道路的冻胀机理

季节性冻土区道路的冻胀机理及防冻胀措施的浅析一、我国的冻土分布及研究的重要意义二、土体的冻胀机理三、土体冻胀的影响因素四、道路冻胀的破坏形式及原因五、现有道路的防冻胀措施一、我国的冻土分布及研究的重要意义1、冻土的组成及分布冻土:是指温度低于0℃以下的各种岩土体，由固体土颗粒、冰、液态水和气体四种基本成分所组成。冻土分多年冻土和季节性冻土。冻土我国是世界上第三冻土大国，冻土面积约占国土面积的75%，其中多年冻土占全国面积22.4%，而季节性冻土占全国总面积的52.6%。2、研究冻土的意义实践表明，无论是季节性冻土还是多年冻土，随着气温的变化，其表层都存在着一层冬冻夏融的冻结-融化层，这在路基施工中造成了许多危害，冻土区冻害是道路工程建设存在的主要问题。对于多年冻土已我国已经进行了深入研究，尤其是青藏公路和铁路成功修建和运营，为多年冻土的特性研究和防冻害措施提供了大量的经验，交通部门的规程和规范中也已经对多年冻土区工程设计和施工的专门规定。国内对季节性冻土路基的研究主要集中在季节冻土区路基防冻设计，根据冻胀发生的客观条件和冻胀机理，提出了相应的冻胀预报模式，对于季节性冻土路基的设计具有重大的指导意义。但是在我国现行的路基设计规范中对季节性冻土地区路基设计中所提到的内容较少，大多处于经验设计状态，缺乏理论依据和定量结论。所以为了防治这些道路冻害的发生，保障交通的正常的运输，延长道路的使用年限，必须对现存道路冻害原理和冻害防治措施进行深入的研究，提出更为具体和有效的防治道路冻害的措施，对现有的工程施工技术加以补充，具有重大的现实意义。二、土体的冻胀机理土体的冻胀分为原位冻胀和分凝冻胀两种。原位冻胀造成体积增大约9％，破坏力较小。而对工程中破坏巨大的是由于外界水分迁移补给形成的分凝冻胀。路基路面冰晶毛细带地下水针对水分迁移的研究，可分为毛细理论和冻结缘理论。毛细理论：由Everett提出，称为第一冻胀理论。不能毛细理论却不能解释不连续冰透镜是如何形成的，并且该理论低估了细颗粒土中的冻胀压力。冻结缘理论：由miiler提出，提出了冻结缘的概念，克服了毛细理论的不足，称为第二冻胀理论。冻胀计算的模型按照物理参数的选择方式可分为确定型计模型和随机型计算模型。前者根据精确确定的土体的物理、化学、热学参数以及它们之间的数学关系计算冻胀；后者则是一个黑箱子，综合考虑多种影响因素，借助模拟试验和统计规律来获得冻胀。按照计算原理划分，可以分为经验和半经验就算模型、流体动力学计算模型、刚冰模型及水热力耦合模型。三、土体冻胀的影响因素众所周知，水分迁移冻结成冰是产生大量冻胀的主要因素，然而不同土体的水分迁移的量也是不同的，这主要取决于土的粒度组成、土中的水分、土体的温度和外在荷载的制约。1、土的粒度组成试验表明，当土粒径为0.05～0.002mm时，冻胀性最大，冻结期间向冻结前缘带的水分迁移非常强烈，可形成厚度不等的冰透晶体，冻胀率η大于8%，属强冻胀或超强冻胀。当土颗粒粒径小于0.002mm的含量大于50%时，冻土的水分迁移量为粉粒粘粒砂粒。2、土中的水分在自然界中，经室内试验及工程实践表明，并不是含水的土体冻结时就一定发生冻胀，而是只有当土中的水分含量超过一定数值后才会有冻胀现象发生。试验表明当土体含水量小于起始冻胀含水量时，土中的孔隙只是被冰及未冻水充满，土体不会发生冻胀。3、土体的温度在室内试验中，对于粘性土当温度降至－3℃至－5℃左右时，土体冻胀率变化最大，此时的冻胀量约占最大冻胀量的75%左右，而冻胀速率过快，冻胀率则变小，所以要想产生较大的冻胀量一定要控制冻结温度和冻结速度。4、土体所受的荷载路面外荷载对未冻水含量的影响也十分显著，外荷载愈大，冻土中的未冻水含量愈大，含冰量愈小。同时，荷载还使得未冻水向冻结峰面以下运动，进而对冻胀起抑制作用。四、道路冻胀的破坏形式及原因常见的道路冻胀：冻胀开裂、融沉、翻浆冒泥。1、冻胀开裂2、融沉3、翻浆冒泥五、现有道路防冻胀措施由于道路冻害现象的产生要同时具备土质、温度、水三个因素的作用。因此，只要消除这三个因素中的一个就能达到防治的目的，现存最常用的是隔水法和保温法。1、隔水法隔水法：利用没有毛细作用的大粒径颗粒土或者隔水材料。常用天然砂砾、沥青封层和复合土工膜。2、保温法保温法：主要是控制冻结作用侵入到冻害性路基土的深度。要求热导率小、隔温持久，承载能力要高，耐水性要好，常采用有聚苯乙烯薄板。