風(fēng)積土地區(qū)道路凍害防治措施的試驗(yàn)研究

[中圖分類號(hào)]TU [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1009-5489(2009)12-0187-05

一、論文研究的意義

位于內(nèi)蒙古自治區(qū)與遼寧省交界處的遼西地區(qū)，屬于強(qiáng)季節(jié)性凍害區(qū)，該地區(qū)境內(nèi)存在著大量的風(fēng)積土路基，在季節(jié)性凍脹、外部荷載、滲流等因素作用下，局部地段極易產(chǎn)生凍脹、融沉、強(qiáng)度弱化等一系列特殊現(xiàn)象，產(chǎn)生道路凍害，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文根據(jù)風(fēng)積土的物理性質(zhì)及阜新地區(qū)水文地質(zhì)條件，對(duì)遼西地區(qū)道路凍害的各種發(fā)生形式及產(chǎn)生原因進(jìn)行具體分析研究，結(jié)合阜新地區(qū)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際凍脹條件，運(yùn)用均勻設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法，通過大量的室內(nèi)模擬試驗(yàn)，得出利用天然沙礫換填隔水法來治理風(fēng)積土路基道路凍害的有效措施。這不僅僅對(duì)于延長道路使用年限、保證交通正常運(yùn)營具有重要的意義，而且促進(jìn)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大的推動(dòng)作用。

研究內(nèi)容:

(1)調(diào)查風(fēng)積土地區(qū)道路工程凍害的類型，分析道路工程凍害產(chǎn)生的原因，總結(jié)凍害產(chǎn)生的影響因素。

(2)試驗(yàn)研究遼西地區(qū)風(fēng)積土的物理性質(zhì)，并對(duì)其的凍脹性進(jìn)行判斷。

(3)進(jìn)行原狀風(fēng)積土和重塑風(fēng)積土的室內(nèi)凍脹試驗(yàn)，研究風(fēng)積土的凍脹性，確定室內(nèi)凍脹試驗(yàn)的邊界條件。

(4)結(jié)合現(xiàn)有的防凍脹措施研究成果、運(yùn)用均勻設(shè)計(jì)，進(jìn)行大量的室內(nèi)凍脹模擬試驗(yàn)，回歸分析得出采用天然沙礫換填的最佳的工程防凍脹措施。

二、常見凍害及其原因和影響因素

1.常見凍害

遼西季節(jié)性凍土地區(qū)常見的道路凍害現(xiàn)象有:凍脹、融沉、翻漿冒泥、開裂等。

(1)凍脹及其原因

凍脹是季節(jié)凍土區(qū)道路常常遇見的道路凍害。凍脹可分為原位凍脹和分凝凍脹兩類。大部分道路的凍害均是由分凝凍脹引起，主要表現(xiàn)為道路在使用年限內(nèi)破壞及一些公路建筑物基礎(chǔ)上抬、傾斜。

(2)融沉

自然因素和人為因素的影響下，凍土發(fā)生融化，冰晶和冰膜融化成水。由于融化的水不能及時(shí)排出，土層在重力和上覆荷載的作用下將發(fā)生沉降，即產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。

(3)翻漿冒泥

季節(jié)性凍融地區(qū)的路基在冰凍的過程中，土中的水分不斷地向上移動(dòng)，使路基上部的含水量大大增加。春融期間，隨著凍結(jié)冰的不斷融化，使得土基含水量不斷增加，承載力急劇降低，再加外荷載不斷的作用，在局部地區(qū)的某一時(shí)刻，路面會(huì)突然開裂，有大量的泥漿噴出。

原因:春季，路面(特別是黑色路面)比路肩吸熱能力強(qiáng)，導(dǎo)熱性快，路面下聚冰帶的土層爭先融化，形成“融化盆”(底部和路肩土層尚處凍結(jié)狀態(tài))。見圖。

“融化盆”中多余的水分既不能下滲，也不能流走，基土過飽和，此刻土體孔隙中的氣體，因土溫增高也活躍起來。水、土、氣三態(tài)融合在一起，使得路基具有可塑性和流動(dòng)性。在行車荷載的振動(dòng)、擠壓、揉搓作用下，路基土體結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度大大降低，失去對(duì)路面及車輛動(dòng)荷載的支撐能力，便產(chǎn)生翻漿凍害現(xiàn)象。

