季凍區路基土凍脹主要影響因素對凍深的影響規律

張玉富，于天來

(1.東北林業大學 土木工程學院，哈爾濱 150040；2.黑龍江省交通科學研究所，哈爾濱 150080)

季凍區道路凍脹，主要指路基土的凍脹。冬季，路基土在凍結過程中水分積聚，沿著溫度降低的方向會形成冰晶體狀的霜柱，由于體積膨脹，使得路面產生隆起，這種現象，就是所謂的道路凍脹。至于路面凍脹，也是由于路基土發生的凍脹，導致路基整體產生了以豎向變形為主的凍脹變形，并非路面結構本身產生的凍脹變形。由于路面結構都是由剛性較大的材料組成，通常認為這種結構不會產生凍脹變形。如果路基發生的凍脹變形是均勻的，路面隨之產生的變形也是均勻的，此時路基土的凍脹不會造成路面產生過大的危害，也就不會造成路面開裂破壞。但是由于路基土的含水量和密實度在不同季節會發生變化，相互之間有所不同，再加上各種復雜的環境因素的作用，使得大多數情況下路基土的凍脹變形都是不均勻的，產生的凍脹力也是不均勻的。路面在不均勻的凍脹變形和凍脹力的作用之下，內部會產生拉應力效應，從而形成裂縫，這就是路面在冬季容易開裂的主要原因[1-3]。可見，研究路基土的凍脹規律，控制路基凍脹變形，對于防止路面開裂，確保路面使用性能是非常重要的。

影響路基土凍脹的因素很多，也很復雜，諸如土的粒徑與含量、土的礦物成分、土的密度、土中含水量、土中溫度及其梯度、土中鹽分、地下水、地表長期積水等等。這些因素交互作用，難以單獨確定其對凍深的影響程度[1-4]。為便于工程上的應用，通常將路基凍深的影響因素歸集為3類，即：土質因素—反應不同土質類型的影響程度；土的凍脹性因素—采用凍脹率指標(綜合反映自然、地質、水文等各類因素的影響程度)；坡向因素—反映氣候和溫度等熱工性能的影響程度。

為確定不同因素對路基土凍脹的影響規律，依據黑龍江省慶安凍土試驗場，開展了相關的試驗和觀測，取得了多年的試驗觀測數據。慶安公路凍土科學試驗場地處黑龍江省中部，小興安嶺西麓，北緯46°33′，東經127°30′，位于國家公路自然區劃Ⅱ2區，臨近Ⅰ2與Ⅱ1交界處。場內土質多為粘性土，地下水位多年平均值0.2～2.0 m；多年平均氣溫1.7℃，極端最低氣溫-42℃，多年平均凍結指數2 363℃·d。

通過對試驗數據的分析，明確了土質、土的凍脹性和地形坡向對路基凍深的影響程度，從而提出了3種主要因素對路基凍深的影響規律。

1 土質對路基凍脹的影響規律

依托慶安凍土試驗場路基試驗路，開展了土質對路基凍深的影響規律研究。

1.1 路基試驗路簡介

慶安公路凍土科學試驗場的路基試驗路，選擇不同土質進行填筑。試驗路段施工時的控制壓實度為90％～95％，控制含水量為不超過最佳含水量的±2％。在凍土試驗場內對應不同的地下水位、不同的地表長期積水水位，也就是對應了不同的凍脹邊界條件。結合試驗路，開展的試驗和觀測項目包括：環境溫度監測、路基內部溫度監測、路基凍深觀測、路基表面(總)凍脹量觀測、路基分層凍脹量觀測、路基不均勻凍脹量觀測、路基含水量試驗、路基地表長期積水水位觀測和路基地下水位觀測等。

1.2 不同土質的凍脹量試驗結果

為研究土質對凍脹量的影響，分別進行了常見工程土質的凍脹量試驗。試驗的土質分別為粘土、粉土、細砂、粗砂(粉粘粒含量15％，以下簡稱粗砂土)及土石混合物(粉粘粒含量15％，以下簡稱碎石土)。取得的試驗結果見表1。

