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路基翻浆主要发生在季节性冰冻地区的春融时节,以及盐渍、沼泽、水网等地区。
翻浆是伴随冻胀而发生的,冻胀是翻浆形成过程中一个十分重要的发展阶段。
我国北方季节性冰冻地区夏秋两季雨水偏大,尤其在秋末,气温较低,蒸发量少,当路基排水不畅时,大气降水或农田灌溉用水下渗至路基使地下水位上升。入冬,路基表面开始冻结,其中路基土孔隙内的自由水首先冻结,形成冰晶体。随着温度的降低,冻结线向下推移,在冻结线附近土中的薄膜水被冰晶体吸附而冻结。该处土粒的结合水膜变薄,下部水膜较厚的薄膜水就不断向上迁移积聚,在温度为- 内可连续进行。与此同时,毛细水在负温压作用下也向上迁移形成聚冰层。当聚冰层达到一定限度时,就会出现冻胀,使路面降低或开裂。春融期间,路面及其下面的路基土融化较快,而路基下部的冻结层仍处于冻结状态或融化较慢,在化冻开始一段时间内,路基上部的过量水分不能迅速向下或向两侧排除,当冰水不多时,路面的顶面会呈现一些潮湿的斑点,当冻土层里的冰水较多而又无法排除时,就会使路基上部处于过湿或饱水状态,强度降低,稳定性减弱,在行车荷载作用下便会出现湿软、弹簧甚至冒泥等翻浆现象。
影响道路翻浆的主要因素有土质,水分,温度,行车荷载与路面等。其中土、水、温是内因,行车荷载和路面构造是外因,翻浆的产生是它们综合作用的结果。
一、土质因素
冻胀性强的土容易产生翻浆,如粉质土,粘性土具有透水性小、毛细上升高、上升速度快的特性,在负温作用下最适宜水分迁移,聚冰。春融时承载能力随土中水分的增多而急剧下降,粘性土虽然毛细升高速度慢但在有外来水源补给充足的开敞体系中聚冰和冻胀程度都很严重。但当土中粉粘粒含量(小于0.005mm)大于5%以后,这种土实际已变成不透水性,形成了一个不透水层,阻碍水分迁移,使冻胀性急剧减少(可减少原来的2~4倍或更多)。
另外,当粉性,粘性土中含有大量腐殖质和易融盐时,则更易产生翻浆。例如我省黑河市地表土壤多为黑色腐植土,包括淋溶土和草甸土,这种土壤湿容量大,有机质含量多,对农业很有利,但对道路土基来说,这种土壤冻胀性较强,即不宜充分压实,又宜蓄水和聚冰,是造成翻浆的根本原因。
二、水分因素
水是造成道路翻浆的根本原因。翻浆的过程实质上就是水在土基中转移、变化的过程。秋季冻前含水量和冻结过程中地下水位的变化,对道路翻浆的发生与发展极为重要。秋季雨水大,土基冻前含水量将明显增加。路基附近的地表积水,浅的地下水,以及河流,灌溉水等不断渗入,都会使地下水位升高,造成土基冻结过程中有大量的水分转移,为土基冻胀和翻浆创造了有利条件。路基水来源见下图:
用水分迁移原理,可以较容易地解释关于冻土中水分重分布问题和有关水分子迁移现象。因为,土在负温下一经发生冻结,土的相态平衡状态必然受到干扰和破坏,这就必然引起水分迁移;而在已经冻结的细粒土中,之所以又可观察到水分能持续不断地向冷锋面迁移,这是由于土温降低引起水的结晶,使土粒子表面自由能量增长,分子吸附力增大,朝冷源方向存在着各种梯度,因而也就造成了冻土内部液态水向冻结锋面不断迁移现象。
在有外来水源补给条件下的冻土中,之所以会形成很多很厚的冰夹层,是由于水分迁移速度与冻土冷却率之间的关系所决定的。在一定位置上,冻结温度越高,外来渗入水形成冰晶体的时间越长,因而,在该处形成的冰夹层厚度也就越厚。
