淺談在凍土特殊工程地質(zhì)條件下改善路基防凍害的方法

張傳

【摘 要】本文針對東北地區(qū)的季凍區(qū)凍土這種特殊工程地質(zhì)條件下的路基凍害問題，分析了路基凍害的原因和防治路基凍害的工程措施的防治原理，在此基礎(chǔ)上提出了一種具體的防治路基凍害的方法——加灰法，并用室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)和動三軸試驗(yàn)驗(yàn)證了加灰法的可行性。

【關(guān)鍵詞】凍土特殊工程地質(zhì)；路基凍害；防凍害措施；加灰法；直剪與動三軸試驗(yàn)

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，需要擁有一個良好的發(fā)展環(huán)境，那么道路建設(shè)就是一個首要的基礎(chǔ)前提。然而，在我國東北地區(qū)，由于季凍區(qū)的凍土這種特殊工程地質(zhì)條件，公路建設(shè)一直被路基凍害問題困擾著。在季凍區(qū)，由于土中水凍結(jié)成冰和凍土中冰的再融化成水而使得路基發(fā)生凍融等現(xiàn)象，從而使路基受到一定的損傷，其損傷主要表現(xiàn)在冒泥翻漿、道路表面凹凸不平、路面產(chǎn)生較多裂縫、車轍較深類似槽溝狀等。凍脹和融沉都將降低路面平整度，甚至可能破壞路面的平整度，這樣就會給公路的正常運(yùn)行帶來安全隱患，尤其是給高速公路的正常運(yùn)行。同時(shí)，公路養(yǎng)護(hù)費(fèi)用也大大增加了不少，因此，對路基的凍害的防治以及清除其產(chǎn)生影響的研究是很有價(jià)值的研究，也是很有必要的。

1 道路凍害現(xiàn)象的原因

道路產(chǎn)生凍害主要包括四方面因素：

1）路基土：土體均勻與否，凍脹是否敏感以及其他一些工程特性。

2）水：包括地表水和地下水兩種。地表水可以使凍土融化過程加快，同時(shí)由于地表水的滲入，道路路基土的性質(zhì)會相應(yīng)地改變；地下水可以使經(jīng)過蠕變或者融沉之后的路基土處于濕弱狀態(tài)。同時(shí)在路基凍脹過程中，埋深在1.5m以上的地下水是，水分遷移的補(bǔ)給水源。

3）溫度：在寒冷的冬天路面可能產(chǎn)生收縮開裂；由于受氣溫影響，地溫也會有一定的波動性，而地溫改變就會改變路基土的一些工程特性。

4）荷載：當(dāng)外荷載變化時(shí)，路基土?xí)a(chǎn)生相應(yīng)的蠕變和應(yīng)力松弛變化，從而會凍脹性發(fā)生一定的變化。

2 防凍害措施的工程應(yīng)用

在道路建設(shè)具體的實(shí)踐中，對各種防凍害措施的基本原理進(jìn)行分析，因地制宜，結(jié)合道路建設(shè)所在地的工程地質(zhì)條件，并考慮實(shí)際氣候條件和水文以及預(yù)計(jì)道路建成以后的道路交通量狀況，在綜合分析考慮之后，選擇適合該道路的防治凍害的具體方法措施。防凍害的主要措施方法：（1）“置換法”，用非凍害材料置換凍害土；（2）“隔溫法”，設(shè)置隔溫層防治凍害；（3）“穩(wěn)定處理法”，摻入外加劑使得土體凍結(jié)溫度降低；（4）“隔水法”，采用沒有毛細(xì)作用的大粒徑顆粒土或者增加隔水材料。

3 “加灰法”改良路基土防凍害性能

從上面的幾種方法可以分析出防凍害措施的基本原理，在掌握原理之后，提出一些改善路基防凍害的具體工程措施。當(dāng)?shù)缆仿坊艿絻龊?，可以將這些具體的措施應(yīng)用到道路改建過程中。本文主要研究將石灰摻入到路基土體中的防治效果，并依托于室內(nèi)試驗(yàn)，來驗(yàn)證這種方法的可行性。

3.1 含灰量對含水量的影響

接下來將探討石灰摻入量的多少對路基凍土含水量的改變。從阜新凍脹比較明顯的某路段取路基土一定量作為實(shí)驗(yàn)材料，試驗(yàn)起初先取石灰的摻入量為10%。20%，30%，進(jìn)行初步確定，然后再進(jìn)一步縮小范圍。

首先，從化學(xué)角度分析土體的含水量因石灰的摻入的改變原因。生石灰（CaO）遇水（H2O）會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為熟石灰[Ca（OH）2]，反應(yīng)會耗掉一些水。其方程式：