表1 不同土質凍脹量觀測結果

根據表1，在相同凍結條件下，各土質多年凍脹量的關系如圖1所示。

圖1 不同土質凍脹量觀測結果示意圖

從圖1可以看出，多年總凍脹量平均值為：粘土199 mm、粉土178 mm、細砂109 mm、粗砂土63 mm、碎石土50 mm。數據表明，細顆粒土特別是粘性土的凍脹量大，粗顆粒土凍脹量較小，按降冪排列，各類土的凍脹量次序為：粘土>粉土>細砂>中砂>粗砂土>碎石土。

1.3 不同土質的凍深試驗結果

在相同凍結條件下，填筑路基常用的粘土、粉土、細砂、粗砂土和碎石土的凍深多年觀測結果見表2。

表2 不同土質的凍深觀測結果(單位：cm)

根據表2，在相同凍結條件下，不同土質的凍深關系如圖2所示。

圖2 不同土質凍深觀測結果示意圖

表1及表2中數據表明，不同土質的凍深與其凍脹量的變化趨勢相反，凍脹量大的土質凍深反而小，即細顆粒土凍脹量大，而凍深小；粗顆粒土凍脹量小，而凍深大。按凍深的降冪排列，各類土的凍深排列順序為：碎石土>粗砂土>細砂>粉土>粘土。

1.4 不同土質對路基凍深的影響程度

根據圖2中的觀測數據，以粘性土的凍深為基準，其土質影響系數即為1，則粉性土、細砂、粗砂土、碎石土的土質對凍深分別是粘性土的1.10、1.20、1.30和1.35倍。由此得到土質對路基凍深的影響系數K1見表3。

表3 土質對凍深的影響系數

2 路基凍脹率對路基凍深的影響規律

同樣依托慶安凍土試驗場路基試驗路，開展了凍脹率對路基凍深的影響規律研究。

2.1 路基土凍脹率的含義

由于不同地區的自然環境條件有所差異，土體產生的凍深各不相同。即使在同一地區，在不同的地點，相互之間的凍脹量差別也很大。因此，僅采用凍脹量指標進行描述，難以精確地比較各地區路基土的凍脹程度。而采用凍脹量與凍層厚度之比的相對值來表征，即可達到這一目的[5-8]。凍脹率就是單位凍結深度的凍脹量，即凍脹量與凍結深度之比，采用百分數見公式(1)：

Kd=(h/H)×100％。

(1)

式中：Kd為土的凍脹率(％)；h為凍脹量(cm或mm)；H為凍結深度，即凍層厚度減去凍脹量(cm)。

凍脹率是綜合反映土體凍脹效果和凍脹能力的特性指標，是研究土凍脹過程的物理參數，是表征土凍脹時產生應力、變形的重要特征值。路基土凍脹率即凍脹量與凍結深度(凍層厚度減去凍脹量)的比率，是表征路基土凍脹性的綜合性指標，可以綜合反映氣候、水文和地質等因素對土的凍深的影響程度。

2.2 不同凍脹率對應路基凍深的試驗結果

依托慶安凍土試驗場的路基試驗路，取得不同凍脹率對應的凍深觀測數據，見表4。

表4 路基凍脹率與凍深觀測結果

觀測結果表明，總體上路基土的凍深隨著凍脹率的提高而降低，凍脹率越小，凍深值越大；凍脹率越大，凍深值越小。

根據表4得到路基凍脹率與凍深的關系，如圖3所示。

圖3 路基土凍脹率與凍深的觀測結果示意圖

2.3 凍脹率與路基凍深的關系

根據“中國季節性凍土標準凍深線圖”[9]，查得慶安地區標準凍深值為210 cm。計算實測凍深與標準凍深之比(凍深系數)，見表5。

表5 路基凍脹率與凍深系數的關系

根據表5，得到凍脹率與凍深系數之間的關系如圖4所示。

圖4 路基土凍脹率與凍深影響系數的關系

按圖4進行回歸分析，得到凍脹率與標準凍深影響系數K的數學關系見公式(2)：

K2=0.997exp-0.024Kd。

(2)

