凍脹土

凍脹現象

所謂的道路凍脹，主要是冬季在路基土中沿著溫度的降低方向生成了冰晶體形狀的霜柱，使路面產生隆起的一種現象。隧道側牆的破壞主要由於土中霜柱的作用使土體沿冷卻方向的橫向產生凍脹，從而使隧道的側壁，向冷空氣侵入的隧道中心軸方向推移，因而沿著側牆部分的水平方向產生了作用力。坡面上的凍脹作用是沿著垂直方向發生的。凍脹作用使道路產生的破壞狀態在中央部分凍脹量最大，因而沿路面中心線的縱斷方向上產生縱向裂縫。這種凍脹破壞與冬季期間道路除雪情況以及路面施工接縫情況有密切關係。施工時在路面中心如果有接縫，則接縫處水平方向的抗拉強度比路面其他部分要小。

在春融期，由於路基土中冰晶體的融解，又成為土基或墊層承載力降低的原因。對砂石路，春融期間在荷載的作用下產生的翻漿現象，將會使道路出現嚴重病害。

為了防止上述的凍脹現象所引起的道路破壞，首先需要了解凍脹發生的機理，因此對引起道路凍害的一些因素，如土質、氣溫、土中水等要詳細進行調查，特別是對防止道路等土木構造物產生凍脹作用採用的措施研究中，應注意易引起地基凍脹的土是否發生了凍結，因而確定土的凍結深度是非常必要的。另外，對道路附屬構造物上部的填土是否會產生凍脹，也有必要進行確定。在那些寒冷地區，對凍結深度的確定及其深度範圍土的凍脹可能性的判斷都成為凍脹調查的要點。

道路的凍害防止措施，當前主要採用置換法、隔溫法及穩定土的處治方法等。一般情況下，所採取的措施從經濟性、施工方便及可靠性方面考慮，主要採取非凍脹敏感的粒狀材料置換冬季期間最大凍結深度約70%範圍的置換法。但是，由於材質良好的置換材料造價較高，因而採用了隔溫法等一些特殊的防止措施。

在寒冷地區的道路路面設計與施工中，對已有路面的凍害破壞情況及影響因素詳細調查的同時，對確定道路路面厚度有直接關係的當地凍深的確定和置換材料質量的評定都是不可缺少的一項工作。

路面凍脹，是由於凍脹作用造成的路面破壞，主要由於路面產生了凍脹變形，而這種變形在道路橫斷面方向上是不均勻的。在路面中央凍脹變形量最大，因而在道路中線上出現較大裂縫。道路橫斷面方向出現不均勻凍脹的原因，主要是由於路肩附近路面有積雪堆積，使這部分路面結構在寒冷時期有隔溫作用，而在路面中央部分，由於行駛汽車積雪需要清除，因而這部分路面上失去隔溫作用。所以，這部分的凍結深度和凍脹量都要比路肩部分大，使路面產生彎曲拉應力，造成路面的破壞。在瀝青混凝土路面中的這種破壞現象，由於和路面中央部分施工接縫一致，所以表現出在道路的縱斷方向產生較大裂縫的特徵。

另外，對土覆蓋較淺的橫向涵渠和管道，當回填材料為易引起凍脹的土時，由於涵管內壁受冷空氣的作用，因而產生的凍脹變形比外側的要大。由於涵管的凍脹在道路的橫斷面上路面出現了凸起產生了裂縫。這種現象，使冬季高速行駛的汽車產生了一定的危險性。

道路凍脹現象已成為路面的一種破壞形式，而到了春融期間，路基土中的霜柱融解而導致土基、墊層承載能力的下降。春融期，路基土中由霜柱構成的冰層從上部向下開始融化，其附近的土層處於飽和狀態。特別是融解的水被未解凍的土層阻擋停留在保持凍結的土層上，很難向下滲透，尤其是當土中一次形成大量凍層時，土融解后，土的密實度減小，因而這部分土基的承載能力明顯降低。如果道路處於這種狀態，當大量的重車通過時，瀝青混凝土面層或者水泥混凝土板下表面的拉應力增大，土基表面的垂直變形也要增加，當超過其極限值時，在輪跡處產生網狀裂縫，隨之路面下沉，遭到破壞。

