季冻区道基冻胀防治措施研究

季冻区道基冻胀防治措施研究

李俊峰1，侯成山,2，李义鹏3，孟海瑞4

（1. 呼和浩特城市交通投资建设集团有限公司, 呼和浩特市，010010；2. 呼和浩特城市交通投资建设集团有限公司，呼和浩特市，010010; 3. 呼和浩特城市交通投资建设集团有限公司, 呼和浩特市，010010；4.山西航空产业集团有限公司，太原，030031）

摘要: 本文通过对大量文献的查阅和相关工程的调研后，对国内外季冻区土壤的冻胀性分类原则、方法与指标进行了总结。归纳了道基冻胀防治的3个主要影响因素，主要从控水和改善土基2个方面分类汇总了冻胀防治措施，并从控温角度对防治措施进行了补充。

关键词：道基冻胀；防治措施；土基改善

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1研究背景

季冻区是指土壤在冬季土中水分会冻结成冰，在春季土又开始融化，直到夏季土壤完全融化的地区，我国的季冻区主要分布在北部（图1）。季节冻土地区受海拔和纬度的影响，每年都会有持续数个月的寒冷冬季。当道基受到冬季低温的影响时，土颗粒孔隙中的自由水冻结成冰状态，冰态水体积增大，撑开土颗粒间隙，进而导致道基出现冻胀现象。道基冻胀会使道路表面出现鼓包、不均匀隆起，最终道面开裂；而在春季来临之际，道基温度从道基表面开始升高，冻土水分随着深度逐级融化，在水分迁移的影响下，土颗粒之间出现厚度不等的冰透镜层，冰透镜层随着温度的升高进一步融化后会导致道基不均匀沉降[1]。由于融化是从上而下的，道基底部的水仍然是结冰状态，上部融化的自由水无法排出，当道面出现飞机荷载，道面出现局部破坏，沉陷在泥浆之中，这种现象叫做翻浆[2]。

图1.我国冻土区分布图[1]

由此可见，道基的平整度会因道基内的水分冻结和融化而受到影响，季节冻土地区的道基冻胀问题影响了飞机起飞和降落的安全。因此掌握道基的冻胀规律并采取相应的防治措施，对降低冻胀的灾害并减少经济损失，具有重大的意义。

2道基冻胀的分类

土壤冻胀的影响因素相当复杂，特别是随机的气候和水文条件，因此国内外的研究和分析方法高达上百种。

2.1国外土冻胀分类[3]

西方国家对土冻胀性进行分类，从工程实际出发，主要依据2个指标，一是土颗粒粒径分布，二是土中细颗粒含量高低。依据2种方法：一种是用细粒占比和粒径判别粗粒土的冻胀，忽略含水率和温度；用液限和塑性指数判别细粒土的冻胀。另一种是北欧东欧地区普遍采用的方法，和前者的区别是综合考虑外界条件如粒径分布、塑性指数，对冻胀程度进行分级。由于考虑了多重因素，此方法更贴合实际，准确性较高，因此这一方法对我国影响较大。

2.2国内土冻胀分类

从70年前开始，我国多个工程部门开始重视土的冻胀和危害问题。经过多年的研究与实践，锁定了4个判断土壤冻胀性的主要指标：颗粒级配、冻胀发生前土壤含水量、冬季土冰冻面与地下水位高度之距和冻胀强度。

判别冻胀强度的指标有2个：一个是冻胀高度。另一个是冻胀率。由于冻胀率是一种相对指标，因而常被工程单位使用。但是，随着工程实践的大量运用，冻胀率也展现出其不足之处，即准确性不够，在实验室中测冻胀率判定为不发生冻胀的土，在施工完成后由于冻结过深，道面冻胀，对工程造成了危害。 相比较于冻胀率，冻胀高度在工程实际中更加直观，能清晰的评估冻胀对道面道基的危害程度。因此，近些年冻胀高度在工程实践中运用的更为普遍。

3道基冻胀防治措施

因为道路冻胀现象的主要影响因素是土质、温度、水三个因素。所以防治道基冻害只要把这三个因素中的一个控制住，就可以起到防治道基冻害的目的[4]。从工程实际出发，温度是相对不容易控制的，因此控制土的含水率尽可能的低是最主要的途径之一;如无法阻断土外水进入入道基土，则需要在温度升高前，把自由水及时排出土体或转移到对水敏感性低的道面结构层中。显然，改善土基或者改良道面结构是另一个防治冻胀的基本途径。

通过前面得出的防治冻胀的基本途径，结合大量文献的参考，并考虑到工程实际，本文提出几种道基冻胀防治措施。

3.1 从控水角度防治冻胀

3.1.1 加强道基排水

冻胀的微观机理就是孔隙中自由水在液态和固态之间转变、在道基中转移的过程，地表积水及地下水的存在为冻胀提供了水分条件。因此，清除道面的地表积水保持道面的干燥，尽可能的减少道基土中水分的补充途径，保持道基土体干燥[5]。

