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(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

我國(guó)季節(jié)性凍土區(qū)占國(guó)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(dāng)土層溫度達(dá)到0℃以下時(shí)，土體中水分會(huì)隨之凍結(jié)從而形成凍土。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于多年凍土研究較多，而對(duì)于季節(jié)性凍土研究相對(duì)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(yán)重影響行車(chē)安全［2］。

近年來(lái)，隨著對(duì)凍脹機(jī)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(duì)哈爾濱市區(qū)道路凍害進(jìn)行相關(guān)調(diào)查并對(duì)取自哈爾濱市的路基粘土進(jìn)行閉式凍脹試驗(yàn)，系統(tǒng)研究?jī)雒浡实淖兓?guī)律，并提出防治凍害的一系列措施，希望對(duì)季凍區(qū)路基土體凍脹研究工作有所幫助，并為提高我國(guó)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(duì)哈爾濱市區(qū)內(nèi)的和興路、學(xué)府路、尚志大街3條主干路和新偉街等2條次干路進(jìn)行了凍害調(diào)查，分析了季凍區(qū)路基的主要凍害類(lèi)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(fù)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(zhǎng)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(méi)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(chē))，造成道路翻漿毀壞，而無(wú)法通車(chē)，甚至造成車(chē)毀人傷。

2)融沉。

融沉是凍土融化時(shí)發(fā)生的下沉現(xiàn)象。一種是與外荷載無(wú)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(jìn)行，對(duì)路基的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生不利的影響。

3)路基強(qiáng)度衰減。

路基土在反復(fù)凍融循環(huán)以后，承載力會(huì)有所降低，其強(qiáng)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(qiáng)度的下降，嚴(yán)重影響道路的使用壽命。

2 凍脹試驗(yàn)概況

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

表1 土料基本物理力學(xué)指標(biāo)

文獻(xiàn)［4］認(rèn)為土的起始凍脹含水率接近塑限，但不超過(guò)塑限，考慮到當(dāng)土中含水率超過(guò)塑限值越高時(shí)，即含水率過(guò)大不利于制樣，所以選取20%，21%，23%這三個(gè)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(gè)壓實(shí)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(guò)程中的最低溫度為－18.9℃［4］，因此凍脹試驗(yàn)選?。?℃，－10℃和－19℃三個(gè)溫度水平。

將風(fēng)干土過(guò)2 mm篩后，用靜壓法按預(yù)定的含水率和壓實(shí)度制備直徑100 mm、高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)體積圓柱形試件。制備前，先測(cè)定其風(fēng)干含水率，估算所需風(fēng)干土料質(zhì)量，通過(guò)所選含水率計(jì)算用水量，將稱量好的土與水?dāng)嚢杈鶆蚝笱b入塑料袋，密封悶料一夜備用。按式(1)計(jì)算一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)試件體積，cm3;λ為壓實(shí)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(yàn)結(jié)果。調(diào)節(jié)低溫試驗(yàn)柜溫度，將試件放入，凍結(jié)16 h～20 h，量測(cè)并記錄試件凍脹量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用精度為0.01 mm的百分表進(jìn)行量測(cè)。

表2為試驗(yàn)所測(cè)得的凍脹量換算為凍脹率的試驗(yàn)結(jié)果，從中可以看出，當(dāng)含水率較小，凍結(jié)溫度較高、壓實(shí)度較低時(shí)凍脹率會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，即發(fā)生凍縮現(xiàn)象。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于當(dāng)含水率小、壓實(shí)度較低時(shí)，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(dāng)溫度剛降低時(shí)，路基土體表現(xiàn)為凍縮，凍脹率為負(fù)值。

表2 不同凍結(jié)溫度、含水率、壓實(shí)度下凍脹率 %

3 試驗(yàn)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(jìn)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(shí)度關(guān)系圖