(4)開裂

由于路基土層產(chǎn)生凍脹、熱融沉陷，加之路基填土高度不夠、路基排水不暢致使瀝青混凝土路面或水泥混凝土路面產(chǎn)生裂縫的現(xiàn)象稱為路面開裂。根據(jù)開裂的表面不同，可以分為橫向裂縫、縱向裂縫、網(wǎng)狀裂縫、反射裂縫四種。見圖。

2.凍害的影響因素

(1)路基土體

土體是產(chǎn)生凍害的內(nèi)在因素。土體的顆粒和壓實(shí)度對(duì)凍脹的影響因素巨大，對(duì)于土顆粒，只用到當(dāng)土體中的粉粘粒含量大于12%;對(duì)于壓實(shí)度，當(dāng)土體的干重度界限值rd接近18KN/m³時(shí)，土體的凍脹性是最強(qiáng)的。

(2)溫度及溫度梯度

溫度是水分遷移的基本外在因素。土溫降低將引起水結(jié)晶、冰分凝。使得土體內(nèi)部液態(tài)水向凍結(jié)鋒面的不斷遷移，以至于產(chǎn)生凍脹融沉凍害。溫度梯度的大小在很大程度上決定著水分遷移量和凍脹量的大小。

(3)土體中的水

水源補(bǔ)給條件對(duì)土體凍脹性的影響表現(xiàn)為當(dāng)無水源補(bǔ)給時(shí)，由于水分遷移受到了限制，因此凍脹達(dá)到一定量時(shí)就不再增長;有外界水源補(bǔ)給時(shí)，使水分的遷移得到保證，只要其他條件適宜，凍脹就會(huì)持續(xù)增長，達(dá)到較大的數(shù)值。封閉系統(tǒng)土樣的總凍脹量大約只有3~5%，而一個(gè)開敞系統(tǒng)中，不同溫度的條件下，凍脹量可達(dá)100%，甚至更大。這樣，凍害就極有可能發(fā)生。

(4)路面荷載

路面外荷載對(duì)未凍水含量的影響也十分顯著，外荷載愈大，凍土中的未凍水含量愈大，含冰量愈小。

三、風(fēng)積土的物理性質(zhì)

1.風(fēng)積土的凍脹性質(zhì)試驗(yàn)

取土地點(diǎn)選擇在凍害較明顯的路段，地點(diǎn)選擇彰武縣典型的風(fēng)積土凍害區(qū)，土樣沒有受到施工干擾，受人為擾動(dòng)也很小，因此基本符合要求。選擇3個(gè)地點(diǎn)，每個(gè)地點(diǎn)取3組土樣，原狀土用環(huán)刀取樣。分別對(duì)原狀土的密度、含水量、液縮限指標(biāo)進(jìn)行了測試，將結(jié)果列于表1，顆粒分析試驗(yàn)如表2所示。

從顆粒分析結(jié)果來看，0.075mm~1mm粒徑的顆粒約占60~70%，小于0.075mm粒徑的顆粒約占20~30%，大于1mm粒徑的顆粒約占10%，因此顆粒成分中細(xì)顆粒為主要顆粒。屬于粉質(zhì)粘土。

進(jìn)行風(fēng)積土擊實(shí)試驗(yàn)，得出風(fēng)積土的最佳含水量為16.7%，最大干密度為1.68g/cm³。

2.風(fēng)積土的凍脹性分析

通過風(fēng)積土的天然含水率試驗(yàn)和界限含水率試驗(yàn)，得出風(fēng)積土的天然含水率是20.5%左右，風(fēng)積土的塑限含水率是16%～17%之間，天然含水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于塑限含水率的80%，其發(fā)生凍脹可能性很大。通過風(fēng)積土的顆粒分析試驗(yàn)，得出風(fēng)積土的以細(xì)顆粒為主，屬于粉質(zhì)粘土，且其粘粒質(zhì)量分布大于12%，凍脹發(fā)生時(shí)產(chǎn)生水分遷移的可能性很大，同時(shí)基于阜新地區(qū)的氣候條件和地下水賦予情況，分析該地區(qū)的風(fēng)積土路基發(fā)生凍害破壞在局部地區(qū)不可避免，必須做好確保道路長期穩(wěn)定的防凍脹措施。