3.1.2 路槽排水

工程实践通常采用铺设砂垫层和挖掘横向盲沟。其中砂垫层多为中粗砂和碎石、卵石组成，具有蓄水排水的功能，从而防止道基冻胀[6]。

3.1.3提高道基填土高度

提高道基填土高度是一种施工简单、成效巨大且成本低廉的常用措施。同时，还可以提高道基道面强度和稳定性，是提高经济性的重要途径。

增加道基填土高度，增大了道基至地下水位间的距离，从而减轻了土中水冻结时中水向道基上部移动的程度，从而减轻冻胀程度，也减少了翻浆的可能性[7]。

3.1.4 提高压实度

谷宪明[8]经过实验室试验和现场道基试验得出，在细粒土体中，存在一段密实度区间，对土壤冻胀性影响很大。道基土密实度高于此区间时，冻胀发生率大大减小，当土样密实度抵达标准击实最大值时，由于孔隙过小，含水量极低，几乎不产生可见的冻胀现象。试验还有一个现象：当道基土冻胀达到最高程度时，此时土体压实度为 高于80%不到90％最大密实度。作者给出的解释是此时土中水毛细上升达到较高高度。在90%以上压实度时，土颗粒间孔隙虽然少，但土中水为弱结合水的形式存在，粉质粘土颗粒间孔隙中充满了弱结合水，毛细水无法发生上升作用，地表水无法渗入土中孔隙，最终导致道基上部含水量的减少和聚冰程度的降低。

3.2 从改善土基角度防治冻胀

3.2.1 道基填料

由于道基组成成分缺陷引发的道基冻胀难以事后处理，只有通过不断换填冻胀性差或不冻胀的材料来改良道基土体，慢慢改善道基土的冻胀性。所以，解决冻胀问题的重点是道基填料改良。

3.2.2 设置隔离层

若道面距离地下水位之间的距离过近，工程上往往采用设置隔离层来改变土层的透水性，从而阻断道基土中的水分移动到道基上部，从而使土基保持较低含水量，最终隔绝冻胀的产生[9]。

设置隔离层方法在工程实践中一般采用透水性隔离层，其组成为中粗砂、碎石和卵石，隔离层厚度一般为10cm到20cm；并且有必要在上下侧各设置一层防淤层来防止淤泥堵塞，并且保证地面水比隔离层底面至少低20cm，最后向道基两侧做的横向坡面。破面倾角一般要求为3％。

3.2.3 加强道面结构

对于容易产生冻胀的飞机场道,，会采用半刚性结构层来加强场道的道面结构，其优点是稳定性好，其组成成分一般为水泥强化的砂砾、煤渣石灰土等。

3.2.4 加设防冻层

在季节冰冻区易发生冻胀的路段上，有时候会发生不均匀性冻胀现象，对于这种现象，工程上采用的措施是要保证道面总厚度大于等于防冻的最小总厚度，若前者小于后者时，往往使用冰冻耐性强的材料来铺设防冻层来防治冻胀。

3.3 从温度角度防治冻胀

虽然工程上主要通过控制土中水分含量和改良土基来预防和治理冻胀问题，但是，也可以土壤温度方面着手防治，即铺设隔温层在土基顶面或道面结构层内，在气温急剧降低时，由于隔温层的存在，土中温度高于低温，土基水分的冻结深度减小，冻胀和翻浆现象自然也不会发生。工程上隔温层往往采用隔热即导热性差的材料[10]。

结论

本文从控水、改善土质、控温三个角度分类总结了冻胀防治的措施：

（1）控制道基土水分补充的措施主要有4个：加强道基土排水、路槽排水、提高道基土的填土高度和提高道基土压实度。

（2）从改善土质出发的防治措施主要也有4个：道基填料、设置隔离层、加强道面机构、增设防冻层。

（3）从控制土温角度工程上的措施不多，一般都采用增设导热性差的隔温层来防治冻胀。

参考文献：

[1]荣广秋. 基于FLAC3D的季冻区道基冻胀模拟研究[D].哈尔理工大学学,2020.DOI:10.27063/d.cnki.ghlgu.2020.000853.

[2]辽宁省交通局道路翻浆及防治方法[M].北京:人民交通出版社，1975.1~3

[3]铁道部科技教育司，铁道部科学技术信息研究所，中铁西北科学研究院．国外铁路冻土技术文献汇编[EM]．北京：铁道部科技教育司，2001．

[4]霍凯成, 黄继业, 罗国荣. 路基冻胀机制及冻害防范整治措施探讨[J]. 岩石力学与工程学报, 2002.

[5]JTGD30-2004.公路路基设计规范[S].

[6]JTJ018-97公路排水设计规范[S].

[7]吉林省交通厅公路抗冻设计与施工技术指南[M]2006.23~24.

[8]谷宪明. 季冻区道路冻胀翻浆机理及防治研究[D].吉林大学,2007.

[9]交通部第二公路勘察设计院公路设计手册(路基)[M]第三版，北京:人民交通出版社，2001.526~534.

[10]田德廷.道路桥梁冻害及其防治[M]北京:人民交通出版社，1987.276~283.

作者简介：

李俊峰，1980年9月2日，男，汉族，呼和浩特市，本科，高级工程师，交通工程（路桥），呼和浩特城市交通投资建设集团有限公司

侯成山，1983年10月31日，男，汉，湖北省，本科，高级工程师，土木工程，呼和浩特城市交通投资建设集团有限公司

李义鹏，1989年1月9日，男，汉族，内蒙古呼和浩特人，本科，工程师，呼和浩特城市交通投资建设集团有限公司

孟海瑞，1981年9月，男，汉族，本科，高级工程师，机场工程，山西航空产业集团有限公司

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