在寒冷地區的道路，為了防治凍脹破壞的產生，對影響凍脹現象的主要因素，如土質、氣溫、地下水、荷載等要進行調研，提出相應的防止措施。同時，根據凍脹調查，推算出地基的凍結深度，求出凍脹量。

在防止凍脹的措施方面，對土質的調查極其重要。進行土質 調查時，在道路路線的適當間隔進行鑽探，達到預想的凍深處。土質調查項目要包括各層土的粒度組成、密實度、含水量及比重情況等內容。如果在所修建道路的兩側，已修建了道路和鐵路的情況，應了解在修建時的土質狀況以及這些道路在使用中有無凍害情況。對有代表性的土質進行凍脹試驗。

影響凍脹的主要因素是土質，目前對土的含水量、土顆粒的大小給予凍脹的影響作用也被重視起來了。凍脹破壞的程度大小與顆粒組成中的粉土，粘土含量有一定關係。含粉土、粘土成分少的砂礫、砂、碎石等，通過試驗基本上不產生凍脹現象。

氣溫的調查，對確定道路凍脹現象有否可能發生，是很重要的。特別是計算地基的凍結深度更為必要。影響地基凍結深度的最重要因素是當地的地表溫度。但在實際應用中，可以利用附近氣象觀測站的資料。

地下水位的調查，大部分是與土質調查工作同時進行。在凍脹現象中，地下水對水分的補給起著重要的作用。初期含水量大的土比含水量小的土，一般來說，凍脹量也大。

地下水位對地基產生的凍脹量有很大的影響。對顆粒較大的透水性較高的土，如果荷載作用力小到可以忽略不計時，凍脹量與距地下水位距離的平方成反比。同時，當地下水位在大於2米時，凍脹現象很小，或基本不發生凍脹現象。另外，接近地下水位的土質條件，對是否產生凍脹也有很大的影響。

路基土中所生成的霜柱，在不斷發展的過程中，路面被抬高，產生了較大的凍脹力。當凍脹力超過了路面結構的抗拉強度，路面就會出現裂縫。

路基凍結深度，隨著土質、土中形成的霜柱情況、日照、積雪量等的不同，而有很大的差異。除此之外，路面顏色、路面類型、地形及覆蓋情況對凍深的大小也有很大的影響。

凍脹量是指凍結前後的地基表面的高低差值，大致等於地基產生霜柱的冰晶體厚度總和。道路的凍脹量的測定，根據在凍結前埋設的水準點作為標準，在路面上標出測定點，測定路面標記點的標高變化。

凍脹現象的產生要同時具備土質、溫度、地下水三個因素的作用。因此，為了防止道路凍脹破壞作用的產生，只要消除這三個因素中的一個，就能達到防治的目的。防治道路凍脹的措施可以歸納為以下幾類：①採用非凍脹材料換填凍脹土的“置換法”；②在路基中設置隔溫層，提高凍脹土的溫度，減少凍脹量的“隔溫法”；③在凍脹土中摻入石灰和水泥，改變其凍脹性質；④降低凍結溫度的“穩定處理法”。上述的這些措施中，目前主要採用置換法和隔溫法，或者二者配合使用。

作為防治道路凍脹的置換法是採用非凍脹材料，換填部分凍脹性土，應用時主要確定採用何種粗顆粒材料，置換到何種深度的問題。

採用置換法，根據實踐和經濟方面考慮，可以採用廉價的粗顆粒材料，置換深度約為最大凍深的70%左右。

對置換法所採用的粗顆粒材料，要符合質量和規格方面的要求，同時，要求這種材料本身不能產生凍脹，這是必須保證的條件，什麼樣的材料是非凍脹性的材料？主要是根據室內凍脹試驗來判斷。一般來說，包括砂、砂礫、碎石等材料。

