水泥混凝土路面路基凍害及其影響因素

邊慧 蔡偉

(青島市市政工程設計研究院有限責任公司，山東青島 266071)

0 引言

在季節(jié)性凍土地區(qū)，由于路基土中水分的結(jié)晶與融化，導致路基土出現(xiàn)凍結(jié)及融化變形和模量衰減，使水泥混凝土路面出現(xiàn)不均勻變形、橫向撓曲、縱向開裂及由融沉導致的沉陷鼓包及車轍變形等一些特殊病害，稱為水泥混凝土路面凍害。路面凍害類型主要可分為凍脹與融沉兩大類。

1 水泥混凝土路面路基凍害成因

1.1 路基凍脹成因

冬季負氣溫作用下，水泥混凝土路面路基土中所含的水分由下層向凍結(jié)面聚集，并持續(xù)向上聚流，在路基上部逐漸形成冰晶并吸引孔隙水迅速積聚形成冰晶體。土體中的冰晶體形成后就開始凍結(jié)，處于負溫的自由水便向此處移動，加劇冰晶的生長。在冰晶體的周圍，由于土壤顆粒為了恢復壓力平衡和冰晶體外圍未凍結(jié)水膜的吸附力，從未凍結(jié)土中吸附水分子，造成水分的遷移，使冰晶體得到水分補充而凍結(jié)長大成冰透鏡體，如圖1所示。路基土的凍結(jié)形成的冰晶體排斥溶質(zhì)等其他物質(zhì)，包括極小的土顆粒，這就使得土顆粒在凍結(jié)過程中，在凍結(jié)界面前緣產(chǎn)生移動的原因，因此冰夾層一層層地壘疊起來從而產(chǎn)生了整個路基的凍脹現(xiàn)象。

圖1 土中水分向凍結(jié)面遷移的過程

1.2 路基融沉成因

在有凍脹性土的水泥混凝土路面路段，當冬季負氣溫時，水分連續(xù)向上聚流、凍結(jié)成冰，當春季路基融化時，伴隨著路基土中冰侵入體的消融，且由于水泥路面在行車荷載作用下產(chǎn)生大量熱量并形成熱量積聚，冰晶和冰膜融化成水，此時土中由于冰變成水體積縮小導致孔隙增大含水率增加，使路基土體自身發(fā)生體積壓縮和沉降。同時在重力和行車荷載作用下，融化區(qū)域發(fā)生排水固結(jié)，引起土層的壓密沉降。已有研究認為，融化過程中的絕對沉降量要比由于后加行車荷載引起的固結(jié)沉降量大，如果在融化過程中存在行車荷載的作用，則最終沉降量更大。

另一方面，水泥路面下路基表層開始向下融化，其融化速度較快，而路基下部卻仍處于凍結(jié)狀態(tài)，且水泥路面下路基土的融化速度大于路肩土的融化速度，這樣未融化的凍土層便起到隔水層的作用，在路基中部形成凹形殘留凍土核(如圖2所示)，融化了的水分不能及時下滲，也不能向兩側(cè)排除，集聚在水泥路面下和未融化那部分路基土之間，加上土的受荷作用，產(chǎn)生過量的孔隙水壓力，路基強度大幅降低，在車輛反復碾壓下，路面會變得松軟，影響行車舒適性。更為嚴重的是，會導致水泥板塊局部脫空、開裂、唧泥現(xiàn)象，從而使路面完全破壞。因此，融解弱化是冰凍作用危害較強的階段。

圖2 路基融化時未融化凍土核示意圖

除了溫度場、水分場的耦合外，行車荷載的振動效應對造成融沉亦有重要影響。處于飽和或過飽和狀態(tài)的路基，在周期性車輛荷載的作用下，土體的強度不斷降低，最后產(chǎn)生融沉，稱為動力型道路的融沉。

2 水泥混凝土路面路基凍害影響因素

路基土的性質(zhì)、路基土的密度(壓實度)、含水率、溫度、鹽分與水泥路面均是水泥混凝土路面路基的凍脹和融沉病害的影響因素。其中，路基土的性質(zhì)、壓實度以及含水率是較為主要的因素。

1)路基土的性質(zhì)。

當筑路材料是粘質(zhì)土與粉質(zhì)土時，若含有較多的腐殖質(zhì)和易溶鹽則易形成凍脹和融沉。我國學者通過試驗表明，粗顆粒土中粉粘粒含量對凍脹率有明顯的影響，圖3大致反映了粉粘顆粒含量與凍脹系數(shù)的關系。當粉粘粒含量小于12%時，即使在充分飽水的條件下，凍脹率不大于2%。當粉粘粒含量大于12%后，凍脹率明顯增大;當粉粘粒含量超過50%以上時，土體凍脹系數(shù)便突躍至8%。

2)路基土的密度。

土體密度同樣影響著土體的凍脹和融沉。當土體密度為定值時，土體的凍結(jié)速度將隨著土體飽和度的減少而增加。即隨著土體飽和度的增大，土體凍結(jié)深度曲線將逐漸變緩。這是因為，當土中自由水增加時，凍結(jié)過程中水的相變潛熱也增大，降低了土體的凍結(jié)速率。同樣，在飽和度保持定值時，土體密度增大，則凍結(jié)速率加快。這是由于土體密度增大后，單位體積內(nèi)組成骨架的土顆粒數(shù)量增加，而孔隙減少，導熱系數(shù)增大所致。當冬季產(chǎn)生的凍脹量不大時，那么春季的融沉也隨之減小。此外，良好的壓實效果，可保證路基中的孔隙相對較少，土體不易受水分侵擾，能夠形成組構(gòu)的強度和穩(wěn)定性，保證路基的路用性能。

圖3 不同細顆粒含量對凍脹性的影響

3)路基的含水率。

路基土中自由水的存在是產(chǎn)生凍脹和融沉的重要因素之一。水在路基中遷移、相變的過程是產(chǎn)生凍脹融沉的本質(zhì)。自由水的多少及其補給是造成相同條件下具有不同凍脹量的基礎，春融期的融沉隨之產(chǎn)生。當凍前路基土處于干燥狀態(tài)時，正溫區(qū)內(nèi)土中的水分移動現(xiàn)象，主要是以水汽擴散的形式進行。水汽移動不會在零度邊界附近造成毛細水的補充積累，因此對工程危害不大。多雨的秋天造成凍前路基土濕度較大，這時向冷凍區(qū)移動的自由水主要以液態(tài)形式進行。在正溫區(qū)中自由水分移動的動力是懸掛毛細水變成薄膜水，導致整個毛細水柱逐漸吸向凍結(jié)區(qū)。由于水分在路基上層集中而使路基土層過度濕潤，且凍前含水率越大，水分遷移及潛熱釋放也越多，使凍速越慢，而自由水分則進一步遷移，凍脹也就越大。

3 結(jié)語

1)凍脹破壞主要由路基土中水分凍結(jié)引起體積膨脹，造成水泥路面拱起變形乃至開裂。融沉則是由于路基中冰晶融化造成水分過飽和導致路基模量下降并在行車荷載作用下形成不均勻沉降而造成路面破壞。

2)路基的凍脹將引起水泥混凝土路面不均勻拱起、縱長裂縫、橫向撓曲等病害，而融沉則在行車荷載作用下導致路面產(chǎn)生局部沉陷、車轍、水泥板塊板底脫空等破壞。

3)路基凍害主要是路基土質(zhì)、密度以及含水率等因素綜合影響的結(jié)果，當路基土凍脹性較強、含水率大并且溫度符合凍融條件時就可發(fā)生路基土凍融，在行車荷載作用下造成一定的影響破壞。

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