3.1 凍結(jié)溫度對(duì)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(shì)。而當(dāng)含水率一定時(shí)，凍脹率隨著壓實(shí)度的增大和溫度的下降而升高;在壓實(shí)度一定時(shí)，凍脹率隨著含水率的升高和溫度的下降而升高，也就是說(shuō)當(dāng)凍結(jié)溫度低、含水率高或壓實(shí)度大時(shí)，容易導(dǎo)致路基土凍脹;凍結(jié)溫度高、含水率低或壓實(shí)度小時(shí)，路基不易產(chǎn)生凍脹。

3.2 含水率對(duì)土體凍脹影響

實(shí)驗(yàn)表明，土的溫度與壓實(shí)度一定時(shí)，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(huì)發(fā)生凍脹，而是當(dāng)含水率達(dá)到或超出一定高度后才會(huì)出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象，即存在起始凍脹含水率［5］。即含水率過(guò)小，則凍脹不明顯，當(dāng)路基土含水率達(dá)到起始凍脹含水率時(shí)，在負(fù)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(yán)重。

3.3 壓實(shí)度對(duì)土體凍脹影響

當(dāng)含水率和溫度一定時(shí)，土體凍脹率隨壓實(shí)度的升高而升高。說(shuō)明壓實(shí)度也就是土體的密實(shí)程度，也是影響凍脹的主要因素之一。當(dāng)土體含水率一定，而密實(shí)度小時(shí)，土體顆粒間有足夠的空隙，即使隨著負(fù)溫水完全凍結(jié)成冰，體積膨脹，但由于土顆?？障蹲銐虼?，水分凍結(jié)后不會(huì)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(dāng)密實(shí)度大時(shí)，土體顆粒間距較小，當(dāng)水分凍結(jié)時(shí)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(qiáng)路基排水

鑒于凍脹試驗(yàn)所得結(jié)論，路基土體中的水分對(duì)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(lái)源于降水、地表水和地下水這三種類(lèi)型，它們分別以不同方式進(jìn)入到路基中。一旦水分進(jìn)入路基當(dāng)中就很難蒸發(fā)和流失，在路基這種封閉環(huán)境中，當(dāng)發(fā)生凍融循環(huán)時(shí)，就會(huì)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(shí)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(shí)時(shí)注意養(yǎng)護(hù)維修，確保路基內(nèi)部水的排出。地下排水設(shè)施是對(duì)抗凍脹的有效防治措施，然而卻有維護(hù)性差的缺點(diǎn)，使用一段時(shí)間，會(huì)出現(xiàn)淤塞，導(dǎo)致排水效果不佳，有時(shí)甚至?xí)崆俺霈F(xiàn)問(wèn)題。因而在施工過(guò)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(zhǔn)確標(biāo)注其位置和工作狀態(tài)，以便道路養(yǎng)護(hù)部門(mén)檢查和及時(shí)養(yǎng)護(hù)。

4.2 置換填土法

置換填土法是目前用于解決凍脹問(wèn)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(lái)減少路基凍脹土厚度，從而削弱凍脹的抬升力。對(duì)于換填深度的規(guī)定，我國(guó)并沒(méi)有統(tǒng)一的要求，需根據(jù)環(huán)境條件、地下水位、當(dāng)?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(qiáng)路面結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度和剛度

當(dāng)路面結(jié)構(gòu)層具有較高的強(qiáng)度和剛度時(shí)，在路基發(fā)生凍害過(guò)程中，仍能保持正常的工作狀態(tài)和基本的使用性。大量實(shí)踐證明，在鋪筑路面結(jié)構(gòu)層后，由于對(duì)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(huì)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(duì)凍脹力可以產(chǎn)生有效限制作用。

5 結(jié)語(yǔ)

1)季凍區(qū)路基病害主要有凍脹翻漿、融沉和強(qiáng)度衰減。病害的發(fā)生對(duì)季凍區(qū)道路的使用狀況及壽命造成嚴(yán)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(shí)度的提高而上升，隨凍結(jié)溫度的降低而提高。說(shuō)明高的含水率，高的壓實(shí)度及低的凍結(jié)溫度會(huì)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)研究［D］.哈爾濱：黑龍江大學(xué)，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(jī)理研究［D］.吉林：吉林大學(xué)，2008.

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

［6］童長(zhǎng)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(yàn)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，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(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2008，4(2)：24-30.