季冻区道基冻胀机理分析

曹昭贤1，张兴胜,2，张志敏3，林民4

摘要: 本文通过对大量文献的阅读和道基路基工程实例的分析，对季冻区道基土的冻胀机理进行了分析，由于道基冻胀的最主要机理是毛细水和薄膜水的水分迁移，因此一定程度上后者的影响因素同时也是前者的影响因素，影响因素可分为3个方面：土温、含水量、土壤条件，其中土壤条件又可分为粒度组成和矿物成分等多个方面。

关键词：水分迁移，影响因素，机理分析

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1研究背景

道基的冻胀是我国北部大量分布的季冻区的机场工程中一种普遍且危害性高的病害现象，对这种现象的机理进行研究和分析，有助于工程师们采取合适正确的防治措施，对季冻区道基施工具有巨大的实践意义。

谷宪明[1]总结了国内外季冻区冻胀的研究现状并在吉林省若干道路进行实地调查的基础上做了SEM实验分析，提出了多个水分迁移的影响因素并分析了冻胀微观机理。荣广秋[2]等人对三种典型季冻区土壤（黏土，分散土，粉黏土）分别进行了冻胀率实验分析，得出所有土类冻胀率均在零下十度达到最大值。刘炳宇[3]通过对哈尔滨道路的实例研究和层次分析法分析，得出影响冻胀的主要因素以及他们的权重分配，并推导出了计算公式。

赵安平[4]采用了灰关联和粗糙集2种分析方法在微观结构层面上对冻胀的影响因素参数进行重要性分析，最终确认了4个权重最大的参数：概率熵、各向异性、形态分布。形状系数。张玉富[5]深入的在冻胀冻深层面上研究了冻胀率、地形、土壤条件的影响。王书娟[6]等人通过埋设土温传感器实时监测路基土壤土温变化，并对冻害进行实地调查，发现季冻区道基冻胀是随水分迁移热平衡状态规律变化的过程。

本文通过对多篇文献的阅读和工程实例的调查，总结道基冻胀的影响因素和机理，希望能对飞机场道路的建设提供一定的参考价值。

2水分迁移

道基冻胀的最主要原因是道基土中的水分迁移到某个位置结冰，因此对水分迁移的机理分析在一定程度上也可解释道基的冻胀。

季冻土中发生迁移的水主要有毛细水和薄膜水，薄膜水也称弱结合水。水转移的区域一般是土中深度较浅的非饱和带。

2.1水分迁移的机理

目前对于季冻区土壤在非冻结状态下的水分移动的最普遍被接受的解释是水力梯度，又称水头梯度。用水头大小表示土中任意位置孔隙水的能量，在非冻结状态时，在水力梯度的作用下，孔隙水就从水头高向低转移。这种水力梯度理论的适用性非常广泛，无论道基土是否饱和，都适用此理论。

水头由两部分组成：以大气压作为基准有正有负的水压力水头和土壤深度不同导致的位置水头。水头的大小可以理解为孔隙水的能量大小，当非冻结状态下孔隙水也处于静止状态，其实际上是水头大小相同，即能量相同。而当能量变化即水头梯度产生时，毛细水和弱结合水就会从高水头向低水头流动。

2.2水分迁移的影响因素

道基冻胀的主要原因就是水分迁移和其导致的聚冰带，因此水分迁移的影响因素同时也是道基冻胀的影响因素。

（1）土的粒度组成：土颗粒的大小会导致表面积的差异，用比表面积表示，而表面积的差异则会导致和水分子间产生大小不一的力，土的粒径越小，比表面积越大，和水之间的力就越大，最终影响冻胀。

（2）矿物成分：土中矿物有原生和次生两种，其中以石英为主的原生矿物粒径一般小于2mm，其具有良好的稳定性，因此对水的转移能力影响可以忽略不计。次生矿物相反，稳定性差，并且是粘粒的主要组成部分，因此对水的转移影响很大，是主要的影响矿物成分，特别是粘土矿物中的蒙脱石，对水的亲和性高，结构也有利于水的转移。

（3）道基土微观结构：粒度方面粉粘粒的颗粒单体内孔隙较小，颗粒单体之间孔隙多且连通性好，为水的转移提供了路径，并且水分多为结合水，其转移的能力也大，双重影响下导致了粉粘粒较强的水分转移能力。

