淺談在凍土特殊工程地質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，并用室內直接剪切試驗和動三軸試驗驗證了加灰法的可行性。

【關鍵詞】凍土特殊工程地質；路基凍害；防凍害措施；加灰法；直剪與動三軸試驗

0 引言

隨著我國國民經濟的快速發(fā)展，需要擁有一個良好的發(fā)展環(huán)境，那么道路建設就是一個首要的基礎前提。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條件，公路建設一直被路基凍害問題困擾著。在季凍區(qū)，由于土中水凍結成冰和凍土中冰的再融化成水而使得路基發(fā)生凍融等現象，從而使路基受到一定的損傷，其損傷主要表現在冒泥翻漿、道路表面凹凸不平、路面產生較多裂縫、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行帶來安全隱患，尤其是給高速公路的正常運行。同時，公路養(yǎng)護費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生影響的研究是很有價值的研究，也是很有必要的。

1 道路凍害現象的原因

道路產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，同時由于地表水的滲入，道路路基土的性質會相應地改變；地下水可以使經過蠕變或者融沉之后的路基土處于濕弱狀態(tài)。同時在路基凍脹過程中，埋深在1.5m以上的地下水是，水分遷移的補給水源。

3）溫度：在寒冷的冬天路面可能產生收縮開裂；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：當外荷載變化時，路基土會產生相應的蠕變和應力松弛變化，從而會凍脹性發(fā)生一定的變化。

2 防凍害措施的工程應用

在道路建設具體的實踐中，對各種防凍害措施的基本原理進行分析，因地制宜，結合道路建設所在地的工程地質條件，并考慮實際氣候條件和水文以及預計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溫度降低；（4）“隔水法”，采用沒有毛細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。當道路路基受到凍害后，可以將這些具體的措施應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，并依托于室內試驗，來驗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驗材料，試驗起初先取石灰的摻入量為10%。20%，30%，進行初步確定，然后再進一步縮小范圍。

首先，從化學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)生化學反應，反應產物為熟石灰[Ca（OH）2]，反應會耗掉一些水。其方程式：

CaO（s）+H2O（l）=Ca（OH）2（s） △H<0

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

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放出的熱量而蒸發(fā)，從而水分減少導致土體質量也減少；（2）空氣中的CO2可以與其反應產物熟石灰（Ca（OH）2）反應：Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O，反應產物CaCO3為沉淀物，H2O也留在土中，土體質量就會增加?，F假設土體體積未發(fā)生變化，由上可知土體質量是不確定的，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實驗進一步確定。首先取含灰量為10%。20%，30%，然后再進一步確定。

初步確定得不出二者的具體關系，只能暫時知道密度并不是隨著含灰量增多而一直減小或者增多的。為了進一步確定密度與含灰量的關系，在把含灰量增加5%，15%，25%，35%。由試驗可得（圖2）：

由試驗可以看出，含灰量5%時，密度達到此時的最大值，而10%時密度達到波谷，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 直剪試驗和動三軸試驗

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

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

（3）其中橫坐標為垂直壓力，縱坐標為抗剪強度，以此繪制二者的具體關系曲線，并用曲線求得土的抗剪強度指標粘聚力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，可以求出含灰量15%，20%，25%，30%時所對應的抗剪強度指標粘聚力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度也增大。同時當土體的含灰量增加時，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，可得到不同含灰量養(yǎng)護前后單軸抗壓強度的對比。

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度并不是一直增加的，大約在25%左右達到最大值。但是養(yǎng)護前后，在含灰量相同的情況下，養(yǎng)護后的摻入石灰的路基土抗壓強度明顯增大。

4 結語

在我國東北地區(qū)，公路路基建設一直受季凍區(qū)凍害的困擾。在凍土這種特殊工程地質條件下，由于土中水凍結成冰和凍土中冰的再變成水而產生路基的凍脹和融沉現象。當道路受凍脹或融沉破壞時，道路的正常運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，本文進行了室內試驗的探索，得到了比較理想的結果，但仍需進行現場試驗探討，以期得到更加理想的結果，并希望此方法能最終運用于實踐。

【參考文獻】

[1]徐學祖，王家澄，張立新.凍土物理學[M].北京：科學出版社，2001.

[2]周幼吾，邱國慶，程國棟，郭東信.中國凍土[M].北京：科學出版社，2000.

[3]郭奕清.凍土地區(qū)路基的主要病害分析與防治措施[J].山西建筑，2007，33（27）：309-310.

[4]張曉軍，何志平，張淑艷.道路的凍脹與防治措施[J].哈爾濱：黑龍江交通科技，2002，7：20-21.

[5]武憼民，汪雙杰，章金釗.多年凍土地區(qū)公路工程[M].北京：人民交通出版社，2005.

[責任編輯：王楠]