凍土區塊石夾層路基防凍脹翻漿效果試驗研究

劉德仁，賴遠明，董元宏，李雙洋

（1. 中國科學院寒區旱區環境與工程研究所 凍土工程國家重點實驗室，蘭州 730000；2. 蘭州交通大學 土木工程學院，蘭州 730070）

1 引 言

我國是世界上第三凍土大國，高海拔凍土居世界之最，凍土充分發育，其中長期處于凍結狀態的多年凍土主要分布在東北大、小興安嶺、松嫩平原北部及高山地帶和青藏高原上，冬季凍結、春夏季融化的季節性凍土遍及長江流域以北的廣大疆域[1]。在凍土地區，伴隨著土中水的凍結和融化，發生著一系列奇異而獨特的凍土現象，如隨著大氣溫度的下降，土體溫度降到土中孔隙水結晶點時，土體便發生凍結，出現冰晶體，導致土體體積膨脹，引起附加的應力和變形，這就是凍脹現象。到了春季，隨著氣溫的上升，凍結后的土體從上層開始融化，但凍土層的下層尚未消融，水分無法下滲，使土體含水率增大，導致強度降低。一旦土體中冰侵入體消融成水，而土體又未能完全排水固結，就會使上部結構發生沉陷變形及道路融沉、翻漿等現象（如圖1所示）。

既然凍土區道路翻漿的主要原因是路基中水分的積聚，那么做好路基的排水和隔水設施是消除路基凍脹和翻漿的根本措施。目前較為常用的措施是換填凍脹性較小的粗顆粒土[2－4]。但現有室內外試驗和實際工程均已證明，通過換填粗顆粒土的方法只能減少凍脹，不能消除水分遷移。在反復凍融的情況下，粗顆粒填土內的含水率仍會有較大的提高，仍有翻漿現象的發生[5－7]。因此，要防止凍脹翻漿最為根本和最為有效的措施是在改變路基的溫度狀況的同時，改善水分遷移條件。從這個出發點考慮，本文提出了一種綜合利用透水土工布、塊石層和防水土工布的新型防道路凍脹翻漿的路基結構，并通過室內模型試驗來驗證這種新型路基結構的防凍脹翻漿效果。

圖1 道路凍脹翻漿病害Fig.1 Frost heave and boil diseases of road

2 試驗方案

2.1 試驗裝置

試驗裝置由模型試驗箱、控溫系統、通風系統和數據采集系統4部分組成[8－9]（見圖2）。

圖2 模型設備示意圖Fig.2 Sketch of model test equipments

模型試驗箱尺寸為8 m×1.84 m×2.7 m的保溫箱，路基模型位于其中。箱體采用10 cm厚的冷庫保溫板。

控溫系統由7.5 kW的SANYO雙頭壓縮機組、電腦溫控器（分辨率為0.1 ℃，精度為±0.3 ℃）、氟利昂液體循環管道、蒸發器及溫度傳感器組成。控溫過程經人工設定后，由電腦控制器自動控制，系統控溫范圍為-60～50 ℃。

通風系統由冷卻風扇、加速風扇、風速調節裝置、回流風道等組成。風向平行于箱體的長度方向。

數據采集系統由溫度傳感器（精度為±0.05 ℃）、水分傳感器（精度為±0.005）、DT500數據采集儀和計算機組成。計算機控制數采儀每20 min采集一次數據。

2.2 試驗設計

為了對比研究塊石夾層路基的防凍脹翻漿效果，共設計了兩種路基：防凍脹翻漿路基和普通路基（見圖3）。其中，防凍脹翻漿路基高為1.6 m，路基頂面寬為0.8 m，路基底面寬為5.6 m，邊坡坡度為 1∶1.5。碎石層厚為 0.6 m，碎石粒徑為 8～15 cm。普通路基尺寸與防凍脹翻漿路基相同，不同之處在于普通對比路基中沒有碎石層、防水土工布和透水土工布。兩組路基中間用保溫板隔開。兩種路基填土的干密度和含水率分別為 1.86 g/cm3和9.8%。圖4所示為模型試驗安裝過程中的照片，保溫板左側為防凍脹翻漿路基，右側為普通路基。

