黑龙江大学毕业论文道路冻胀翻浆的成因及处理方法(编辑修改稿)

黑龙江大学毕业论文道路冻胀翻浆的成因及处理方法(编辑修改稿)内容摘要：

9 图 25 土中的毛细水带 路基土体冻胀主要和三个过程有关，以下便详细分析路基土体冻胀过程。 土中液相水转变为冰晶体 在季节性冻土区，当大气温度降至 0℃或 0℃以下时，土层中土体温度 也随之不断降低，地表土层就开始冻结，土体孔隙中的毛细水上升至冻结层时被冻结为冰晶体。 冰晶体的增长与聚冰带的形成 冰晶体形成后，靠着冰晶体及土颗粒的吸引力把附近的水分子吸引到自身的表面，便会构成一层水膜，新的冰晶体又会首先从这里产生。 这样，周而复始不停地往复，在冻结锋面上的冰晶体就会不断地增长。 土颗粒为了恢复水膜中压力和吸引力之间的平衡，就会不断地从邻近处，也就是非冻结土体中的土颗粒束缚水膜，把水分子“抽吸”过来，以便补充被迁移走的水量，这样就可以保持冰晶体不断增长成聚冰带时能够得到 道路冻胀翻浆的成因与处理方法 10 源源不断的水 分的供给，（如图 26 所示）。 图 26 路基水分迁移和成冰图 在冰晶体的不断增长引起土颗粒间距增大与土颗粒位移的过程中，外界的水流侵入冰晶体，产生所谓的“冰劈”作用，就会使冻土体产生层理，形成厚度不均匀的聚冰带。 当冰晶的分凝作用远远比土颗粒的薄膜水向冻结锋面迁移时，就会导致下边有效水分补给区的土体含水量大大减小，此时冻结线前缘的土体便会产生收缩。 因为冻结锋面上得不到水分的补给就会破坏了其热平衡状态，随着土体温度的不断下降，冻结线就会继续往下移动。 当到达土体含水量较多、水分补给比较充裕的 地带，就会出现新的热平衡状态，冻结线此时就会缓慢地停止移动，这时冰晶的分凝作用又会活跃起来，又会形成新的聚冰带（如图 27 所示）。 这样，冻结线就会一会儿快一会儿慢地向着土体深处推进。 这样的冻结过程就会形成冻土中的聚冰带分层分布的特点。 图 27 聚冰带的形成 道路冻胀翻浆的成因与处理方法 11 冻胀产生 当毛细水源源不断地上升时，冻结层内的冰晶体大量增加时，便会堵塞土体中的毛细管道，大量的冰晶聚积在冻结层内形成了“聚冰层”和“冰夹层”。 随着地层冻结深度的继续增加，冻结层内的“聚冰层”和“冰夹层”也会不断增加，这样就会在当地的整个冻结深度的范围内，形成了多层“聚冰层”和“冰夹层”。 这时土体体积就会增大、膨胀、地面鼓包，土体的冻胀就由此产生了。 道路冻胀的影响因素 土质 影响道路冻胀的主要因素是路基的土质（如图 28）。 土是由大小不等的颗 粒组成的，用土的粒径和级配来表示，即所谓土的分散性。 [7]以土的分散性作为决定路基土体冻结时水分迁移和土体冻结强度的一个基本因素。 高分散性的土中，水膜比较厚，可以保证水向生长着的冰晶体迁移聚集。 但在低分散性的土中，水膜厚度比较小，所以 水分子向这些水膜处的移动性能就大大降低，所以土 体的冻胀强度就很小。 图 28 路基土的分类 道路冻胀现象通常发生在比较细的土中，特别是粉质土、粘性土。 因为土颗粒细小，毛细管道发达，毛细水上升高度大，上升速度比较快，具有比较畅通的水源补给通道，土体冻结时水分迁移集聚比较强烈，所以冻胀现象就十分的严重。 同时，土颗粒比较细，其表面能就比较大，土颗粒中的矿物成分亲水性就比较强，能保持较多的结合水，从而能使大量的结合水迁移和积聚。 为道路冻胀破坏的产生提供充足的条件。 含粉土、粘土成分少的砂石、碎石等，通过实验证明基本上不产生冻胀现象。 道路冻胀翻浆的成因与处理方法 12 温度 合适的冰冻指数和 冻结深度是形成道路冻胀翻浆的主要原因，如果没有一定的冰冻指数或冻结深度道路是很难形成冻胀和翻浆的。 [8]同样如果没有很大的冰冻指数或冻结深度就很难形成比较严重的道路冻胀和翻浆现象，在同样的冰冻指数或冻结深度的条件下，负气温作用和冻结速度对道路的冻胀和翻浆的形成也有很大的影响。 持续且缓慢的负温度是道路形成冻胀的主要条件。 大气的温度在冰冻季节比较缓慢的下降，冻结线就会比较长时间的停留在土基上部，就会使大量的水分不断地向冰冻区迁移积聚，从而就会形成非常严重的道路冻胀和翻浆现象。 反之，如果温度骤降，则不会产生冻胀现 象。 因为如果冬季一开始温度突然下降，冻结线下降的特别快，土体中的水分还来不及迁移，就在原地冻结成冰，土体中的毛细管道也被形成的冰晶体堵塞。 这时候，土体中就不会发生水分的迁移和积聚，只会在土孔隙中冻结成一些冰晶体，形成不了造成土层冻胀的“冰夹层”和“聚冰层”。 那么道路的冻胀就会较轻或者不发生道路冻胀现象。 水 道路发生冻胀时，水分的迁移和积聚是构成道路冻胀的主要因素。 当土体冻结区附近的地下水位较高或者此地降水比较充足时，毛细水上升的高度能够接近或达到冰冻层，使土体的冰冻区能够得到比较充足的外部水源的补给。 经过较长时间的冰晶体的积聚和水分迁移，就会发生比较强烈的道路冻胀现象。 冻胀现象可以分为强烈冻胀和轻微冻胀。 [9]当道路发生冻胀时，如果在冻结过程中有较充足的外部水源供给，在土层中就会形成较厚的“聚冰层”和“冰夹层”。 这时就会产生十分强烈的道路冻胀现象。 道路冻胀发生时，如果冻结过程中没有充足的外部水源供给，这时的土层中 只会产生较薄的“聚冰层”和“冰夹层”，冻胀量就十分小，对路面结构构成不了太大的破坏，这时就称为道路的轻微冻胀。 虽然，道路的轻微冻胀对路面结构造成不了太大的破坏。 但是，经过多年的道路冻胀以后 ，也会影响道路的结构和正常使用。 在冰冻季节，路面的长期积冰、积水也是构成道路冻胀破坏的原因。 因为城市道路路面的排水不通畅，路面常年积水，积水会渗入路基。 当冰冻季节到来时，路表积水就会冻结，随着气温的继续不断下降，土层中没有冻结的水分会向表层的冰冻区积聚，土 道路冻胀翻浆的成因与处理方法 13 体中的冰冻层就会逐渐地增厚。 因为冰冻区在冰冻没有到来之前不断受到积水的渗透作用，在冰冻过程中地下能够得到充足的水分。 所以，在饱和水分和不断地冰冻降温的共同作用下，冰冻区的冻结区域就不断增大。 水分在液态转化为固体的过程中，体积会增大，就会形成严重的道路冻胀 现象。 路面 道路的冻胀和翻浆都是通过路面的变形破坏表现出来的。 因此，道路的冻胀和翻浆和路面是密不可分的，所以路面的类型对道路冻胀翻浆的影响巨大。 例如，在潮湿的土基中铺筑沥青，而沥青路面的透气性又比较差，就会导致路基中的水分蒸发不通畅，“聚冰层”和“冰夹层”的厚度增加就会导致道路冻胀现象的产生。 道路翻浆机理 及其影响因素 道路翻浆机理 道路翻浆的实质是水在路基土层中转移和变化的过程。 所以说水是造成道路翻浆的根本原因。 在季冻区，冬季路基上层的土开始冻结，下层还未冻结的土壤里的水分就会向已 冻结的土基上层聚集，加之秋季雨水比较大，土基冻结前含水量就会明显的增大。 还有路基附近的浅地下水、地表积水、河流以及灌溉水等不断地渗入，都会造成地下水位的增加，导致土基冻结过程中有大量的水分转移和改变，这就为道路冻胀和翻浆创造了很好的条件。 路基土层中水的来源如图 29 所示。 图 29 路基水来源 同时，在路面尤其是黑色的沥青路面上，由于路面导温性能比路肩土要好得多，所以当冬天来临时，路面下的土比路两旁路肩下的土冷的要快，所以冻得早。 于是不仅仅 道路冻胀翻浆的成因与处理方法 14 是路基下部分水，且还有路肩、边坡下没有冻结的土中水分， 也都会向路面下已冻结土壤中聚集，这也是路基水的来源之一，如图 210 所示。 