為了防止道路的凍脹破壞，在採用隔溫材料時，要選擇傳導率小的材料，才能有好的隔溫性能。材料的隔溫性能要持久，承載能力要高，耐水性好，並且應該經濟廉價。比如聚苯乙烯薄板。

在道路路面中採用的隔溫法，目的主要是控制凍結作用侵入到凍脹性路基土的深度。採用這種方法，要非常注意在隔溫層上墊層的施工工藝問題。避免墊層材料和在機械壓實過程中，對隔溫材料造成破壞。

關於寒冷地區，對道路路面防凍的調查研究，在此僅提出一點淺見，道路凍脹對我國北方的公路已經造成了一定的影響。因此，我們應該對道路凍脹進行深入的研究，提高其抗凍脹性能，延長公路的使用壽命和年限。

3.1渠道凍脹機理

渠道凍脹破壞是由於渠基土受凍體積膨脹頂托襯砌而形成，渠基土受凍體積膨脹必須具備以下條件：

⑴寒冷氣候區持續的負溫條件；

⑵土壤中自由水和毛細水的存在，並且有通暢的水分補給通道；

⑶土壤本身的物理力學性質，包括土的顆粒組成，礦物質成份等。在以上三個條件中，土壤中自由水和毛細水的存在是凍脹發生的的先決條件，也是必備條件。在整個漿脹破壞過程中，水是最活躍的因素。

從目前受凍脹破壞的渠道來看，基本上位於灌區內，且處於灌區中、下游的居多。這是因為在灌區中下游地區，地下水埋深淺，土壤顆粒細，土體中自由水和毛細水的補給十分充足。一旦氣溫下降至零度以下，土體中的自由水和毛細水的體積受凍膨脹，引起土體膨脹，頂托襯砌，破壞渠道。

在河區下部，凍脹破壞不但發生在挖方渠道中，在半挖半填渠道中也普遍存在。由此可以看出，毛細水的凍脹性也不容忽視。

綜上所述，凍脹破壞是寒冷地區渠道建設中的一大難題，由土壤中的水、土體顆粒物理性質和負溫所致，大多發生在灌區的中下部。

3.2渠道防凍脹處理形式及比較

3.2.1渠道防凍脹處理形式

渠道防凍脹處理可通過改變渠道結構形式來實現，即用“U”形或矩形斷面來代替梯形斷面。但這種處理形式只適用於小渠道，流量小於1m3/s的渠道。對於大渠道來說，若採用這種處理方式，難免造成造價和施工難度的加大，加大的幅度還較大。

從上述導致土體凍脹的的三個基本因素中，只有三個因素同時具備，才發生凍脹破壞。只要消除其中一個因素，就能防止和減輕凍脹危害。從目前新疆地區的氣候條件來看，外部溫度不達負溫是不可能的，因此只有採取保溫措施達到內部不負溫。切斷凍土地基在凍結前、后的水分補給是過去防凍脹處理常用的法，此外改變渠基土體的基本結構也是保證土體非凍脹性的一種方法。

要切斷凍土地基在凍結前後的水分補給，通常是採用高填或排水措施來減少水分的補給。但是由於土體顆粒及物理力學性質的決定，毛細水的作用不可忽視。毛細水往往上升至地下水面以上2～3m的平面上，同樣會對渠產生凍脹破壞。例如庫爾勒市哈拉蘇農場的一個小渠道，流量1.5m3/s，旁邊平行有一條深1.5～2m的排水溝，渠道為半挖半填渠道，在施工中就發生了凍脹破壞。因此對於細顆粒土體，要完全切斷水分的補給是不現實的，毛細水的凍脹破壞不容忽視。

改變基土的基本結構的辦法是進行渠基土的換填，就是用大顆粒的土體填入渠基，將原來的細顆粒土體挖走。這種換填工程量較大，換填厚度一般要大於等於凍土深度。如果在凍土深小的地區使用尚可，若在凍土深較大的地區使用，往往工程量是巨大的。

