冻土区道路翻浆的原因及因素分析

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  摘要:路基上下融化速度不同格式导致冻土区道路出现翻浆现象的主要原因,同时需要注意的是土质、水分、温度、行车荷载以及路面构造等都会在一定程度上导致道路翻浆的现象出现,也就是说我们在实际进行道路翻浆治理工作过程中必须实现对上述因素的综合考虑。这不仅可促使翻浆现象在原有的基础上得到有效改善,并且为后续施工工作的顺利开展打下坚实基础。
  关键词:冻胀;翻浆:冻土区
  当聚冰层到达一定限度后就会出现冻胀现象。当气温逐渐升高时路面以及下面的路基土会呈现出较快速度的融化,但是路基下部的冻结层仍然处于冻结状态。在一定时间内路基上部的水分会向下或者两侧进行逐渐排除,冻土层冰水较多,而且不能实现较为及时的排除,因此路基上部就会在长时间内保持一种强度降低以及稳定性减弱的现象,加之受到行车荷载作用的影响湿软、弹簧甚至冒泥等翻浆现象出现。
  一、土质因素
  冻胀性强的土容易产生翻浆,如粉质土,粘性土具有透水性小、毛细上升高、上升速度快的特性,在负温作用下最适宜水分迁移,聚冰。春融时承载能力随土中水分的增多而急剧下降,粘性土虽然毛细升高速度慢但在有外来水源补给充足的开敞体系中聚冰和冻胀程度都很严重。但当土中粉粘粒含量(小于0.005mm)大于5%以后,这种土实际已变成不透水性,形成了一个不透水层,阻碍水分迁移,使冻胀性急剧减少(可减少原来的2~4倍或更多)。
  另外,当粉性,粘性土中含有大量腐殖质和易融盐时,则更易产生翻浆。例如某市地表土壤多为黑色腐植土,包括淋溶土和草甸土,这种土壤湿容量大,有机质含量多,对农业很有利,但对道路土基来说,这种土壤冻胀性较强,即不宜充分压实,又宜蓄水和聚冰,是造成翻浆的根本原因。
  二、水分因素
  水平是导致道路翻浆现象出现的根本原因。谁在土地中的转移以及变化过程就是翻浆的实质。秋季冻前含水量以及冻结过程中的地下水位始终处于不断变化的过程当中,这对道路翻浆的发生与发展造成直接影响。秋季存在明显的雨水量较大现象,土基冻前含水量在总体上呈现出一种增加的趋势。路基附近的地表积水、浅的地下水以及河流灌溉水等会对其进行不断的深入影响。这都是导致地下水位呈现出不断升高现象的主要原因,因此土地在冻结过程当中会有大量的水分进行移动,将有利的条件提供给土基冻胀以及翻浆。
  在实际解释冻土中水分重分布问题以及水分子迁移现象的过程当中我们可借助水分迁移原理。水在负温下进行冻结会受到一定的干扰与破坏,尤其是其平衡状态会在这一过程当中出现变化,最终导致水分在原有基础上出现迁移。水分持续不断地向冷锋面迁移是在已经冻结的细粒土中所出现的主要现象,尤其是在较低土温的影响之下水会结晶,因此土粒子表面自由能量以及分子吸附力都呈现出不断增大的现象。冻土内部液态水以及冻结锋面也会呈现出不断迁移的状态。
  在有外来水源补给条件下的冻土中,之所以会形成很多很厚的冰夹层,是由于水分迁移速度与冻土冷却率之间的关系所决定的。在一定位置上,冻结温度越高,外来渗入水形成冰晶体的时间越长,因而,在该处形成的冰夹层厚度也就越厚。在已冻结的土中,只有当冰面与土粒子面存在有吸附的未冻水时,这种水分迁移才可能发生,并同时遵循正温土体薄膜水迁移的规律。但由于冻土中还存在各种冰晶体凝力等因素,又使它具有自己的特点。这时的薄膜水迁移过程是相当缓慢的。
  三、温度因素
  土壤只有在一定的负温下才能冻结和冻胀,而冻结深度的变化又与冰冻指数(日、月或季负温总合和°C—日)有密切關系。一般来说,冻结指数越高,冻结深度越大,路基的冻胀量也越大,则产生翻浆越重。而在同样冰冻指数和冻结深度条件下,冻结速度(cm/时)和温度梯度(°C/cm),对冻胀和翻浆的影响很大。
  特别是在初冬气温较高或冷暖交替出现频繁时,使冻结速度缓慢,温度在0~-3°C~-5°C之间停留时间较长,就会造成大量水分聚流到路面下较浅的冻结锋面处冻结和冻胀,形成较严重的翻浆;反之冬季一开始就很冷,温差梯度大,冻结速度快,则水分尚未来得及向上层转移,路基上部土中的水就冻结了,此时,在路面下较近处聚冰不多,翻浆较轻或不发生翻浆。若融冻速度很快,土基急剧融化,则会加重翻浆的程度。
  尤其是在此期间冷暖交替,并伴有雨雪等,更会使翻浆加重,并可能延长翻浆的时间。冻土的热量传递是在垂直方向和水平方向进行的。垂直方向是指冻土层与下层融土层、冻土层与冻土层之间。以及冻土表面与大气间的热量传递与交换。水平方向是指与相邻的地貌和结构单元所进行的热量传递与交换。热量交换过程是指冻土本身与周围环境之间的热量交换。
  从本质上来说热量交换是一种热运动过程,较为复杂。热量传递方式在冻土层中主要以传导为主,冻土层中的热量传递需要对每个断面的热量相等性进行保障,这也是传递过程较为稳定的主要原因。通过对每个断面热量的分析我们可以发现冻土层的传导整体上呈现出正方向的趋势,而且其内能在不断减少。在放热过程中温度会逐步实现向吸热方面转化,尤其是在正向传递过程当中温度会不断降低。在吸热的半周过程当中内能会融化吸热现象,因此吸热也为放热工作的顺利开展打下坚实基础。
  在热量的周转过程,产生了能量的积累。如果吸入大于支出,则称为正积累,反之为负积累。积累的能量是以不同的方式出现的。其结果可以使冻土层产生一个平均的地温和冻融深度。
  四、路面及其它因素
  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。因此,翻浆和路面是密切相关的。不同的路面结构路面厚度,对翻浆有一定的影响,一般地说,蒸发量较大的潮湿土基,较蒸发量较小的潮湿土基翻浆的程度要轻些。
  我国北方季节性冰冻地区夏秋两季雨水偏大,尤其在秋末,气温较低,蒸发量少,当路基排水不畅时,大气降水或农田灌溉用水下渗至路基使地下水位上升。入冬,路基表面开始冻结,其中路基土孔隙内的自由水首先冻结,形成冰晶体。随着温度的降低,冻结线向下推移,在冻结线附近土中的薄膜水被冰晶体吸附而冻结。
  所以,在某些潮湿土基上铺筑黑色路面以后,便使路基中的水分不能畅通地从表面蒸发出来,结果导致了翻浆。而原路面却没有翻浆,就是由于不同的路面结构引起的。其次,没有稳定层或隔离层的路面结构,以及路面厚度较大的,翻浆程度也都会减轻,或者不发生翻浆。
  参考文献:
  [1]丁平.冻土区道路翻浆原因及影响因素的分析[J].城乡建设,2012(25).
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