四、試驗(yàn)研究的準(zhǔn)備工作和風(fēng)積土凍脹試驗(yàn)研究

1.所用儀器設(shè)備

(1)溫度控制系統(tǒng)

①XT5410系列土工凍脹試驗(yàn)恒溫試驗(yàn)箱

②XT5303系列超低溫恒溫液浴循環(huán)兩用槽見

③XT5704系列低溫恒溫循環(huán)器見

(2)補(bǔ)水系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

①補(bǔ)水系統(tǒng)。采用塑料刻度杯經(jīng)PVC軟管連接試件底板，運(yùn)用連通器原理，可自動(dòng)調(diào)整塑料刻度杯的高度，用以模擬地下水的位置，保證對(duì)試件形成開放系統(tǒng)補(bǔ)水。

②十六通道數(shù)據(jù)采集儀

2.試驗(yàn)邊界條件的確定

(1)壓實(shí)度的控制

考慮到試件的尺寸和現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備的影響，經(jīng)大量室內(nèi)試驗(yàn)和路基現(xiàn)場試驗(yàn)表明，試驗(yàn)證明80%～90%壓實(shí)度時(shí)，路基土凍脹率最大。當(dāng)壓實(shí)度在80%左右時(shí)其毛細(xì)上升的高度較高，壓實(shí)度大到90%以上時(shí)，土體中的孔隙雖然更小。所以本次試驗(yàn)的試件壓實(shí)度控制在85%。風(fēng)積土的最大干密度1.68，故去試驗(yàn)的試件干密度為1.43。

(2)凍結(jié)速度和凍結(jié)溫度的控制

查氣象資料可知，遼寧省平均的凍結(jié)速率為1.12cm/d，所以室內(nèi)試驗(yàn)要如此慢的凍結(jié)速率，然而試驗(yàn)時(shí)間過長、耗能太大，試驗(yàn)將無法進(jìn)行，也不符合實(shí)際需求。本文根據(jù)按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/J50123-1999)的有關(guān)規(guī)定，結(jié)合阜新地區(qū)的凍結(jié)溫度范圍，試驗(yàn)采用類正弦函數(shù)y=30sin(πx/144+π)控溫。

3.原狀風(fēng)積土的凍脹試驗(yàn)

進(jìn)行原狀風(fēng)積土的取樣，試件的尺寸選擇小試件規(guī)格，內(nèi)徑為10cm，高位12cm。試驗(yàn)安裝后如圖9所示。

4.重塑風(fēng)積土的凍脹試驗(yàn)

預(yù)制含水量為20.05%的試件制備土，試件的高度是12cm，試件的壓實(shí)度采用85%。每次取試件制備土927.2g，經(jīng)驗(yàn)得出規(guī)律擊實(shí)25次，試件正好達(dá)到預(yù)先需要的4cm，分三次擊實(shí)，每層的擊實(shí)連接面經(jīng)刮毛處理。試驗(yàn)條件與原狀土試驗(yàn)相同。

圖11

圖12

經(jīng)凍結(jié)作用，利用溫度控制軟件得到的凍脹曲線如圖11所示。從圖中可以看出，在凍結(jié)作用時(shí)間達(dá)到20小時(shí)之后，土體發(fā)生明顯凍脹現(xiàn)象，在凍脹時(shí)間達(dá)到50小時(shí)左右出現(xiàn)了凍結(jié)最大值，直到最后趨于一個(gè)定值。凍脹量達(dá)1.88cm，凍脹現(xiàn)象明顯。

重塑風(fēng)積土的凍脹曲線如圖12所示，從圖可以看出，采用正弦控溫，壓實(shí)度選擇為85%進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果取得了良好的試驗(yàn)效果，試驗(yàn)所得的凍脹率與原狀土的凍脹率略小，主要是受到重塑土體內(nèi)部的水份通道交原狀土樣不連續(xù)的影響，水分遷移存在著一定的差異，但是凍脹效果相差不大。本次試驗(yàn)所確定的試驗(yàn)條件是完全可行的，它能很好地對(duì)實(shí)驗(yàn)土體進(jìn)行凍融試驗(yàn)。

