季凍區(qū)路基凍脹影響因素分析及防治措施研究

程培峰 林 宏

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

我國季節(jié)性凍土區(qū)占國土面積的53.5%，主要分布在黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏、青海、新疆北部等地，覆蓋范圍廣，緯度越高地區(qū)的凍土層厚度越大［1］。一定深度內(nèi)的路基土的溫度隨著冬季大氣溫度的降低而降低，當土層溫度達到0℃以下時，土體中水分會隨之凍結(jié)從而形成凍土。目前，國內(nèi)外對于多年凍土研究較多，而對于季節(jié)性凍土研究相對較少。在季節(jié)性凍土區(qū)，路基隨著季節(jié)的變化反復(fù)出現(xiàn)凍脹融沉現(xiàn)象及引發(fā)各種道路病害，導(dǎo)致路基高低不平，嚴重影響行車安全［2］。

近年來，隨著對凍脹機理的不斷分析研究，發(fā)現(xiàn)路基土凍脹是溫度、水分、土質(zhì)這三方面因素共同作用的結(jié)果，它們既是引起凍脹的前提條件，又起到關(guān)鍵的影響［1］。本文首先對哈爾濱市區(qū)道路凍害進行相關(guān)調(diào)查并對取自哈爾濱市的路基粘土進行閉式凍脹試驗，系統(tǒng)研究凍脹率的變化規(guī)律，并提出防治凍害的一系列措施，希望對季凍區(qū)路基土體凍脹研究工作有所幫助，并為提高我國季凍區(qū)道路工程建設(shè)質(zhì)量和使用性能提供理論參考。

1 調(diào)查

哈爾濱市是典型的季節(jié)性凍土區(qū)，在凍害特征體現(xiàn)最顯著的3月末～4月初，對哈爾濱市區(qū)內(nèi)的和興路、學府路、尚志大街3條主干路和新偉街等2條次干路進行了凍害調(diào)查，分析了季凍區(qū)路基的主要凍害類型。

1)凍脹、翻漿。

凍脹是由于夏秋地面水下滲或下水位升高的基礎(chǔ)上，在冬季負氣溫的作用下，發(fā)生水分遷移，使路基上層水分增多，并凍結(jié)成冰而形成，由于土中水的凍結(jié)和冰體(特別是凸鏡狀冰體)的增長而引起土體膨脹，地表不均勻隆起的現(xiàn)象，使地面發(fā)生變形。到了春季凍土表層首先融化，而下部沒化通，融化的土壤水滲不下去，上部土體飽水而呈稀釋狀態(tài)，在外力作用下(通車)，造成道路翻漿毀壞，而無法通車，甚至造成車毀人傷。

2)融沉。

融沉是凍土融化時發(fā)生的下沉現(xiàn)象。一種是與外荷載無關(guān)的融化沉降，另一種是與外荷載直接有關(guān)的壓密沉降［3］。冬季路基土凍脹，夏季融化導(dǎo)致路基沉陷變形，每年周而復(fù)始地進行，對路基的穩(wěn)定性會產(chǎn)生不利的影響。

3)路基強度衰減。

路基土在反復(fù)凍融循環(huán)以后，承載力會有所降低，其強度主要取決于氣候條件、水文地質(zhì)條件的差異和所采取的排水、抗凍措施的不同。路基強度的下降，嚴重影響道路的使用壽命。

2 凍脹試驗概況

為了有效研究路基土體凍脹病害，需要進行相應(yīng)的閉式單因素凍脹試驗，研究土體凍脹率隨凍結(jié)溫度、含水率、壓實度三個因素的變化規(guī)律。試驗用土為哈爾濱市區(qū)的路基粘土，其物理力學指標見表1。

表1 土料基本物理力學指標

文獻［4］認為土的起始凍脹含水率接近塑限，但不超過塑限，考慮到當土中含水率超過塑限值越高時，即含水率過大不利于制樣，所以選取20%，21%，23%這三個含水率水平;參照路基施工技術(shù)規(guī)范，選定88%，90%和95%三個壓實度水平;路基土的起始凍結(jié)溫度在－1℃ ～0℃之間［4］，一般路基土凍結(jié)過程中的最低溫度為－18.9℃［4］，因此凍脹試驗選取－6℃，－10℃和－19℃三個溫度水平。