在已冻结的土中,只有当冰面与土粒子面存在有吸附的未冻水时,这种水分迁移才可能发生,并同时遵循正温土体薄膜水迁移的规律。但由于冻土中还存在各种冰晶体凝力等因素,又使它具有自己的特点。这时的薄膜水迁移过程是相当缓慢的。
三、温度因素
土壤只有在一定的负温下才能冻结和冻胀,而冻结深度的变化又与冰冻指数(日、月或季负温总合和—日)有密切关系。
一般来说,冻结指数越高,冻结深度越大,路基的冻胀量也越大,则产生翻浆越重。而在同样冰冻指数和冻结深度条件下,冻结速度(cm/时)和温度梯度(/cm),对冻胀和翻浆的影响很大。特别是在初冬气温较高或冷暖交替出现频繁时,使冻结速度缓慢,温度在0~-3 ~-5 之间停留时间较长,就会造成大量水分聚流到路面下较浅的冻结锋面处冻结和冻胀,形成较严重的翻浆;反之冬季一开始就很冷,温差梯度大,冻结速度快,则水分尚未来得及向上层转移,路基上部土中的水就冻结了,此时,在路面下较近处聚冰不多,翻浆较轻或不发生翻浆。若融冻速度很快,土基急剧融化,则会加重翻浆的程度。尤其是在此期间冷暖交替,并伴有雨雪等,更会使翻浆加重,并可能延长翻浆的时间。
冻土的热量传递是在垂直方向和水平方向进行的。垂直方向是指冻土层与下层融土层、冻土层与冻土层之间。以及冻土表面与大气间的热量传递与交换。水平方向是指与相邻的地貌和结构单元所进行的热量传递与交换。
热量交换过程是指冻土本身与周围环境之间的热量交换。热量交换是一个复杂的热运动过程。它通过辐射形式、对流形式和传导形式而进行着。就地面温度的变化规律来看是正弦形式变化,变化规律可用曲线方程表示。
t=tcp+Asin(式中tcp——地表温度;t——年平均地温;A——振幅;T——周期; ——时间)
冻土层中的热量传递方式以传导为主,在冻土层中的热量传递过程,通过每个断面的热量相等时,称这种传递过程为稳定过程,通过每个断面的热量不等时,冻土层的传导是正方向的,而且内能在减少。在放热时,因为温度降低而转化为吸热。在正向传递过程中,由于不断地降温,阻止这一过程,并转为负向。在吸热的半周中,由于内能增加而融化造成了吸热的受阻。因而吸热又为放热过程准备了条件。在热量的周转过程,产生了能量的积累。如果吸入大于支出,则称为正积累,反之为负积累。积累的能量是以不同的方式出现的。其结果可以使冻土层产生一个平均的地温和冻融深度。
四、行车荷载因素
道路翻浆是通过行车荷载的作用,最后形成和暴露出来的。具备翻浆的水、土、温等自然条件,但无行车荷载作用,也是不可能产生翻浆的。反之,不具备翻浆因素的良好道路车辆再多也不可能产生翻浆。当具备了翻浆的条件后,在翻浆季节交通量越大,车辆越多,则翻浆也越严重。所以说,翻浆的发生是土、水、温、压综合作用的结果,缺一不可。但在某一特定条件下,又会有其中的一种或二种因素起主导作用,成为引起翻浆的主要因素。
五、路面及其它因素
道路翻浆是通过路面的变形破坏而表现出来的,并按其变形破坏程度来划分等级的。因此,翻浆和路面是密切相关的。
不同的路面结构路面厚度,对翻浆有一定的影响,一般地说,蒸发量较大的潮湿土基,较蒸发量较小的潮湿土基翻浆的程度要轻些。所以,在某些潮湿土基上铺筑黑色路面以后,便使路基中的水分不能畅通地从表面蒸发出来,结果导致了翻浆。而原路面却没有翻浆,就是由于不同的路面结构引起的。
