(shè)計(jì)行車速度為30km/h，路基設(shè)計(jì)高度為 米，路基填料為碎石土，強(qiáng)度比較低。所以在治理道路凍脹翻漿方面，復(fù)合土工膜得到了廣泛的應(yīng)用。但當(dāng)施工單位開挖至換填處時(shí)，發(fā)現(xiàn)有大量地下水露出。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。 經(jīng)運(yùn)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。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(xì)砂，但要求細(xì)砂中無任何雜質(zhì)特別是泥土等。而砂墊層的上層和中層的含水量均比下層小。 [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(shí)例 上一節(jié)我們從理論方面提出了道路凍脹翻漿的幾個(gè)處理方法。 [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?yàn)r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。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。所以，在季節(jié)性凍土區(qū)提高路基的壓實(shí)度對減輕道路的凍脹翻漿現(xiàn)象極為有效。 提高壓實(shí)度 提高路基土體的壓實(shí)度是防止道路產(chǎn)生凍脹和翻漿十分有效的方法。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(gè)主要影響因素中的其中一個(gè)，就能達(dá)到道路凍脹翻漿的防治目的。 [14] 防治道路凍脹翻漿應(yīng)根據(jù)道路凍脹翻漿的類型、程度和地區(qū)特點(diǎn)，以因 地制宜、就地取材和路基路面綜 合設(shè)計(jì)的原則，提出最為合理的方案。 [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。這就是道路凍脹與翻漿的一致性。 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(shí)，道路的翻漿程度就會較輕，或者不發(fā)生道路翻漿現(xiàn)象。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。 溫度 道路中土體只有在一定的負(fù)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。 綜上所述，道路的翻漿機(jī)理是因?yàn)槎鹃_始凍結(jié)時(shí)，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”。 圖 29 路基水來源 同時(shí)，在路面尤其是黑色的瀝青路面上，由于路面導(dǎo)溫性能比路肩土要好得多，所以當(dāng)冬天來臨時(shí)，路面下的土比路兩旁路肩下的土冷的要快，所以凍得早。 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。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。那么道路的凍脹就會較輕或者不發(fā)生道路凍脹現(xiàn)象。含粉土、粘土成分少的砂石、碎石等，通過實(shí)驗(yàn)證明基本上不產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。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。因?yàn)閮鼋Y(jié)鋒面上得不到水分的補(bǔ)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。 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 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沿著毛細(xì)管上升。 [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)。 [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。 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》。 90 年代以來， Fremond 提出熱力學(xué)模型。雖然我國凍土研究的起步較晚，但是發(fā)展的特別快。 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。在這期間，出版了很多有關(guān)凍土的文獻(xiàn)集書籍。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。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。根據(jù)凍土存在的時(shí)間長短，凍土可以分為瞬時(shí)凍土（幾個(gè)小時(shí)、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）。進(jìn)而研究了道路凍脹翻漿產(chǎn)生的機(jī)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(gè)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(gè)階段且道路的凍脹與翻漿既具有一致性又有差異性。 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(dǎo)致道路凍脹翻漿現(xiàn)象產(chǎn)生的基本條件。 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(shí)凍土區(qū)的面積約占陸地面積的 50%。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。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。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(bào)告 。 新中國成立以后的十年（ 19491959）是凍土研究的騰飛階段。目前，我國的凍土研 究在國際上也占有重要地位。 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。 