高速公路黃土路基凍脹性試驗(yàn)分析

柴帥停

【摘要】季節(jié)凍土區(qū)高速公路修建必然面臨著路基凍脹問題，威脅公路建設(shè)與運(yùn)營安全。本文首先圍繞高速公路黃土路基展開分析，探討了黃土路基凍融循環(huán)機(jī)理，并圍繞具體試驗(yàn)具體分析了高速公路黃土路基凍脹性。掌握黃土路基凍脹變化情況，可為高速公路施工中防凍脹加強(qiáng)措施與運(yùn)營維護(hù)提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】高速公路;黃土路基;凍融循環(huán)機(jī)理;凍脹性試驗(yàn)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

22.140

1、引言

黃土在世界范圍內(nèi)分布較為廣泛，約為世界陸地面積的10%左右。在我國，黃土分布面積可達(dá)44萬km2，且在黃河中游所占面積約為27.3萬km2。我國部分地區(qū)處于季節(jié)性凍土區(qū)域，同時(shí)也處于黃土地區(qū)，局部凍土區(qū)域受晝夜溫差大因素的影響，導(dǎo)致黃土凍融循環(huán)作用影響加劇，不利于高速公路路基施工，對(duì)此本文針對(duì)高速公路黃土路基凍脹性試驗(yàn)展開分析。

2、黃土路基凍融循環(huán)機(jī)理

凍融循環(huán)的機(jī)理即為土體反復(fù)凍脹、融沉的過程。土體處于凍脹過程時(shí)，土體的部分水分遇冷凝結(jié)為固體，造成土體體積增長，相關(guān)研究表明凍結(jié)后的土體強(qiáng)度略微增強(qiáng);而土體處于融沉過程時(shí)，土體中的冰晶逐步融化，反復(fù)的凍脹、融沉過程對(duì)土體的結(jié)構(gòu)性造成了破壞，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低。

因此，季節(jié)性凍土區(qū)域高速公路黃土路基施工面臨較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，路基土?xí)驗(yàn)閮雒洝⑷诔恋挠绊懳锢砹W(xué)性能發(fā)生變化同時(shí)夏季較為充沛的雨水和冬季凍結(jié)的土體水分，都會(huì)誘發(fā)土體含水率增高的風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致路基土抗剪強(qiáng)度降低，造成路基不均勻沉降、路面開裂等災(zāi)害的發(fā)生。對(duì)此，加強(qiáng)高速公路黃土路基凍脹性研究具有重要意義。

3、高速公路黃土路基凍脹性試驗(yàn)方法

3.1試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)所用土樣取自某高速公路項(xiàng)目，針對(duì)黃土凍脹特性開展試驗(yàn)，試驗(yàn)中主要變化因素包括環(huán)境溫度與含水率。試驗(yàn)中的凍結(jié)環(huán)境溫度設(shè)定了三個(gè)基準(zhǔn)，分別為-10℃、-15℃、-20℃，試驗(yàn)土體含水率分別設(shè)置為14%、16%、18%。土體壓實(shí)度設(shè)置為0.9，在土體的四周填充適量的保溫棉，達(dá)到絕熱效果。

3.2試驗(yàn)步驟

本次試驗(yàn)平坦黃土凍結(jié)情況，具體試驗(yàn)步驟如下：

（1）制作模型箱、環(huán)境箱，兩者之間充填保溫棉，模擬一維凍脹狀態(tài)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.03～0.035W/（m·K），相對(duì)土體導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定范圍為1.0～1.6W/（m·K），經(jīng)監(jiān)測保溫棉導(dǎo)熱系數(shù)是土體的2%～3.5%。

（2）模型箱的底部，鋪設(shè)一層厚度為5cm的中粗砂，模擬邊界條件，以接近自然環(huán)境狀態(tài)。

（3）均勻拌和土分層，后填充至模型箱中，反復(fù)夯擊至規(guī)定壓實(shí)度。填土?xí)r，在指定位置安裝溫度傳感器與土壓力盒，填筑結(jié)束后添加一定量的水，靜置土體3d，保證土體含水率均衡。

（4）安裝位移傳感器。將土分層裝至試驗(yàn)箱中靜置，在適當(dāng)位置加裝位移監(jiān)測設(shè)備（位移傳感器）。因機(jī)電百分表接觸土體的面積相對(duì)較小，為弱化刺入土體動(dòng)作對(duì)測量結(jié)果的負(fù)面影響，確保測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可在土體表層放置有機(jī)玻璃板，尺寸為100mm×100mm。在完成機(jī)電百分表的安裝后，調(diào)試初始讀數(shù)。

（5）正式開始試驗(yàn)前，需將土樣放置在指定位置靜置8h以上，以保證土體含水率均衡。若最底層溫度<6℃，表明凍結(jié)階段結(jié)束。此時(shí)，需調(diào)試恒溫液浴循環(huán)設(shè)備，將溫度設(shè)置為正溫，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的快速回升。環(huán)境箱的溫度到達(dá)20℃時(shí)，溫度恒定，表明試驗(yàn)進(jìn)入融化階段。