五、風(fēng)積土地區(qū)道路凍害防治措施的試驗(yàn)研究

1.風(fēng)積土的防凍脹措施的確定

在現(xiàn)已提出的道路防凍脹措施中實(shí)施過程中，給出的均為一些工程操作中的范圍值，不具備因地制宜的特性，而在工程中的實(shí)際中的深度和厚度每增加1cm都會(huì)給工程成本帶來很大的提高。本論文的防凍脹措施針對(duì)這一客觀事實(shí)，結(jié)合阜新地區(qū)的現(xiàn)實(shí)情況，通過室內(nèi)大型模擬試驗(yàn)，研究防凍層的設(shè)置位置、厚度及地下水位對(duì)路基凍脹率的影響，得出天然沙礫隔水發(fā)凍脹的具體實(shí)施效果，通過均勻設(shè)計(jì)的回歸分析和實(shí)驗(yàn)優(yōu)化進(jìn)而確定在相應(yīng)水位的條件下防凍層的最佳設(shè)置位置及厚度。用于指導(dǎo)風(fēng)積土路基的防凍脹措施的施工和設(shè)計(jì)。

(1)試驗(yàn)條件

按照第四章的確定的試驗(yàn)條件，進(jìn)行大試件防凍脹措施模擬，試件與實(shí)際按照1:3的比例進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)計(jì)的高度、干密度和含水率，如表3所示，每層分10cm分層擊實(shí)，制作樣品。樣品在密封條件下安裝到試驗(yàn)箱內(nèi)，在開敞條件下養(yǎng)護(hù)14d，以確保樣品內(nèi)部水分的均勻分布和地下水位的模擬。兩個(gè)凍結(jié)頂板的溫度為y=30sin(πx/144+π)的類函數(shù)形式。

表3 試樣狀況

試樣直徑/cm高度/cm土干密度/(g#8226;cm-3)土初始含水率/(%)

1、210921.6420.5

(2)試件及其裝置

2.均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案與回歸分析方法選擇

(1)均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案

考慮到本次試驗(yàn)的實(shí)際情況，采用均勻設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法進(jìn)行防凍脹措施試驗(yàn)，在土體凍脹率的諸多影響因素中，以隔水層的換填厚度、換填深度、地下水深度為主要因素，在開敞系統(tǒng)的條件下，進(jìn)行大型模擬試驗(yàn)。結(jié)合試驗(yàn)的實(shí)際操作情況和數(shù)據(jù)回歸分析的準(zhǔn)確性，故采用八因素10水平的均勻設(shè)計(jì)表。選用U*10(108)均勻設(shè)計(jì)表中的1，5，6列作為試驗(yàn)安排表，分別對(duì)應(yīng)于換填深度D，換填厚度h，地下水位H三個(gè)因素。具體安排見表4。

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇均勻設(shè)計(jì)表

序號(hào)換填深度(D)換填層厚度(h)地下水深度(H)

1157

22103

33410

4496

5532

6689

7725

8871

9918

101064

(2)均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析方法選擇

回歸分析是一種處理變量的統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系的一種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法。回歸分析的基本思想是:雖然自變量和因變量之間沒有嚴(yán)格的、確定性的函數(shù)關(guān)系，但可以設(shè)法找出最能代表它們之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)形式。現(xiàn)有的回歸分析方法眾多，本試驗(yàn)采用應(yīng)用最為廣泛與科學(xué)的逐步回歸分析的方法。它的主要思路是在考慮的全部自變量中按其對(duì)顯著程度的大小，通過不斷的引入和剔除變量而最終找到最佳的回歸方程。在F檢驗(yàn)中，當(dāng)F≥n，n-!-1(α)時(shí)，在顯著性水平(α)下，所建立的回歸方程是顯著的，變量對(duì)y的x關(guān)系密切，回歸方程有意義。

3.天然沙礫換填隔水法的試驗(yàn)研究

天然沙礫換填試驗(yàn)過程:

利用均勻設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究，根據(jù)其換填后路基的凍結(jié)后的凍脹率變化規(guī)律，進(jìn)而找出天然沙礫換填的最佳位置和換填厚度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 換填試驗(yàn)

