大興安嶺路基凍結粉質黏土融沉特性

郭潤麒 劉利驕 王淼 孫劍飛 柳艷杰

摘 要：大興安嶺林區公路沿線廣泛分布凍結粉質黏土，全球氣候變暖導致凍結粉質黏土發生融化沉降。為探究影響大興安嶺路基凍結粉質黏土融化沉降的因素，分析含水率、干密度以及超塑含水率對路基凍結粉質黏土融沉系數的影響，提出 “融沉敏感點”的概念，且得到在“融沉敏感點”前后含水率對融沉系數的影響并不相同；在研究干密度對融沉系數的影響中發現，隨著干密度越大其融沉系數以較大的斜率遞減；通過分析超塑含水率對融沉系數的影響發現，超塑含水率與融沉系數呈線性增長關系，并通過數據擬合分別給出融沉系數與含水率、干密度及超塑含水率之間的函數關系。

關鍵詞：大興安嶺林區；路基；凍土；粉質黏土；融沉；含水率

中圖分類號：S773.3；TB16 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8023（2023）06-0172-05

Thawing and Settlement Characteristics of Frozen Silty Clay in the

Greater Khingan Mountains Forest Region Subgrade

GUO Runqi， LIU Lijiao， WANG Miao， SUN Jianfei， LIU Yanjie

（1.School of Civil Engineering， Heilongjiang University， Harbin 150080， China; 2. Heilongjiang Province Hydraulic Research Institute， Harbin 150080， China）

Abstract：Frozen silty clay is widely distributed along the roads in the Greater Khingan Mountains forest region， and global warming has led to melting and settlement of frozen silty clay. In order to explore the factors affecting the thawing-settlement of frozen silty clay in the Greater Khingan Mountains subgrade， the influence of water content， dry density and superplastic water content on the thawing-settlement coefficients of frozen silty clay in the subgrade was analyzed. The concept of ‘sensitivity limit of thawing-settlement’ was proposed， and it was found that the influence of water content on the thawing-settlement coefficient was different before and after the ‘sensitivity limit of thawing-settlement’. In the study of the effect of dry density on the thawing-settlement coefficient， it was found that the thawing-settlement coefficient decreased with a larger slope as the dry density increased; by analyzing the effect of superplastic water content on the thawing-settlement coefficient， it was found that the superplastic water content and the thawing-settlement coefficient had a linear growth relationship， and by fitting the data， the functional relationships between the thawing-settlement coefficient and the water content， dry density and superplastic water content were given separately.

Keywords：Greater Khingan Mountains forest region; subgrade; permafrost; silty clay; thawing-settlement; moisture content

收稿日期：2023-02-17

基金項目：國家自然科學資金項目（41071049）；凍土工程國家重點實驗室開放基金項目（SKLFSE201802; SKLFSE201919）。

第一作者簡介：郭潤麒，碩士研究生。研究方向為凍土工程。E-mail： 948005554@qq.com

*通信作者：孫劍飛，碩士，講師。研究方向為凍土工程與新材料。E-mail： 2007023@hlju.edu.cn

引文格式：郭潤麒，劉利驕，王淼，等. 大興安嶺路基凍結粉質黏土融沉特性[J]. 森林工程， 2023，39（6）：172-176.

GUO R Q， LIU L J， WANG M， et al. Thawing and settlement characteristics of frozen silty clay in the Greater Khingan Mountains forest region subgrade[J]. Forest Engineering， 2023， 39（6）：172-176.