將風干土過2 mm篩后，用靜壓法按預(yù)定的含水率和壓實度制備直徑100 mm、高100 mm的標準體積圓柱形試件。制備前，先測定其風干含水率，估算所需風干土料質(zhì)量，通過所選含水率計算用水量，將稱量好的土與水攪拌均勻后裝入塑料袋，密封悶料一夜備用。按式(1)計算一個試件用土量:

其中，m0為試件需土料質(zhì)量，g;γ0為最大干密度，g/cm3;V為標準試件體積，cm3;λ為壓實度，%;w為含水率，%。

制備試件完成后密封6 h，以保證含水率，并靜置放置防止由于試件變形影響試驗結(jié)果。調(diào)節(jié)低溫試驗柜溫度，將試件放入，凍結(jié)16 h～20 h，量測并記錄試件凍脹量，試驗數(shù)據(jù)采用精度為0.01 mm的百分表進行量測。

表2為試驗所測得的凍脹量換算為凍脹率的試驗結(jié)果，從中可以看出，當含水率較小，凍結(jié)溫度較高、壓實度較低時凍脹率會出現(xiàn)負值，即發(fā)生凍縮現(xiàn)象。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于當含水率小、壓實度較低時，土體顆粒排列較為疏松，而高的凍結(jié)溫度使孔隙水產(chǎn)生少量冰晶不足以填充土顆粒間較大的空隙，因此，當溫度剛降低時，路基土體表現(xiàn)為凍縮，凍脹率為負值。

表2 不同凍結(jié)溫度、含水率、壓實度下凍脹率 %

3 試驗結(jié)果與分析

整理后得出凍脹率隨三種因素的變化曲線如圖1～圖3所示，再結(jié)合表2中數(shù)據(jù)進行凍脹單因素分析。

圖1 凍脹率與溫度關(guān)系圖

圖2 凍脹率與含水率關(guān)系圖

圖3 凍脹率與壓實度關(guān)系圖

3.1 凍結(jié)溫度對土體凍脹影響

由圖1可知，隨著凍結(jié)溫度的降低，凍脹率呈上升趨勢。而當含水率一定時，凍脹率隨著壓實度的增大和溫度的下降而升高;在壓實度一定時，凍脹率隨著含水率的升高和溫度的下降而升高，也就是說當凍結(jié)溫度低、含水率高或壓實度大時，容易導(dǎo)致路基土凍脹;凍結(jié)溫度高、含水率低或壓實度小時，路基不易產(chǎn)生凍脹。

3.2 含水率對土體凍脹影響

實驗表明，土的溫度與壓實度一定時，凍脹率隨含水率的升高而升高。也可以看出，含水率是決定凍脹大小的主要因素之一，但并非所有含水率下路基土體都會發(fā)生凍脹，而是當含水率達到或超出一定高度后才會出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象，即存在起始凍脹含水率［5］。即含水率過小，則凍脹不明顯，當路基土含水率達到起始凍脹含水率時，在負溫度條件下，隨著含水率的升高，水分積聚體積越大，凍脹也就越嚴重。

3.3 壓實度對土體凍脹影響

當含水率和溫度一定時，土體凍脹率隨壓實度的升高而升高。說明壓實度也就是土體的密實程度，也是影響凍脹的主要因素之一。當土體含水率一定，而密實度小時，土體顆粒間有足夠的空隙，即使隨著負溫水完全凍結(jié)成冰，體積膨脹，但由于土顆粒空隙足夠大，水分凍結(jié)后不會因體積膨脹影響到土體顆粒間距，因而不利于凍脹的產(chǎn)生。而當密實度大時，土體顆粒間距較小，當水分凍結(jié)時為滿足體積膨脹導(dǎo)致土體顆粒間距改變，凍脹明顯。