CaO（s）+H2O（l）=Ca（OH）2（s） △H<0

因△H<0，即為放熱反應(yīng)。水分會受其放出的熱量而產(chǎn)生蒸發(fā)，由此可以預(yù)測含水量會隨著石灰摻入量的增加而不斷減少。由試驗(yàn)可得圖1。由圖1可以看出含水量確實(shí)是隨著含灰量的增加而不斷減小的，與事先預(yù)測的基本相符。

3.2 含灰量對密度的影響

由于含水量隨著含灰量的增多不斷減少，從而土體密度也會產(chǎn)生一定的變化。具體的幾個因素：

（1）CaO（s）+H2O（l）=Ca（OH）2（s）△H<0；土體中水分會因反應(yīng)放出的熱量而蒸發(fā)，從而水分減少導(dǎo)致土體質(zhì)量也減少；（2）空氣中的CO2可以與其反應(yīng)產(chǎn)物熟石灰（Ca（OH）2）反應(yīng)：Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O，反應(yīng)產(chǎn)物CaCO3為沉淀物，H2O也留在土中，土體質(zhì)量就會增加?，F(xiàn)假設(shè)土體體積未發(fā)生變化，由上可知土體質(zhì)量是不確定的，因此其密度的增減也很難定性。另外本身石灰和土體的各自密度就有一定的不確定性，因此摻入石灰后的土體密度就需要用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定。首先取含灰量為10%。20%，30%，然后再進(jìn)一步確定。

初步確定得不出二者的具體關(guān)系，只能暫時(shí)知道密度并不是隨著含灰量增多而一直減小或者增多的。為了進(jìn)一步確定密度與含灰量的關(guān)系，在把含灰量增加5%，15%，25%，35%。由試驗(yàn)可得（圖2）：

由試驗(yàn)可以看出，含灰量5%時(shí)，密度達(dá)到此時(shí)的最大值，而10%時(shí)密度達(dá)到波谷，但并不是最小值，從15%一直到35%，密度一直在減少。因此密度確實(shí)不是隨著含灰量的增加而不斷增加或者減少的，具有一定的不確定性。

3.3 直剪試驗(yàn)和動三軸試驗(yàn)

（1）首先以含灰量10%的路基土做直接剪切試驗(yàn)，以剪切位移為橫坐標(biāo)，剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)繪制剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線（見圖3）。

（2）確定各級壓力下的抗剪強(qiáng)度：有峰值以峰值點(diǎn)剪應(yīng)力作為該級壓力下的抗剪強(qiáng)度，無峰值以剪切位移4mm處剪應(yīng)力作為該級壓力下的抗剪強(qiáng)度，由圖3可得（表1）：

（3）其中橫坐標(biāo)為垂直壓力，縱坐標(biāo)為抗剪強(qiáng)度，以此繪制二者的具體關(guān)系曲線，并用曲線求得土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力c、摩擦角？漬值，如圖4所示。

由公式？子f =？滓tg？漬+c，易得粘聚力c=2.26kPa，摩擦角？漬滿足tg？漬=0.4639，從而進(jìn)一步可求得？漬=24.90°。

（4）同理，對其他含灰量的路基土做直接剪切試驗(yàn)，可以求出含灰量15%，20%，25%，30%時(shí)所對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力c、摩擦角？漬值。如表2：

由上可知，含灰量一定的條件下，垂直壓力的增大，會使得土體的抗剪強(qiáng)度也增大。同時(shí)當(dāng)土體的含灰量增加時(shí)，土體的粘聚力值c值也會隨之增加，但摩擦角？椎值變化不大。接下來對不同含灰量做動三軸試驗(yàn)，可得到不同含灰量養(yǎng)護(hù)前后單軸抗壓強(qiáng)度的對比。

由圖5可知，在土體中摻入石灰，隨著含灰量的增加土的抗壓強(qiáng)度并不是一直增加的，大約在25%左右達(dá)到最大值。但是養(yǎng)護(hù)前后，在含灰量相同的情況下，養(yǎng)護(hù)后的摻入石灰的路基土抗壓強(qiáng)度明顯增大。

4 結(jié)語

在我國東北地區(qū)，公路路基建設(shè)一直受季凍區(qū)凍害的困擾。在凍土這種特殊工程地質(zhì)條件下，由于土中水凍結(jié)成冰和凍土中冰的再變成水而產(chǎn)生路基的凍脹和融沉現(xiàn)象。當(dāng)?shù)缆肥軆雒浕蛉诔疗茐臅r(shí)，道路的正常運(yùn)行就會有一定的不便甚至安全隱患問題。針對阜新地區(qū)路基凍脹問題，本文提出一個比較具體的治理方法，即“加灰法”。對此方法的探討，本文進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)的探索，得到了比較理想的結(jié)果，但仍需進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)探討，以期得到更加理想的結(jié)果，并希望此方法能最終運(yùn)用于實(shí)踐。

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[責(zé)任編輯：王楠]