寒區交通事業快速發展，大興安嶺地區公路建設越來越多，由于人類工程活動及全球變暖的原因，導致大、小興安嶺公路路基區凍土退化，在飽冰、富冰凍土區，凍土退化使得土體發生融沉破壞，從而導致公路以及建筑物的地基發生沉降，嚴重威脅了工程的安全。特別是在高溫富冰凍土區路基發生地面沉降尤為明顯，僅在2011—2017年，部分地區的高溫富冰凍土沉降速率就達到0.35 m/a左右。針對于凍土融沉方面，國內外學者也做過大量的研究，何平等將凍土分為非飽和、飽和以及過飽和3種狀態，分別給出了融沉系數的計算方法，用以預測和評估無詳細地質資料區域凍土的融沉性；Dashjamts等在研究中給出了蒙古哈特高（Khatgal）、烏蘭巴托（Ulaanbaatar）和納賴（Nalaikh）地區的粗粒黏性土和砂質土的融沉變形量與黏土含量、施加初始壓力和加熱強度的關系；Hazirbaba在凍融循環實驗中，發現重塑土的沉降與循環加載過程中產生的超孔隙壓力之間存在著很強的正相關性；王效賓等采用BP（Back Propagation）人工神經網絡方法建立人工凍土融沉系數的預測模型，并分析了由人工凍土融沉引起的地層位移，提出人工凍土解凍對地層位移場影響的變化規律；Wang等采用探地雷達（ground-penetrating radar，GPR）對多年凍土區管道地基土的凍融狀態進行了檢測，分析并預測其融沉趨勢; Zhang等在估算富冰多年凍土河岸的熱狀態演變和沉降時提出滲流也是影響融沉的一個因素。科研以及工程人員對凍土的融沉開展了大量研究，但是針對于特定區域的土體研究還需進一步研究。基于大興安嶺地區路基廣布粉質黏土這一特性，從含水率、干密度以及超塑含水率三因子分析三者與凍結粉質黏土融沉系數之間的關系，并分析融沉系數與承受荷載對于該區域凍結粉質黏土沉降量的影響。

1 工程概況

加格達奇—漠河公路（加漠公路），南起大興安嶺地區加格達奇，北至中國最北端的漠河市漠河鄉，全長574 km，是黑龍江省內一次性建成的里程最長的公路，加漠公路是黑龍江省20條省道之一，也是貫穿大興安嶺地區南北的一條重要的干線公路。研究區位于大興安嶺地區，該地區于寒溫帶季風性氣候，氣候較為濕潤，夏季炎熱潮濕且短暫，冬季寒冷漫長且降水量較少；年平均氣溫普遍低于0 ℃。研究區有大量的小型河流及沼澤地，其相互交錯構成了研究區復雜的地表水系統；凍土中凍結層上水、凍結層中水以及凍結層下水構成了研究區內豐富的地下水系統。研究區工程地質背景復雜多變，第四紀沉積層較厚，淺層地表以黑色黏性土或粉質黏土為主，部分區域地表以礫石、碎石等粗顆粒物組成，下伏基巖為強風化花崗巖坡殘積物，少數區域地以強風化花崗巖為主。研究區域風粉質黏土分布廣泛，成為科研工作者及工程人員研究的熱點話題。

2 試驗材料及方案

2.1 試驗材料

以大興安嶺林區的加格達奇—漠河公路沿線凍結粉質黏土為研究對象，根據《凍土工程地質勘查規范》（GB 50324—2014）的要求對松散地層和高含冰量土體分別采用低速干鉆和高速干鉆的方法獲取未經擾動的凍結粉質黏土。通過前期地質勘查與實地調研，研究區域內凍結粉質黏土的物理指標見表1。

2.2 試驗方案

根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019），在負溫環境下通過原狀凍土取樣器以及刮刀對野外獲取的凍結粉質黏土進行切樣，采用融化壓縮儀進行融化壓縮試驗，以獲得各組凍結土體的融沉系數；將鉆樣剩余的凍土通過烘干法和環刀法測定含水率和干密度；對試驗后的土體進行烘干后利用液塑限聯合測定儀獲取土體的液塑限。

2.3 數據處理方法

融沉系數通過融化壓縮試驗中獲得的凍結土體融化下沉量和試樣初始高度獲得。

式中：a為融沉系數，%；Δh為融化下沉量，mm；h為試樣初始高度，mm。

對于整體狀構造的凍結土體，含水率按照公式（2）計算。

式中：ω為凍土含水率，%，；m為凍土試樣質量，g；m為干土質量，g。

對于層狀和網狀構造的凍結土體，總含水率采用平均式樣法測定。

式中：mf1為調成糊狀土樣質量，g；ω為平均試樣含水率，%。

凍土干密度表示如下。

式中：ρfd為凍土干密度，g/cm；ρf為凍土密度，g/cm；Vf為環刀體積，cm。

3 試驗結果和討論

3.1 含水率對融沉系數的影響

選取加漠公路路基附近未擾動的天然凍結粉質黏土，測量其總含水率（ω）（包括冰與未凍水的含量）與其融沉系數（a），并得到兩者之間的關系，如圖1所示。以含水率為自變量研究凍結粉質黏土的融沉系數時，存在一個突變的轉折點（定義這個點為“融沉敏感點”），在融沉敏感點以前，含水率對凍結粉質黏土的融沉系數影響不顯著，此時隨著含水量的增加，凍結粉質黏土融沉系數的增長幅度較小；當含水率大于融沉敏感點時，凍結粉質黏土的融沉系數受含水率的影響變得十分顯著，此時隨著含水量的增加，凍結粉質黏土融沉系數也隨之增加。

