109國道青海橡皮山段路基填土的凍脹特性研究

楊 兵

(中鐵株洲橋梁有限公司)

1 引 言

凍脹是季節凍土區道路路基常見的病害,也是困擾我國公路建設的一個重要問題。它能引起公路路面拱起、開裂,嚴重破壞了路基及路面結構。由于車輛超載與地下水的補給,更加劇了凍脹病害程度。關于路基土的凍脹特性,國內外學者進行了大量的研究。徐學祖的研究表明,土體的凍脹主要是由于凍結過程中發生水分遷移與重分布,形成了冰透鏡體所致。凍脹受土質、溫度、水分、含鹽量、密度及荷載等因素影響。陳肖柏系統地研究了砂礫料的凍脹敏感性,提出了土的凍脹性分類標準與凍脹機制。凍脹病害的危害大,影響因素多,針對 109國道典型凍脹地段路基的砂質粉土填料開展了開敞條件下的凍脹試驗,系統的研究砂質粉土的凍脹特性及冷卻溫度、壓實度、荷載對其凍脹特性的影響。

2 試驗概況

2.1 試驗土樣

本試驗用土取自 109國道青海省境內橡皮山段,該地區最高點海拔 3800m,高山寒凍風化作用強烈。線路所經地質構造為沿海—海陸交互碎屑構造,其巖性多為砂礫巖和砂巖、板巖。路基土質為砂質土和粉質土,土基潮濕類型為中濕,個別路段為潮濕。土性分析實驗按《土工試驗方法標準》(GB/T50123-1999)進行,具體物理指標與顆粒成分如表 1、表 2所示,可以看出,該土為細顆粒含量較多的低液限砂質粉土,屬凍脹敏感性土。

表 1 土樣的基本物理指標

表 2 顆粒分析結果

2.2 試樣制備

土樣制備:把擾動土風干,用橡皮棒輾碎后過 2mm直徑篩,然后配制成含水率為 15.2%的土樣。

試樣尺寸:試樣直徑 150mm,高度 100mm。

試樣成型:按預定的壓實度計算出所需的土量,分 5層裝入有機玻璃圓筒內并進行擊實,每一層控制高度為20mm,并控制土樣總高度為 100mm。

3 試驗內容及方法

3.1 試驗內容

對不同冷端溫度、壓實度下凍結的土樣,在無荷載、靜荷載及動荷載條件下分別進行了開敞條件下凍脹試驗。凍前含水量為最優含水量 15.2%,飽和度為 58.4%,試樣底部暖端溫度設置為恒溫 1℃,其他參數如表 3所示。

表 3 試驗設計

3.2 試驗方法

在低溫恒溫室內,使土樣在不同頂端冷卻溫度、不同壓實度、不同動荷載作用下進行單向凍結。首先在試樣內每隔20mm安裝一個溫度傳感器,并用保溫材料把試樣裝置包好。開啟馬氏補水瓶和底板排水排氣閥門,待排氣管內無汽泡且有均勻連續水流流出時關閉。接著把冷端與暖端溫度都調節為 1℃,恒溫 24h。然后調節試樣冷端達到預定的溫度,同時加載,使試樣單向凍結。當連續 6h同一位置的溫度變化很小,且凍脹變形量穩定時結束試驗。試驗過程中試樣內部溫度變化值、凍脹變形量由電腦自動采集。

4 凍脹特性分析

4.1 凍結速率對比分析

土的凍結速率是描述凍土性質的重要指標,它作為溫度對土凍脹過程影響的特征指標,表示凍脹鋒面的前進速度。凍結速率按式(1)計算

式中:Vf為凍結速率,mm/h;Hf為凍結深度,mm;t為凍結時間,h。圖 1.a給出了不同冷端溫度下(壓實度 95%,動荷載值100kPa)凍結速率隨時間的變化趨勢。從中看出,在冷端溫度不變時,土樣的凍結速率隨時間推移呈衰減趨勢,土樣凍結速率在快速凍結區最大,而在凍結過渡區逐漸減小,以后隨時間推移凍結速率越來越小,最后趨近于 0。在土樣凍結前 20h內,溫度對凍結速率影響很大,冷端溫度越低,凍結速率越大。這主要是由于冷端溫度較低時,熱量在土顆粒間傳遞加快,土樣達到凍結的時間越短,從而引起凍結速率的增大。