3.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

當(dāng)采集設(shè)備工作狀態(tài)趨于穩(wěn)定，即可開展試驗(yàn)內(nèi)容。首先，啟動(dòng)環(huán)境箱的溫度控制系統(tǒng)，將溫度調(diào)試至對(duì)應(yīng)溫度水平。每間隔10min即采集一次數(shù)據(jù)，后對(duì)模型實(shí)施降溫凍結(jié)處理，對(duì)采集的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理與檢查。若土體溫度接近試驗(yàn)方案中的設(shè)計(jì)值，或試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間達(dá)規(guī)定時(shí)間，則表明土體已經(jīng)完成凍結(jié)。在土體融化階段，需設(shè)置適宜的溫度，模擬自然環(huán)境中土體的融化過程，采集數(shù)據(jù)，整理成文檔。

4、高速公路黃土路基凍脹性試驗(yàn)結(jié)果分析

該工程單位對(duì)黃土路基段進(jìn)行封閉處理，后開展下一維凍脹試驗(yàn)，測算出不同凍結(jié)環(huán)境溫度、含水率條件下土體的溫度變化、凍脹量及水平凍脹力。

4.1土體溫度場時(shí)空分布

土體不同深度，降溫趨勢(shì)不同，可總結(jié)如下：凍結(jié)初期，不同深度的土體降溫速率均較快;-0.4℃前后，各深度土體的降溫速率曲線逐漸開始平行于橫坐標(biāo)中的平穩(wěn)段;-0.4℃末段，土體溫度持續(xù)降低，下降速率較降溫凍結(jié)初期相較有所減緩，同時(shí)含水率越高時(shí)，此種現(xiàn)象就越加明顯;在凍結(jié)后期，各深度土體降溫速率減緩，同時(shí)經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)基于不同含水率情況下的土體，起始凍脹溫度保持一致。

4.2土體凍脹變形量

不同含水率條件下土體凍脹量變化趨勢(shì)。在不同含水率條件下，土體凍脹量變化情況大致相同，只有數(shù)值略有差異。含水率越大，則土體凍脹量越大。依據(jù)土體的凍脹量變化規(guī)律可將其變化過程分為三大階段，即微凍縮、快速發(fā)展以及擬穩(wěn)定階段。

（1）土體含水率存在差異時(shí)，土體凍脹量的變化規(guī)律：土體凍脹變形量會(huì)因含水率不同而不同。試驗(yàn)中含水率設(shè)定為三個(gè)水平，即14%、16%、18%，經(jīng)測算土體的凍脹變形量均值為3.52mm、5.2mm 、8.23 mm?？梢娡馏w凍脹變形量增大，含水率就會(huì)提高。在整個(gè)降溫過程中，環(huán)境凍結(jié)溫度與凍脹變形量呈線性關(guān)系，溫度越低，相應(yīng)的凍脹變形量就越小。

（2）不同凍結(jié)環(huán)境下土體凍脹量的變化規(guī)律：若土質(zhì)與溫度條件相同，則凍脹力的初始溫度一致，在0.6℃左右。當(dāng)土體的含水率存在差異時(shí)，最大凍脹力溫度也有所不同。基于不同的工況下，土體物理狀態(tài)不同，相應(yīng)的水平凍脹力變化規(guī)律存在較大差異，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示最大凍脹力溫度數(shù)值不同。

4.3最大水平凍脹力

最大水平凍脹力會(huì)隨著土體深度的變化而變化，變化規(guī)律為穩(wěn)定數(shù)值變化幅度小，先增大至最大值，后逐漸減小，最大值出現(xiàn)在相對(duì)深度 0.6～0.8 處。

結(jié)語：

綜上所述，隨著我國高速公路網(wǎng)的不斷完善，越來越多的道路建設(shè)將面臨凍脹和融沉病害問題，例如水平凍脹力會(huì)引發(fā)橋臺(tái)、支擋結(jié)構(gòu)的損壞，直接造成路基的不均勻沉降，此類問題都是凍土地區(qū)工程建設(shè)需注意的問題，應(yīng)提前編制應(yīng)對(duì)策略，做好控制措施。文章圍繞黃土路基開展凍脹性試驗(yàn)，分析了土體凍脹變形、最大水平凍脹力情況，為保證公路運(yùn)營安全，路基防凍脹設(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)持填料防凍脹為主、多種措施相配合的綜合防凍脹思路，路基的表層應(yīng)選用透水性好、細(xì)顆粒少的級(jí)配碎石，路塹和低路堤表層和換填底部應(yīng)設(shè)置隔水層防止水分在路基本體上下遷移，同時(shí)需完善排水系統(tǒng)，防止積水和匯水產(chǎn)生凍脹。

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