圖3 試驗路基剖面圖(單位: cm)Fig.3 Cross sections of test embankment (unit: cm)

圖4 模型試驗照片Fig.4 Photo of model test

本次試驗共設置了兩個監測斷面，分別為位于兩種路基的中間斷面。這兩個斷面上的探頭布置分別如圖 3(a)、3(b)所示。圖中用數字標示的實心點為溫度探頭，用字母A、B、C、D標示的空心點為水分探頭。

根據野外觀測資料，模型箱內的空氣溫度T按式（1）進行調控，即模型箱內空氣平均溫度為-4.5 ℃，溫度周期變化幅值為30 ℃，周期15 d（如圖5所示）。

式中：t為時間變量。

在試驗中，模型箱內安裝了浴霸燈泡以模擬太陽輻射的作用。根據附面層原理的要求調節浴霸燈泡的高度，使得路基表面的溫度、碎石層表面溫度與空氣溫度之差分別保持在6.5 ℃和4.0 ℃。試驗中模型箱內的風速控制為2.8 m/s。試驗路基全部安裝完畢后，在室溫下放置72 h，使得路基內的溫度達到穩定且兩組路基處于相同的初始溫度。然后開始試驗，按式（1）調節模型箱內氣溫。

圖5 試驗溫度控制曲線Fig.5 Test temperature controlling curves

3 試驗結果與分析

3.1 溫度分析

本次試驗進行了3個周期，總共45 d（1080 h），每20 min采集一次數據，因而數據較多，不能一一列出，僅給出了第3個周期內氣溫最高和最低時刻的溫度分布圖，如圖6、7所示。

圖6為第3個周期氣溫最低時的溫度場。此時試驗進行了 33.75 d（即第 810 h），環境氣溫為-19.5 ℃。兩種路基內均出現一個融化盤，但防凍脹翻漿路基內的融化核較小，并且整體溫度較低。此外，防凍脹翻漿路基內溫度梯度大，而且在路基表面附近區域的溫度遠低于普通對比路基，因而防凍脹翻漿在環境溫度較低時，具有較好的降溫效果。

圖7為第3個周期氣溫最高時的溫度場，試驗進行了41.25 d（即第990 h）。此時，盡管兩種路基內均有一個明顯的凍土核，但與普通對比路基相比，防凍脹翻漿路基內的凍土核面積較大，整體溫度偏低。其中，兩種路基中心的最低溫度分別為-10.4 ℃和-5.8 ℃，溫差為-4.2 ℃。由此可見，防凍脹翻漿路基的降溫效果明顯。

通過圖6、7對比分析發現，不論環境氣溫是最高還是最低時，防凍脹翻漿路基均能有效地降低路基內的溫度，具有良好的降溫效果。

圖6 第3個氣溫最低時的溫度分布Fig.6 Temperature distributions with the third minimum air temperature period

圖7 第3個氣溫最高時的溫度分布Fig.7 Temperature distributions with the third maximum air temperature period

3.2 水分分析

由于水分遷移和積聚是引起道路凍脹翻漿的主要原因，那么，只要能阻斷路基內的水分遷移路徑、降低路基土的含水率，將會有效地防止凍脹翻漿病害的發生及發展。

圖8給出了兩種路基的水分變化曲線，字母A、B、C、D對應圖3中的水分探頭。對于普通路基結構而言，隨著環境溫度周期變化，路基中的含水率始終較大，維持在25%左右。而防凍脹翻漿路基中的含水率隨著環境溫度變化明顯降低。例如，在翻漿易發生季節（春融期），與普通對比路基相比，3個試驗周期內分別平均減小了14%（7.5 d）、22.6%（22.5 d）和32.3%（37.5 d）。顯而易見，本文提出的綜合利用透水土工布、塊碎石層和防水土工布的新型防路基凍脹翻漿的路基結構能有效地減小路基內的水分含量，并且隨著周期循環的增加還有線性增大的趨勢（如圖9所示）。