在本次選取的路基凍結粉質黏土試驗中，含水率影響融沉系數的“融沉敏感點”，為ω=26.3%，即在本工程區，當凍結粉質黏土的含水率小于26.3%時，含水率對凍結粉質黏土融沉系數的影響不顯著；但當凍結粉質黏土的含水率大于26.3%時，含水率對凍結粉質黏土融沉系數的影響開始顯著，且含水率ω≥26.3%時，其含水率與其融沉系數呈對數正相關。

土體是一種由土骨架、氣體以及水等組成的三維實體，而凍土為四相體（包含冰相）。基于土體是一種多孔隙結構，當含水率低于“融沉敏感點”時，土骨架間的孔隙未被水以及冰大量填充，此時土骨架孔隙中的冰以及未凍水較少，且結合水所占比例較高，因此當溫度升高，凍土中的冰融化，無論是自重荷載還是受到外界荷載作用，土體變形較小，產生的融沉也較小，試驗所體現出來的融沉系數也較小。當含水率高于“融沉敏感點”時，隨著粉質黏土的含水率增加，土骨架之間的孔隙絕大部分被水或冰填充，土顆粒甚至呈現出高分散性，土體達到軟塑甚至是流塑狀態，此時土體中的結合水所占比例較小，凍土在溫度升高后，土體中的冰融化，由于土體自重荷載以及外部荷載作用，土骨架之間的冰融化變成液態水被排出，土體產生大量沉降變形，在這種情況下，該土體試驗所得到的融沉系數也很大，并且融沉系數的大小受土體中總含水率的影響亦十分顯著。

3.2 干密度對融沉系數的影響

土體的干密度（ρ）與含水量呈負相關性，因此凍結粉質黏土的干密度與其融沉系數之間的關系（圖2）也側面印證了含水率對于凍結粉質黏土融沉系數的影響方式。隨著粉質黏土干密度的增加，此時土體的含水率也隨之下降，凍結粉質黏土的融沉系數也以較大的斜率遞減；當凍結粉質黏土的干密度持續增加時，其融沉系數受干密度的影響的顯著性也在降低，其融沉系數的遞減頻率也隨之下降。

根據擬合的結果可以得出，選取的部分凍結粉質黏土中，融沉系數與干密度呈現出一種對數遞減的關系，伴隨著凍結粉質黏土干密度的持續增加，干密度對于凍結粉質黏土融沉系數的顯著性持續減弱。

3.3 超塑限含水率對融沉系數的影響

在研究凍結粉質黏土融沉系數與含水率的基礎上，引入塑限含水率（ω）這一因素，含水率減去塑限含水率得到土體的超塑含水率（ω-ω），通過研究超塑含水率與凍結粉質黏土之間的關系（圖3），更能體現出凍結粉質黏土的融沉系數與土體中自由水之間的關系。

根據擬合凍結粉質黏土的超塑含水率與融沉系數之間的關系可以得出，伴隨著凍結粉質黏土的超塑含水率（土體中的自由水含量）的增加，其融沉系數隨之增加。在研究區內所取凍結粉質黏土土樣，融沉系數與超塑含水率呈線性增長關系。

4 結論

粉質黏土在大興安嶺路基是一種常見的坡殘積土，本研究對路基凍結粉質黏土總含水率、干密度以及超塑含水率與融沉系數的關系進行研究。得到結論如下。

1） 含水率對凍結粉質黏土的影響存在一個融沉敏感點（本研究的ω26.3%），當研究區內凍結粉質黏土含水率低于“融沉敏感點”含水率時，含水率對研究區內凍結粉質黏土融沉系數的影響并不顯著；當含水率高于“融沉敏感點”時，凍結粉質黏土的融沉系數隨著含水率的增加呈對數遞增趨勢。

2） 土體的干密度是影響粉質黏土融沉系數的一個重要因素，在選取的研究范圍內，隨著干密度的增加凍結粉質黏土的融沉系數呈現出對數遞減趨勢。且干密度影響土體融沉系數的顯著性持續減弱。

3）超塑含水率體現了土體含水率與塑限含水率之間的差值，能更好地反映土體中水分與融沉系數之間的關系；研究表明凍結粉質黏土的融沉系數與超塑含水率體現出顯著的線性正相關。

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