其次,没有稳定层或隔离层的路面结构,以及路面厚度较大的,翻浆程度也都会减轻,或者不发生翻浆。
翻浆是伴随冻胀而发生的,冻胀是翻浆形成过程中一个十分重要的发展阶段。
我国北方季节性冰冻地区夏秋两季雨水偏大,尤其在秋末,气温较低,蒸发量少,当路基排水不畅时,大气降水或农田灌溉用水下渗至路基使地下水位上升。入冬,路基表面开始冻结,其中路基土孔隙内的自由水首先冻结,形成冰晶体。随着温度的降低,冻结线向下推移,在冻结线附近土中的薄膜水被冰晶体吸附而冻结。该处土粒的结合水膜变薄,下部水膜较厚的薄膜水就不断向上迁移积聚,在温度为- 内可连续进行。与此同时,毛细水在负温压作用下也向上迁移形成聚冰层。当聚冰层达到一定限度时,就会出现冻胀,使路面降低或开裂。春融期间,路面及其下面的路基土融化较快,而路基下部的冻结层仍处于冻结状态或融化较慢,在化冻开始一段时间内,路基上部的过量水分不能迅速向下或向两侧排除,当冰水不多时,路面的顶面会呈现一些潮湿的斑点,当冻土层里的冰水较多而又无法排除时,就会使路基上部处于过湿或饱水状态,强度降低,稳定性减弱,在行车荷载作用下便会出现湿软、弹簧甚至冒泥等翻浆现象。
影响道路翻浆的主要因素有土质,水分,温度,行车荷载与路面等。其中土、水、温是内因,行车荷载和路面构造是外因,翻浆的产生是它们综合作用的结果。
一、土质因素
冻胀性强的土容易产生翻浆,如粉质土,粘性土具有透水性小、毛细上升高、上升速度快的特性,在负温作用下最适宜水分迁移,聚冰。春融时承载能力随土中水分的增多而急剧下降,粘性土虽然毛细升高速度慢但在有外来水源补给充足的开敞体系中聚冰和冻胀程度都很严重。但当土中粉粘粒含量(小于0.005mm)大于5%以后,这种土实际已变成不透水性,形成了一个不透水层,阻碍水分迁移,使冻胀性急剧减少(可减少原来的2~4倍或更多)。
另外,当粉性,粘性土中含有大量腐殖质和易融盐时,则更易产生翻浆。例如我省黑河市地表土壤多为黑色腐植土,包括淋溶土和草甸土,这种土壤湿容量大,有机质含量多,对农业很有利,但对道路土基来说,这种土壤冻胀性较强,即不宜充分压实,又宜蓄水和聚冰,是造成翻浆的根本原因。
二、水分因素
水是造成道路翻浆的根本原因。翻浆的过程实质上就是水在土基中转移、变化的过程。秋季冻前含水量和冻结过程中地下水位的变化,对道路翻浆的发生与发展极为重要。秋季雨水大,土基冻前含水量将明显增加。路基附近的地表积水,浅的地下水,以及河流,灌溉水等不断渗入,都会使地下水位升高,造成土基冻结过程中有大量的水分转移,为土基冻胀和翻浆创造了有利条件。路基水来源见下图:
用水分迁移原理,可以较容易地解释关于冻土中水分重分布问题和有关水分子迁移现象。因为,土在负温下一经发生冻结,土的相态平衡状态必然受到干扰和破坏,这就必然引起水分迁移;而在已经冻结的细粒土中,之所以又可观察到水分能持续不断地向冷锋面迁移,这是由于土温降低引起水的结晶,使土粒子表面自由能量增长,分子吸附力增大,朝冷源方向存在着各种梯度,因而也就造成了冻土内部液态水向冻结锋面不断迁移现象。
在有外来水源补给条件下的冻土中,之所以会形成很多很厚的冰夹层,是由于水分迁移速度与冻土冷却率之间的关系所决定的。在一定位置上,冻结温度越高,外来渗入水形成冰晶体的时间越长,因而,在该处形成的冰夹层厚度也就越厚。