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(shí)增大、恒定和減小 3 中模式。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(cuò)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。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。那么，毛細(xì)水為什么會上升呢？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成為球狀的原因。 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 9 圖 25 土中的毛細(xì)水帶 路基土體凍脹主要和三個(gè)過程有關(guān)，以下便詳細(xì)分析路基土體凍脹過程。當(dāng)?shù)竭_(dá)土體含水量較多、水分補(bǔ)給比較充裕的 地帶，就會出現(xiàn)新的熱平衡狀態(tài)，凍結(jié)線此時(shí)就會緩慢地停止移動，這時(shí)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）。 [7]以土的分散性作為決定路基土體凍結(jié)時(shí)水分遷移和土體凍結(jié)強(qiáng)度的一個(gè)基本因素。 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 12 溫度 合適的冰凍指數(shù)和 凍結(jié)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(shù)或凍結(jié)深度道路是很難形成凍脹和翻漿的。 水 道路發(fā)生凍脹時(shí)，水分的遷移和積聚是構(gòu)成道路凍脹的主要因素。但是，經(jīng)過多年的道路凍脹以后 ，也會影響道路的結(jié)構(gòu)和正常使用。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。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(jié)的土中水分， 也都會向路面下已凍結(jié)土壤中聚集，這也是路基水的來源之一，如圖 210 所示。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(qiáng)度大大下降，在行車荷載的作用下 ，便最終導(dǎo)致道路出現(xiàn)翻漿現(xiàn)象。一般來說，凍結(jié)指數(shù)和凍結(jié)深度成正比關(guān)系。如果不僅具備了產(chǎn)生道路翻漿的條件，而且在 翻漿季節(jié)交通量特別大，則產(chǎn)生的道路翻漿現(xiàn)象也會特別嚴(yán)重。 道路凍脹與翻漿的關(guān)系 （ 1）統(tǒng)一過程的兩個(gè)階段 [11] 道路的凍脹與翻漿是一個(gè)凍結(jié)與融化的過程中病害的兩種不同的反應(yīng)。但是也有差異 性的情況。本章主要分析了道路凍脹翻漿的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素。 防止地表水、地下水或其它的水份在路基凍結(jié)前、凍結(jié)過程中和路面表層融化滲入路基土體中，是防治道路凍脹翻漿的最根本的途徑。道路凍脹翻漿的防治措施可以歸納為以下幾種： 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 19 提高路基填土高度 提高路基的填土高度是一種非常簡便易行、非常經(jīng)濟(jì)且效果十分顯著的常用措施。由室內(nèi)試驗(yàn)和路基試驗(yàn)表明，非飽和細(xì)粒土體中，有一段壓實(shí)區(qū)間對凍脹十分的敏感。 改變路基填料 路基的填料問題，是解決道路凍脹翻漿問題的關(guān)鍵。 圖 312 砂墊層構(gòu)造圖 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 21 （ 2）在坡腰（道路縱坡大于 3%）路段，如果路面基層選用透水性比較好的材料時(shí)，為了使透水層內(nèi)的縱向水 和路基融化的多余水分及時(shí)的排出，在路槽下，可以通過設(shè)置橫向盲溝的方法進(jìn)行解決，如圖 313 所示。 鋪設(shè)隔溫層 在重凍層，如果有條件可以采用鋪設(shè)高效隔穩(wěn)材料的方法，來減小路基土層的凍結(jié)深度或者防止路基土層的凍結(jié)現(xiàn)象，隔溫材料要選擇導(dǎo)熱性能差、傳導(dǎo)率小的材料。為了更加直觀的了解道路凍脹翻漿的處理 方法及這些方法的作用效果，我們列舉了幾個(gè)比較有代表性的處理道路凍脹翻漿的工程實(shí)例。比如，第三段在 1963 年融期的最大含水量才達(dá)到 %（融期與凍期平均的含水量之差）。 土工和成材料在路基工程中的應(yīng)用 土工合成材料是人工合成的聚合物、一種新型的巖土工程材料。通過路基基底鋪設(shè)土工合成材料，地下水可以得到 有效的處理。 復(fù)合土工膜處理道路凍脹翻漿的應(yīng)用 復(fù)合土工膜是由土工織物和土工膜復(fù)合而成的材料。路床換填面以下的大部分為透水性比較強(qiáng)的砂粘土，部分為粉性粘土。 道路凍脹翻漿的成因與處理方法 26 泡沫隔溫技術(shù)在道路凍脹翻漿防治中的應(yīng)用 泡沫隔溫板有良好的隔溫效果，它的吸水率極低，將泡沫隔溫板鋪設(shè)在路基土體中，隔溫板下的溫度大于 0℃，因此可以很好地防治道路凍脹翻漿的產(chǎn)生。 因?yàn)槟嗵客梁筒莸橥恋膹?qiáng)吸水性，且路堤高度較低，經(jīng)過大荷載車輛的反復(fù)碾壓，到了每年的春融期，路面都會出現(xiàn)嚴(yán)重的翻漿現(xiàn)象。路線盡可能的選 擇干燥路段，但當(dāng)路線必須經(jīng)過不良地段時(shí)，應(yīng)采取必要的防治措施。每一步都是在導(dǎo)師的認(rèn)真指導(dǎo)下完成的，傾注了導(dǎo)師大量的心血。導(dǎo)師精益求精的工作作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的專業(yè)知識對我的影響極其深遠(yuǎn)。 小結(jié) 在充分了解了道路凍脹翻漿機(jī)理和影響因素的前提下，本章承上啟下，結(jié)合實(shí)際工程提出了道路凍脹翻漿的治理措施。 該公路所在地區(qū)年降水量在 500 至 700 ㎜，年平均氣溫為 2℃左右，最大凍土深度可達(dá) 108 ㎝，凍土持續(xù)時(shí)間可達(dá) 200 天左右。 因?yàn)閺?fù)合土工膜質(zhì)量輕、方便運(yùn)輸、造價(jià)比較低且施工難度小，不易發(fā)