圖 1.b是不同壓實度下(冷端溫度 -3℃,動荷載值100kPa)凍結速率隨時間的變化過程。可以看出,壓實度對凍結速率的影響主要表現在前期的凍結速率上。壓實度越大,凍結速率越大,這是由于土體壓密后,導熱系數增大的緣故。但與冷端溫度的影響相比,壓實度的影響較小。

圖 1.c給出了不同動荷載下(壓實度 95%,冷端溫度-15℃)凍結速率隨時間的變化趨勢?？梢钥闯?隨著時間的推移凍結速率逐漸減小,最后趨于穩定。動荷載大小對凍結速率的影響也主要表現在試驗初期。隨著荷載值增大,凍結速率也增大。這是因為荷載對土體有壓密作用,使得土體導熱系數增大,凍結時間減小的緣故。

圖 1.d是不同加載方式下(冷端溫度 -15℃,壓實度95%,動荷載值 60kPa,靜荷載值 30kPa)凍結速率隨時間的變化過程?？梢钥闯?加載方式對土樣初期凍結速率影響比較大。靜載條件下,在凍脹初期試樣被壓縮,使得土樣被壓密,故這時的凍結速率較大。

圖 1 凍結速率的影響因素分析

4.2 凍脹率對比分析

土的凍脹率也是描述凍土性質的重要指標,凍脹率按式(2)計算

式中:η為凍脹率,%;Δh為凍脹量增量,mm;ΔHf為凍結深度增量,mm。

圖 2.a給出了不同冷端溫度下(其他參數與圖 1.a相同)土樣凍脹率隨時間的變化趨勢?？梢钥闯?土樣的凍脹率隨時間推移不斷增大。凍脹率在凍結前期較小,隨著凍結時間延長逐漸增大。通過對比可以看出,隨著冷端溫度的升高,凍脹率逐漸增大。這是由于開敞系統下,未凍土端下面有充足的水分向凍結鋒面處遷移,從而有大量的水分在凍結鋒面處結冰,凍脹率也急劇增大,隨著凍結時間延長最終在凍結鋒面處形成一定厚度的冰透鏡體。

圖 2.b是不同壓實度下(其他參數與圖 1.b相同)土樣凍脹率隨時間的變化趨勢。從中看出,壓實度越大,最終的凍脹率越小。試驗證明,壓實度為 0.8時路基土凍脹率最大,達到 33.6%。

圖 2.c給出了不同動荷載下(其他參數與圖 1.c相同)土樣凍脹率的變化趨勢。可以看出,隨著動荷載值的增大,土樣的凍脹率逐漸減小。這是由于荷載值較大時,土樣產生的壓縮變形量也較大,使得在試驗開始初期土樣中水分排出較多,減小了土樣的含水量。因此,在土樣凍結初期,動荷載值較大時土樣的凍脹曲線的增長梯度較小。

圖 2.d是不同加載方式(其他參數與圖 1.d相同)下凍脹率的變化過程?？梢钥闯?加載方式對土樣的凍脹率影響比較大。無荷載條件下最終凍脹率為 10.2%,動荷載條件下最終凍脹率為 8.2%,靜荷載條件下最終凍脹率為7.03%。在凍脹開始 20h后,三者的凍脹率逐漸趨于穩定。

圖 2 凍脹率的影響因素分析

5 結 論

(1)冷端溫度對 109國道典型凍脹地段砂質粉土填料的凍脹特性影響明顯。開敞條件下,冷端溫度為 -3℃時的凍脹率為冷端溫度-15℃凍脹率的 5倍左右。

(2)開敞條件下,隨著壓實度從 0.9到 0.8逐漸減小,凍結過程中吸水量增大,凍脹率也逐漸增大。

(3)開敞條件下,隨著荷載值的增大,土樣初期的壓縮變形量也增大,但總的凍脹變形量減小。加載方式對凍脹特性影響比較大,無荷載作用下土的凍脹率最大。

[1]徐學祖,鄧友生.凍土中水分遷移的實驗研究[M].北京:科學出版社,1991:35-37.

[2]陳肖柏等.砂礫料之凍脹敏感性[J].巖土工程學報,1988,21(3):23-29.

[3]陳肖柏,劉建坤等.土的凍結作用與地基[M].北京:科學出版社,2006,101-103.

[4]李述訓,程國棟.凍融土中的水熱輸送問題[M].蘭州:蘭州大學出版社.1995,78-79.

[5]吳紫汪等.土的凍脹性實驗研究[M].北京:科學出版社,1981,82-86.