從目前情況看，任何工程要根本迴避和解決凍脹三因素之一，從考慮經濟和投資省的情況下，都是非常困難和把握不住的。因此在實際工作中，往往將幾種工程措施結合起來使用。即以迴避一種因素為主，輔之以迴避另一種因素的綜合措施進行防凍脹處理。如在匯要兩面三刀側開挖排水溝降供銷水分補給的同時，對基土進行一定厚度的換填。用砂或戈壁層加塑膜進行保溫，以減少凍脹破壞。

近來隨著新型建築材料的問世，苯板越來越多地應用於渠道的防凍脹處理。苯板防凍脹的主要機理是它具有保溫的功效，保證了渠基土不受負溫的影響，同上述砂或戈壁層加塑膜保溫的原理是一樣的。根據現有對苯板的搞凍試驗資料，10cm厚的苯板可起到100cm厚砂或戈壁層的保溫效果。遠大於相當於5～10cm厚戈壁、砂的塑膜的保溫效果。

3.2.2渠道防凍脹處理形式比較

在高地下水位區，即使採取了斷絕土壤中水分補給的措施，仍難以保證阻止毛細水的上升，因此還必須採取其它防凍脹處理形式。

對渠基土進行換填是一種防凍脹的處理形式，它即改變了渠基土的結構，又具有一定的保溫作用。它的優點是：①當渠道附近有大量換填材料時，造價可能便宜；②由於對渠基進行了徹底換填，當質量達到要求時，可保證渠道永久不受凍脹危害。同時也具有以下缺點：①由於換填厚度大，土方工程量較大，當換填材料運距較遠時，造價較高；②施工難度大，清除了渠基原土，換填后的砂、戈壁難以進行夯實，要達到施工規範要求，難度較大；③換填料的質量難以把握，要求回填含土量小於5%的料。採用天然材料，很難尋找料源。若採用人工加工料，則不經濟。

若不採用基土回填，只鋪設苯板保溫，防止渠基土凍脹也是近年來漸漸採用的一種防凍脹處理形式。它只有保溫作用，不對基土進行回填。具有以下優點：①抗凍效果好，採用10cm的苯板即達到了換填100cm砂或戈壁的保溫效果；②施工方便，渠道開挖斷在小。不對基土進行攏動，直接將苯板置於基土上，在苯板上直接進行襯砌材料的施工；③在一定條件下造價便宜，使用的施工機械少，人工省。採用苯板，不進行基土換填，避免了大量土石方機械的使用。當基土換填材料運距大於一定距離時，其造價低的優勢立即顯現。苯板防

凍脹材料的缺點是：在一定條件下，同換填相比，造價較高。當基土換填材料運距小於一定距離時，其造價明顯高於換填處理。

拿開都河第一分水樞紐北岸乾渠為例。該渠道為開都河第一分水樞紐配套輸水渠，長km，輸水流量m3/s。

4.1庫塔乾渠西乾渠

庫塔乾渠是開~孔河流域灌區的一條主要的灌溉渠道，主要承擔向孔雀河下游灌區的輸水任務。乾渠由總乾渠、東乾渠、西乾渠組成，目前建設完成了總乾渠和西乾渠，東乾渠即將建設。總乾渠長17.8km，上段設計流量為35m3/s，加大流量40 m3/s；下段設計流量30m3/s，加大流量35 m3/s。西乾渠長38km，設計流量20~10m3/s，加大流量23~10 m3/s。庫塔乾渠灌溉著庫爾勒市、尉犁縣37.52×104畝的土地面積。

西乾渠為梯形斷面，渠深3.3m，底寬2.15m，邊坡為1:1.5，水深為2.59m。兩邊渠堤寬度為2.5m，渠道外邊坡也為1:1.5。渠道襯砌採用70mm厚的C20預製砼板，砼板下部為60mm厚的苯板用於防凍脹。