图 210 路基水来源 道路的翻浆是冻土区特有的道路冻害现象。 冬季，路基冻胀导致道路开裂、变形；到了春天，气温开始回升，温度逐渐升高，地表的土层开始解冻。 又因为黑色的沥青路面吸热能力特别的强，使路基内土体中的“聚冰层”和“冰夹层”开始融化。 因为春融是个比较缓慢个过程，路基土内的“聚冰层”和“冰夹层”的融化也是自上而下的比较缓慢的进行，当上部的“聚冰层”和“冰夹层”已经融化而下部的“聚冰层”和“冰夹层”还未解冻。 这样，上部融化 后，产生的大量水无法排解或下渗，加上粉土、粘土等细粒土排水能力特别的差，导致已经融化的土层中含水量大大的增加，使土层处于饱和状态，致使土体软化，路基强度大大降低（如图 211 所示）。 在过往车辆的反复碾压下，路面便会发生开裂、车辙、断碎、沉陷、冒泥翻浆等病害。 综上所述，道路的翻浆机理是因为冬季开始冻结时，水份发生迁移、集聚，集中在路面以下不太深的范围内，形成了“聚冰层”和“冰夹层”。 春季随着温度的回升，路基上层的“聚冰层”和“冰夹层”开始融化，使土体中含水量大大增加，使土体强度大大下降，在行车荷载的作用下 ，便最终导致道路出现翻浆现象。 图 211 路基融化状况图 道路冻胀翻浆的成因与处理方法 15 道路翻浆的影响因素 土质 冻胀性较强的土更容易产生道路翻浆现象。 像粘性土、粉质土具有毛细水上升高、上升速度较快和透气性小的特征，在负温的作用下更适宜水分在土体中迁移和积聚，从而形成“聚冰层”和“冰夹层”。 到了春融期，随着土中水分的增多而导致承载力急剧下降，从而形成了道路翻浆现象。 另外，如果粘性土、粉性土中含有大量的易溶盐和腐殖质时，更加容易产生道路翻浆现象。 水 水是造成道路翻浆最根本的原因。 道路翻浆的过程实质上就是水 在土体中转移和变化的过程。 温度 道路中土体只有在一定的负温下才会发生冻结和冻胀，而冻结深度又与冰冻指数有着密切的关系。 一般来说，冻结指数和冻结深度成正比关系。 而在同样的冻结深度和冰冻指数的情况下，温度梯度和冻结速度对道路的冻胀和翻浆影响都很大。 在初冬气温较高或者冷暖交替出现比较频繁时，使冻结速度比较缓慢，如果温度在初冬低温停留时间较长时，就会造成大量水分积聚到路面较浅的冻结锋面处冻结，形成比较严重的道路翻浆现象；反之，冬季开始温度骤降，温差较大，则水分来不及向上层转移，路基土体中的水就冻结了，这时在路 面下较近处聚冰不太多，道路翻浆较轻或就不会发生翻浆现象。 如果土体冻融速度很快，路基土体急剧融化，就会加重道路翻浆的程度。 特别是如果在这期间气温冷暖交替变化，且伴有雨雪天气等，更加重道路翻浆的程度，而且有可能延长道路翻浆现象的时间。 行车荷载 道路的翻浆是通过行车荷载的作用，最后才会形成和暴露出来的。 如果具备道路翻浆的水、土质、温度等自然条件，但没有行车荷载的作用，也是不会产生道路翻浆现象 道路冻胀翻浆的成因与处理方法 16 的。 相反地，如果不具备道路翻浆条件的良好道路，车辆再多也不会产生道路翻浆现象。 如果不仅具备了产生道路翻浆的条件，而且在 翻浆季节交通量特别大，则产生的道路翻浆现象也会特别严重。 可以这样说，道路翻浆的发生是某种特定的条件下，又会有其中的某一种或两种因素起主导作用，成为引起道路翻浆的主要因素。 路面 道路翻浆是通过路面的变形破坏而表现出来的，并按其变形破坏程度来划分等级的。 [10]所以道路翻浆和路面是密切相关的。 不同的路面，路面结构不同，路面的厚度也不同，对道路翻浆有一定的影响。 一般来说，蒸发量比较大的潮湿路基比蒸发量小的潮湿路基的翻浆程度要轻一些。 因此，在一些潮湿的路基上铺上黑色沥青以后，便会使路基中的水分不能很畅通地从 路面蒸发出。