圖8 路基內水分變化曲線Fig.8 Variation curves of water content in embankment

圖9 路基內含水率減小率變化曲線Fig.9 Variation curves of water content reduction in embankment

4 結 論

（1）不論環境氣溫是最高還是最低時，本文所提出的新型綜合防凍脹翻漿路基均能有效地降低路基內的溫度，具有良好的降溫效果，這對保護路基的穩定是非常有利的。

（2）在本試驗條件下，與普通路基相比，新型綜合防凍脹翻漿路基能大幅度地減小路基內的含水率。特別在翻漿易發期（春融季節），含水率最大減小了 32.3%。而且，隨著周期循環的增加還有線性增大的趨勢，這對防止凍脹翻漿病害的發生和發展是極其有利的。

（3）本文設計的綜合利用透水土工布、塊碎石層和防水土工布的新型防凍脹翻漿的路基結構，材料普遍、成本低廉、易于施工，防凍脹翻漿效果明顯，具有廣闊的應用前景。

[1] 徐斅祖, 王家澄, 張立新. 凍土物理學[M]. 北京: 科學出版社, 2001: 1－5.

[2] 李洪升, 楊海天, 劉增利, 等. 基于廣義強度準則的地基土換填防凍脹能力評估[J]. 巖土力學, 2003, 24(5):682－685.LI Hong-sheng, YANG Hai-tian, LIU Zeng-li, et al.Evaluation of anti-frost heave ability via replacement of ground soil based on generalized strength criterion[J].Rock and Soil Mechanics, 2003, 24(5): 682－685.

[3] 于琳琳, 徐學燕. 人工側向凍結條件下土的凍結試驗[J]. 巖土力學, 2009, 30(1): 231－235.YU Lin-lin, XU Xue-yan. Test analysis of disturbed soil by lateral artificial freezing[J]. Rock and Soil Mechanics,2009, 30(1): 231－235.

[4] 魏海斌, 劉寒冰, 高一平, 等. 粉煤灰土凍融循環后的動力特性試驗研究[J]. 巖土力學, 2007, 28(5): 1005－1008.WEI Hai-bin, LIU Han-bing, GAO Yi-ping, et al.Experimental research on dynamic properties of fly ash soil subjected to freeze-thaw cycles[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(5): 1005－1008.

[5] 谷憲明. 季凍區道路凍脹翻漿機理及防治研究[D]. 長春: 吉林大學, 2006.

[6] 王志勝. 長春市道路凍脹翻漿模型研究[D]. 長春: 吉林大學, 2007.

[7] 張滿儒, 向陽. 高原凍土區路基翻漿的原因及整治措施[J]. 交通標準化, 2006, (5): 57－58.ZHANG Man-ru, XIANG Yang. Reasons and adjustment measures of subgrade frost boiling in plateau permafrost areas[J]. Communications Standardization, 2006, (5):57－58.

[8] 張明義, 賴遠明, 高志華, 等. 開放條件下粒徑對塊石和碎石護坡降溫效果影響的試驗研究[J]. 巖土工程學報, 2006, 28(11): 1986－1990.ZHANG Ming-yi, LAI Yuan-ming, GAO Zhi-hua, et al.Experimental investigation on influence of grain-diameter on cooling effect of crushed rock revetment with permeable boundary[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2006, 28(11): 1986－1990.

[9] 喻文兵, 賴遠明, 張學富. 多年凍土區道碴結構鐵路路基室內試驗研究[J]. 土木工程學報, 2004, 37(8): 54－60.YU Wen-bing, LAI Yuan-ming, ZHANG Xue-fu.Laboratory experiment study of ballast structure railway embankment in permafrost regions[J]. China Civil Engineering Journal, 2004, 37(8): 54－60.