序號(hào)換填深度(D)換填層厚度(h)地下水深度(H)凍脹率

1175815.4

2187.5696.8

3194.5903.6

4207785.7

5214667.1

6226.5874.1

7233.5755.9

8246637.4

9253846.8

10265.5726.2

(1)模型的建立與回歸分析

本試驗(yàn)的回歸分析采用逐步回歸法。擬建回歸方程如公式(1)所示。

y=b(0)+b(1)×e-x(1)+b(2)×x(2)+b(3)×〔x(3)〕0.5+b(4)×〔x(1)〕2+b(5)×x(1)×x(2)+b(6)×x(1)×x(3)(1)

本次回歸分析采用的顯著性水平α=0.10，引入變量的臨界值Fa=1.538，剔除變量的臨界值Fe=1.512。經(jīng)篩除變量檢驗(yàn)，得到的回歸方程為:

y=29.1-30.6×4-x(1)-0.0547×x(2)-2.55×x〔x(3)〕0.5

回歸的方差分析表如表6所示:

表6 變量分析表

變異來源平方和自由度均方均方比

回歸U=16.5K=3U/K=5.50

殘差Q=0.382N-1-K=6Q/(N-1-K)=6.37e-2F=86.35

總和L=16.9N-1=9

經(jīng)F分布臨界值表的查詢，可知FN，N-K-1(α)=F3.6(0.10)=5.28，本回歸過程中的均方比F=86.35，F(xiàn)>FN，N-K-1(α)，回歸方程顯著。此時(shí)復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.9886。試驗(yàn)的觀測值與回歸值的曲線如圖14所示。

圖14

為了取得最好的試驗(yàn)條件，采用單純行法進(jìn)行試驗(yàn)的優(yōu)化，為了使結(jié)果具有更好的實(shí)用性，試驗(yàn)中是地下水深度控制在試驗(yàn)試件的70cm處。經(jīng)試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果，得出最優(yōu)條件為:換填厚度16cm、換填深度55cm、地下水埋深70cm時(shí)得到預(yù)期指標(biāo)—凍脹率的最小值為3.06(±0.594)，雖然所取得凍脹量不是最小的，但是該種實(shí)驗(yàn)優(yōu)化體現(xiàn)了滿足地下水位相對(duì)的較高的所有地點(diǎn)的實(shí)用性，且在此條件下發(fā)生的凍脹率路基是安全的。

六、結(jié)論

(1)考察近幾年的遼西地區(qū)風(fēng)積土路基道路的凍害現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)存在的道路凍害現(xiàn)象有:凍脹、融沉、翻漿冒泥、開裂等。分析了土的粒度、土的溫度、土中水、壓實(shí)度等這些凍害的影響因素。

(2)較系統(tǒng)地研究了阜新地區(qū)風(fēng)積土的物理性質(zhì):天然含水率為20.5%左右，濕密度為1.92~1.98g/cm³，液限為30.9%~32.4%，塑限16.1%~16.9%，得出風(fēng)積土的最大干密度是1.67g/cm³，最佳含水量是16.8%，顆粒成分分析中以細(xì)顆粒為主，屬于粉質(zhì)粘土，粉粘粒比重大，易于凍脹的發(fā)生。

(3)結(jié)合阜新地區(qū)季節(jié)性凍脹條件和以往室內(nèi)凍融試驗(yàn)的成功經(jīng)驗(yàn)，得出如下試驗(yàn)邊界條件:凍結(jié)溫度采用類正弦控溫，考慮到凍結(jié)速度的凍脹量的影響，選擇凍結(jié)周期為288h，溫度控制函數(shù)為y=30sin(πx/144+π);壓實(shí)度采用85%，進(jìn)行開敞系統(tǒng)原狀風(fēng)積土凍脹試驗(yàn)和重塑風(fēng)積土的凍脹試驗(yàn)，取得了良好的凍脹效果，同時(shí)證實(shí)了本次試驗(yàn)所確定的試驗(yàn)條件是完全可行的，它能很好的對(duì)試驗(yàn)土體完成凍融。

(4)采用天然沙礫換填隔水法進(jìn)行風(fēng)積土路基的凍害防治，結(jié)合均勻設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法，進(jìn)行大型試件的室內(nèi)模擬試驗(yàn)，回歸分析建立了凍脹率與地下水埋深、換填厚度以及換填層位置的數(shù)學(xué)模型，復(fù)相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9886。進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化處理，得到最佳的天然砂礫換填隔水層的位置應(yīng)該路面以上0.55cm出，換填厚度為16cm。