孔隙的微观方面，孔隙越多，孔隙间的连通性越强，则水分迁移的能力越好。

（4）压实度：压实度的增加会减少土颗粒间的孔隙，存在一个特定的压实度称为敏感压实度，压实度低于此值时，有利于水的转移；反之土粒间会形成结合水膜，水的转移能力降低。

（5）土温梯度：土颗粒间土温的变化会诱导水分受到的力的重分布，进而影响水分迁移。并且土温变化的速度也会对冻结速率产生影响，土温降得越慢，冻结速率越低，有充分的时间发生水分迁移作用，冻胀量增加；若降温很快，则道基很快冻结到最大冻结深度，水分迁移不充分，冻胀量减少，甚至道基土会排水。

（6）荷载：随着外部荷载增长冻胀量一定程度上会明显的减少。其原因是随着外部荷载的增长，土颗粒间的接触应力也会增长，结冰点和初始含水量都会减少，并且土中水移动能力也会降低，最终导致冻胀量变小，这也是强夯法防治冻胀的依据。飞机荷载相对较大，因此能一定程度上抑制冻胀的产生。

（7）冻前含水量：自然条件下土中都存在一定量的水，但是并不是存在水就能发生冻胀，含水量需要达到一定的分界值才能满足冻胀的发生。若秋季干燥降雨量低，则冻结时水分迁移以气态水为主，气态水聚成液态过程不能在补充孔隙间毛细水，则冻胀程度不高。反之若秋季降雨量充足，则水分迁移以液态为主，冻胀程度高。

3.道基冻胀机理、过程

道基土的冻胀有原位和分凝两种，其中前者指土中原本就存在的水从液态变为固态，水体积会膨胀至1.09倍，不过原位冻胀的影响较小，在工程上可以忽略。对土体冻胀量起主要影响的是分凝冻胀，其可分为水的转移和凝结2个过程。

3.1冰晶体的形成

道基土中的强结合水由于其较强的吸附能力往往不会结冰，结冰的是毛细水和弱结合水：随着土温的降低后两者部分由液态变为固态，形成冰胚，然后周围尚未冻结的水分就会迁移到冰胚上继续冻结形成冰晶体。

3.2聚冰带的形成

冰晶体的持续增长过程会导致土颗粒间的间距增大，土颗粒向外位移，同时水分迁移作用下流入的外界水流会发生冰劈现象，导致冻土体分层，产生成层分布的厚度不一的聚冰带。聚冰带形成的过程，反映在宏观上就是冻胀的产生。

3.3翻浆

季冻区道基土冻胀发生之后往往会在春季产生另一个现象，即土温升高导致土中冰态水逐层融化，液态水排出不及时导致道基土含水量的增大，在道路上有较大荷载如飞机荷载时，道面会因较低的承载力产生裂纹，鼓包，翻泥浆，这就是翻浆现场。实际上翻浆和冻胀是一个冻害过程的两种表现。

4.结论

道基冻胀有两种，原位冻胀可忽略不计，分凝冻胀分为冰胚的形成和聚冰带的形成两部分，并且冻胀在温度升高后荷载过高会导致翻浆现象。

道基冻胀主要成因是水分迁移，其影响因素主要是土壤条件、土温、含水量3方面，土壤条件情况又可分为粒度组成、矿物成分、微观结构、压实度、荷载。含水量中起主要作用的是冻前含水量。

参考文献

[1]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.

[4]赵安平. 季冻区路基土冻胀的微观机理研究[D].吉林大学,2008.

作者简介：

曹昭贤，1974年5月8日，男，汉族，江苏省沛县，本科，高级工程师，机场工程，内蒙古自治区民航机场集团有限责任公司（指挥部），呼和浩特新机场项目建设指挥部

张兴胜，1991年9月13日，男，汉，河北省沧州市，本科，机场工程中级职称，民航机场方向，内蒙古民航机场集团建设项目管理指挥部

张志敏，1982年10月22日，男，汉族，乌兰察布市，本科，工程师，结构、岩土，呼和浩特城市交通投资建设集团有限公司

林民，1983年2月20日，女，汉族，籍贯：温州平阳，工学学士，风景园林高级工程师，园林市政工程，温州市滨江建设投资有限公司

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