4 凍害防治措施研究

4.1 加強路基排水

鑒于凍脹試驗所得結(jié)論，路基土體中的水分對凍脹影響極大，因而路基排水是凍害防治的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。路基中的水來源于降水、地表水和地下水這三種類型，它們分別以不同方式進入到路基中。一旦水分進入路基當中就很難蒸發(fā)和流失，在路基這種封閉環(huán)境中，當發(fā)生凍融循環(huán)時，就會導(dǎo)致凍脹和翻漿形成。因此，要避免季凍區(qū)路基病害的發(fā)生，一方面是保證內(nèi)部水分及時排出，另一方面是防止外部水分滲入，解決的方法就是完善道路排水設(shè)施，地下排水設(shè)施更應(yīng)時時注意養(yǎng)護維修，確保路基內(nèi)部水的排出。地下排水設(shè)施是對抗凍脹的有效防治措施，然而卻有維護性差的缺點，使用一段時間，會出現(xiàn)淤塞，導(dǎo)致排水效果不佳，有時甚至會提前出現(xiàn)問題。因而在施工過程中，要保證地下排水設(shè)施建設(shè)質(zhì)量，最后在竣工圖中準確標注其位置和工作狀態(tài)，以便道路養(yǎng)護部門檢查和及時養(yǎng)護。

4.2 置換填土法

置換填土法是目前用于解決凍脹問題應(yīng)用最廣泛的方法，其原理是應(yīng)用碎石、砂礫、石渣等透水性良好的顆粒土全部或部分換掉路基凍脹土體，起到隔離層的作用，控制地下水上升，有效降低凍脹量。在寒冷冰凍地區(qū)即使換填層在冰凍線以上仍可采用此方法來減少路基凍脹土厚度，從而削弱凍脹的抬升力。對于換填深度的規(guī)定，我國并沒有統(tǒng)一的要求，需根據(jù)環(huán)境條件、地下水位、當?shù)貎鼋Y(jié)深度、土質(zhì)、換填材料的質(zhì)量等條件綜合考慮決定，但通常不低于路面結(jié)構(gòu)層下80 cm［6］。

4.3 增強路面結(jié)構(gòu)層的強度和剛度

當路面結(jié)構(gòu)層具有較高的強度和剛度時，在路基發(fā)生凍害過程中，仍能保持正常的工作狀態(tài)和基本的使用性。大量實踐證明，在鋪筑路面結(jié)構(gòu)層后，由于對底面產(chǎn)生了一種限制力，在一定程度上有效限制了凍脹量。但這種限制力是不均勻的，且會隨著凍脹的不均勻發(fā)展而變大。因而路面的平整度也需要隨著剛度的增大而增大，而路面剛度對凍脹力可以產(chǎn)生有效限制作用。

5 結(jié)語

1)季凍區(qū)路基病害主要有凍脹翻漿、融沉和強度衰減。病害的發(fā)生對季凍區(qū)道路的使用狀況及壽命造成嚴重影響。

2)閉式凍脹單因素條件下，季凍區(qū)路基土凍脹率隨含水率的增大而增大，隨壓實度的提高而上升，隨凍結(jié)溫度的降低而提高。說明高的含水率，高的壓實度及低的凍結(jié)溫度會加劇土體凍脹。

3)排水系統(tǒng)設(shè)置、置換填土法和提高路面整體強度和剛度這三種方法更適合于季凍區(qū)路基凍脹病害防治。

［1］李兆宇.季節(jié)凍土區(qū)粉質(zhì)粘土凍脹性實驗研究［D］.哈爾濱：黑龍江大學，2011.

［2］鐘敏輝，王少斌.季節(jié)性凍土路基凍脹性分析及治理措施［J］.鐵路建筑，2009(4)：205-216.

［3］John O.Halkquist LS-DYNA KEYWORD USER’S MANUAL Versi On 970［M］.USA：LSTC，2003.

［4］趙安平.季凍區(qū)路基土凍脹的微觀機理研究［D］.吉林：吉林大學，2008.

［5］林世文，包俊超，蘭榮旺.凍融試驗研究［J］.巖土工程技術(shù)，2001(3)：161-164.

［6］童長江，管楓年.土的凍脹與建筑物凍害防治［M］.北京：水利電力出版社，1985.

［7］于琳琳.不同人工凍結(jié)條件下土的凍脹試驗研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2006.

［8］趙喜明.淺談季節(jié)性凍土的處理措施［J］.遼寧省交通高等專科學校學報，2008，4(2)：24-30.