渠基土為粉細沙，顆粒細，保水性好，屬凍脹土。經苯板防凍脹處理后，經過8年的運行，未發生凍脹破壞。

4.2開都河第一分水樞紐北岸乾渠

是開都河第一分水樞紐的配套輸水乾渠，開都河第一分樞紐合併了開都河兩岸多座無壩引水龍口，使兩岸引水得到了統一管理。北岸乾渠全長22.9km，設計引水能力32m3/s，灌溉面積47.55×104畝。它連接了第一分水樞紐及北岸的四條引水乾渠，使樞紐發揮作用，實現了用渠道輸水代替河道輸水。渠道為梯形，底部為弧形。渠深為2.4m，圓弧形底深0.4m，梯形深2.0m，渠底寬為3.0m。渠道內邊坡為1:1.75，渠堤頂寬為2.0m，其中封枯板寬為0.6m。渠道襯砌採用現澆砼板，板厚10cm。根據各渠段地基土的情況，渠道防凍脹採用了不同的形式。上段8km採用基土換填的處理方式，下段根據需要，有的地方在弧形底板下部布設了10cm厚的苯板，有的地方在邊坡上布設了苯板。渠道上段完工後，發現部分渠段出現了斷板和凍脹現象。分析原因，基本上可以得出如下結論：斷板原因為換填基土密實度未達設計要求，再加之施工單位偷工減料板厚未達設計厚度所致；凍脹原因為換填基土耒達設計要求的級配，內含細顆粒較多而造成。因此渠道防凍脹形式若採用換填的處理方式，則換填土的本身質量及施工質量對渠道能否正常運行關係較大。在施工過程中，應嚴格控制，但受施工條件的限制，這些要求達到的難度較大。北岸乾渠下段採用苯板防凍脹，施工方便，防凍脹效果較好，但缺點是同換填相比較，造價較高。

4.3尉犁縣塔里木北乾渠

塔里木北乾渠位於尉犁縣境內，建於20世紀50年代，是尉犁縣主要棉區——古勒巴格鄉、團結鄉、塔里木鄉的灌溉渠道，灌溉面積為11×104畝。乾渠現為土渠，長24.814km，渠道縱坡1/6000~1/8000，過水流量為5m3/s，過水斷面為20m2，流速0.3m/s。渠道滲漏嚴重，渠道水利用係數為0.85。

計劃對該乾渠進行防滲改造，採用砼板防滲。由於渠基土為龍四系粉細砂、粉土、粘土，再加之地下水埋深淺，因此渠道受凍脹的威脅較大，防凍脹設計龍其重要。

渠道底寬1~2m，渠深1.86~2.35m，邊坡1:1.5~1:1.75，渠堤寬2.5m，封頂板寬0.3m。渠道防滲採用80mm厚的C20預製砼板。防凍脹採用了兩種形式比較，一種為砼板下鋪60mm厚的苯板保溫，一種為渠基換填40~60cm的砂礫墊層防凍脹。

苯板從庫爾勒市購進，平均運距67km，砂礫料從尉犁縣與庫爾勒市交界處的希尼爾地區拉運，平均運距30km。兩種方案的渠道斷面相同，經比較，苯板方案總投資為2611.67×104元，換填砂礫料方案總投資為3110.41×104元。方案一具有投資省、施工簡單的特點，因此塔里木北乾渠的防凍脹採用鋪苯板保溫的設計形式。

結語

對渠道防凍脹處理方式的選擇，關係到渠道的造價和施工的難易，必須慎之又慎。苯板作為一種新型的渠道防凍脹處理方式，具有其獨特的優點。現階段巴州對苯板的運用還剛開始，一切還處於試驗摸索階段。雖然已有成功的運用例子，但需在今後的渠道設計與施工中不斷地總結經驗，進一步完善苯板的防凍理論和實際運用經驗，為這一新型防凍材料的大面積推廣應用提供條件。