边慧 蔡伟

(青岛市市政工程设计研究院有限责任公司，山东青岛 266071)

0 引言

在季节性冻土地区，由于路基土中水分的结晶与融化，导致路基土出现冻结及融化变形和模量衰减，使水泥混凝土路面出现不均匀变形、横向挠曲、纵向开裂及由融沉导致的沉陷鼓包及车辙变形等一些特殊病害，称为水泥混凝土路面冻害。路面冻害类型主要可分为冻胀与融沉两大类。

1 水泥混凝土路面路基冻害成因

1.1 路基冻胀成因

冬季负气温作用下，水泥混凝土路面路基土中所含的水分由下层向冻结面聚集，并持续向上聚流，在路基上部逐渐形成冰晶并吸引孔隙水迅速积聚形成冰晶体。土体中的冰晶体形成后就开始冻结，处于负温的自由水便向此处移动，加剧冰晶的生长。在冰晶体的周围，由于土壤颗粒为了恢复压力平衡和冰晶体外围未冻结水膜的吸附力，从未冻结土中吸附水分子，造成水分的迁移，使冰晶体得到水分补充而冻结长大成冰透镜体，如图1所示。路基土的冻结形成的冰晶体排斥溶质等其他物质，包括极小的土颗粒，这就使得土颗粒在冻结过程中，在冻结界面前缘产生移动的原因，因此冰夹层一层层地垒叠起来从而产生了整个路基的冻胀现象。

图1 土中水分向冻结面迁移的过程

1.2 路基融沉成因

在有冻胀性土的水泥混凝土路面路段，当冬季负气温时，水分连续向上聚流、冻结成冰，当春季路基融化时，伴随着路基土中冰侵入体的消融，且由于水泥路面在行车荷载作用下产生大量热量并形成热量积聚，冰晶和冰膜融化成水，此时土中由于冰变成水体积缩小导致孔隙增大含水率增加，使路基土体自身发生体积压缩和沉降。同时在重力和行车荷载作用下，融化区域发生排水固结，引起土层的压密沉降。已有研究认为，融化过程中的绝对沉降量要比由于后加行车荷载引起的固结沉降量大，如果在融化过程中存在行车荷载的作用，则最终沉降量更大。

另一方面，水泥路面下路基表层开始向下融化，其融化速度较快，而路基下部却仍处于冻结状态，且水泥路面下路基土的融化速度大于路肩土的融化速度，这样未融化的冻土层便起到隔水层的作用，在路基中部形成凹形残留冻土核(如图2所示)，融化了的水分不能及时下渗，也不能向两侧排除，集聚在水泥路面下和未融化那部分路基土之间，加上土的受荷作用，产生过量的孔隙水压力，路基强度大幅降低，在车辆反复碾压下，路面会变得松软，影响行车舒适性。更为严重的是，会导致水泥板块局部脱空、开裂、唧泥现象，从而使路面完全破坏。因此，融解弱化是冰冻作用危害较强的阶段。

图2 路基融化时未融化冻土核示意图

除了温度场、水分场的耦合外，行车荷载的振动效应对造成融沉亦有重要影响。处于饱和或过饱和状态的路基，在周期性车辆荷载的作用下，土体的强度不断降低，最后产生融沉，称为动力型道路的融沉。

2 水泥混凝土路面路基冻害影响因素

路基土的性质、路基土的密度(压实度)、含水率、温度、盐分与水泥路面均是水泥混凝土路面路基的冻胀和融沉病害的影响因素。其中，路基土的性质、压实度以及含水率是较为主要的因素。

1)路基土的性质。

当筑路材料是粘质土与粉质土时，若含有较多的腐殖质和易溶盐则易形成冻胀和融沉。我国学者通过试验表明，粗颗粒土中粉粘粒含量对冻胀率有明显的影响，图3大致反映了粉粘颗粒含量与冻胀系数的关系。当粉粘粒含量小于12%时，即使在充分饱水的条件下，冻胀率不大于2%。当粉粘粒含量大于12%后，冻胀率明显增大;当粉粘粒含量超过50%以上时，土体冻胀系数便突跃至8%。

2)路基土的密度。

土体密度同样影响着土体的冻胀和融沉。当土体密度为定值时，土体的冻结速度将随着土体饱和度的减少而增加。即随着土体饱和度的增大，土体冻结深度曲线将逐渐变缓。这是因为，当土中自由水增加时，冻结过程中水的相变潜热也增大，降低了土体的冻结速率。同样，在饱和度保持定值时，土体密度增大，则冻结速率加快。这是由于土体密度增大后，单位体积内组成骨架的土颗粒数量增加，而孔隙减少，导热系数增大所致。当冬季产生的冻胀量不大时，那么春季的融沉也随之减小。此外，良好的压实效果，可保证路基中的孔隙相对较少，土体不易受水分侵扰，能够形成组构的强度和稳定性，保证路基的路用性能。

图3 不同细颗粒含量对冻胀性的影响

3)路基的含水率。

路基土中自由水的存在是产生冻胀和融沉的重要因素之一。水在路基中迁移、相变的过程是产生冻胀融沉的本质。自由水的多少及其补给是造成相同条件下具有不同冻胀量的基础，春融期的融沉随之产生。当冻前路基土处于干燥状态时，正温区内土中的水分移动现象，主要是以水汽扩散的形式进行。水汽移动不会在零度边界附近造成毛细水的补充积累，因此对工程危害不大。多雨的秋天造成冻前路基土湿度较大，这时向冷冻区移动的自由水主要以液态形式进行。在正温区中自由水分移动的动力是悬挂毛细水变成薄膜水，导致整个毛细水柱逐渐吸向冻结区。由于水分在路基上层集中而使路基土层过度湿润，且冻前含水率越大，水分迁移及潜热释放也越多，使冻速越慢，而自由水分则进一步迁移，冻胀也就越大。

3 结语

1)冻胀破坏主要由路基土中水分冻结引起体积膨胀，造成水泥路面拱起变形乃至开裂。融沉则是由于路基中冰晶融化造成水分过饱和导致路基模量下降并在行车荷载作用下形成不均匀沉降而造成路面破坏。

2)路基的冻胀将引起水泥混凝土路面不均匀拱起、纵长裂缝、横向挠曲等病害，而融沉则在行车荷载作用下导致路面产生局部沉陷、车辙、水泥板块板底脱空等破坏。

3)路基冻害主要是路基土质、密度以及含水率等因素综合影响的结果，当路基土冻胀性较强、含水率大并且温度符合冻融条件时就可发生路基土冻融，在行车荷载作用下造成一定的影响破坏。

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