在已冻结的土中,只有当冰面与土粒子面存在有吸附的未冻水时,这种水分迁移才可能发生,并同时遵循正温土体薄膜水迁移的规律。但由于冻土中还存在各种冰晶体凝力等因素,又使它具有自己的特点。这时的薄膜水迁移过程是相当缓慢的。
三、温度因素
土壤只有在一定的负温下才能冻结和冻胀,而冻结深度的变化又与冰冻指数(日、月或季负温总合和—日)有密切关系。
一般来说,冻结指数越高,冻结深度越大,路基的冻胀量也越大,则产生翻浆越重。而在同样冰冻指数和冻结深度条件下,冻结速度(cm/时)和温度梯度(/cm),对冻胀和翻浆的影响很大。特别是在初冬气温较高或冷暖交替出现频繁时,使冻结速度缓慢,温度在0~-3 ~-5 之间停留时间较长,就会造成大量水分聚流到路面下较浅的冻结锋面处冻结和冻胀,形成较严重的翻浆;反之冬季一开始就很冷,温差梯度大,冻结速度快,则水分尚未来得及向上层转移,路基上部土中的水就冻结了,此时,在路面下较近处聚冰不多,翻浆较轻或不发生翻浆。若融冻速度很快,土基急剧融化,则会加重翻浆的程度。尤其是在此期间冷暖交替,并伴有雨雪等,更会使翻浆加重,并可能延长翻浆的时间。
冻土的热量传递是在垂直方向和水平方向进行的。垂直方向是指冻土层与下层融土层、冻土层与冻土层之间。以及冻土表面与大气间的热量传递与交换。水平方向是指与相邻的地貌和结构单元所进行的热量传递与交换。
热量交换过程是指冻土本身与周围环境之间的热量交换。热量交换是一个复杂的热运动过程。它通过辐射形式、对流形式和传导形式而进行着。就地面温度的变化规律来看是正弦形式变化,变化规律可用曲线方程表示。
t=tcp+Asin(式中tcp——地表温度;t——年平均地温;A——振幅;T——周期; ——时间)
冻土层中的热量传递方式以传导为主,在冻土层中的热量传递过程,通过每个断面的热量相等时,称这种传递过程为稳定过程,通过每个断面的热量不等时,冻土层的传导是正方向的,而且内能在减少。在放热时,因为温度降低而转化为吸热。在正向传递过程中,由于不断地降温,阻止这一过程,并转为负向。在吸热的半周中,由于内能增加而融化造成了吸热的受阻。因而吸热又为放热过程准备了条件。在热量的周转过程,产生了能量的积累。如果吸入大于支出,则称为正积累,反之为负积累。积累的能量是以不同的方式出现的。其结果可以使冻土层产生一个平均的地温和冻融深度。
四、行车荷载因素
道路翻浆是通过行车荷载的作用,最后形成和暴露出来的。具备翻浆的水、土、温等自然条件,但无行车荷载作用,也是不可能产生翻浆的。反之,不具备翻浆因素的良好道路车辆再多也不可能产生翻浆。当具备了翻浆的条件后,在翻浆季节交通量越大,车辆越多,则翻浆也越严重。所以说,翻浆的发生是土、水、温、压综合作用的结果,缺一不可。但在某一特定条件下,又会有其中的一种或二种因素起主导作用,成为引起翻浆的主要因素。
五、路面及其它因素
道路翻浆是通过路面的变形破坏而表现出来的,并按其变形破坏程度来划分等级的。因此,翻浆和路面是密切相关的。
不同的路面结构路面厚度,对翻浆有一定的影响,一般地说,蒸发量较大的潮湿土基,较蒸发量较小的潮湿土基翻浆的程度要轻些。所以,在某些潮湿土基上铺筑黑色路面以后,便使路基中的水分不能畅通地从表面蒸发出来,结果导致了翻浆。而原路面却没有翻浆,就是由于不同的路面结构引起的。
其次,没有稳定层或隔离层的路面结构,以及路面厚度较大的,翻浆程度也都会减轻,或者不发生翻浆。