式中：K2為路基土凍脹性(凍脹率)對凍深的影響系數；Kd灰實測土的凍脹率(％)。

2.4 凍脹率對路基凍深的影響程度

參考以往的研究成果和有關資料，可根據土質的凍脹率范圍劃分土的凍脹類別[10-12]，將土的凍脹性分為4類：第1類不凍脹：Kd≤1；第2類弱凍脹：15。按公式(2)計算，給出不同凍脹類別路基土對標準凍深的影響系數K2值見表6。

表6 不同凍脹率范圍對路基凍深的影響系數

3 地形坡向對路基凍深的影響規律

依托慶安凍土試驗場路基試驗路，開展了地形坡向對路基凍深的影響規律研究。

3.1 地形坡向對凍深的影響概述

關于地形坡向對路基凍深的影響程度，目前國內外對其研究很少，很難給出一個理想的結論。通常，與平坡時的凍深相比，陽坡，即南坡，由于日照充分，吸收熱量較多，凍深相對較小；陰坡，即北坡，北坡常年得不到太陽幅射，由于吸收熱量較少，凍深相對較大。因此在其它凍結條件相同的情況下，陰坡的凍深要大于陽坡的凍深。對于工程界，比較一致的意見與看法是，地形坡向對凍深有一定影響，且給定的標準凍深大于南坡凍深、小于北坡凍深[13]。所以，計算路基凍深時必須考慮地形坡向對標準凍深的修正，取用標準凍深計算路基凍深時一定要對其地形或坡向進行修正，通常南坡取小于1的系數，北坡取大于1的系數。

3.2 地形坡向對凍深影響的試驗結果

依托同為慶安地區的綏慶(綏陵-慶安)公路及周邊砂石路，對平坦、陽(南)坡、陰(北)坡凍深進行了觀測，得到數據見表7。

表7 不同坡向凍深觀測結果

通過表7可以看出，地形坡向對路基凍深的影響符合“陽坡小、陰坡大”這一規律。

3.3 地形坡向對凍深的影響程度

根據陽(南)坡、陰(北)坡凍深與平坡凍深的比值，推薦地形坡向對凍深的影響系數K3，體現了地形坡向對路基凍深的影響程度見表8。

表8 地形坡向對凍深的影響系數

4 不同因素對路基凍深影響規律的應用

不同因素對路基凍深的影響規律研究成果，主要用于計算路基的實際凍深，因其是通過對標準凍深修正計算得到的，也稱為“路基計算凍深”。這一計算結果是確定路基換填深度，以及確定路面抗凍厚度不可缺少的數據，是公路防凍設計的主要依據。

常規的路基實際凍深的計算是采用對標準凍深進行修正的方法。可以依據不同因素對路基凍深的影響程度實現對標準凍深的修正。標準凍深是指在標準條件下(地形平坦、祼露無復蓋、粘土、非凍脹)，多年實測最大凍深平均值，在此推薦使用“中國季節性凍土標準凍深線圖”，其值相當于氣象臺站在標準條件下觀測的多年最大凍深平均值。考慮到路基填土與當地的土質等條件密切相關，路基標準凍深參考這一數值進行取用。

路基標準凍深的修正計算見公式(4)：

Zd=Z0K1K2K3。

(4)

式中：Zd為路基計算凍深(cm)；Z0為“中國季節性凍土標準凍深線圖”標準凍深(cm)；K1為路基土質對標準凍深修正系數；K2為路基土凍脹性對標準凍深修正系數；K3為地形坡向對標準凍深修正系數。

以慶安地區的標準凍深210 cm為例，粉性土，凍脹率為4％，陰坡的計算凍深為：

Zd=210×1.10×0.90×1.05=218.3(cm)。

計算結果表明，這種條件下粉性土路基的實際凍深大于標準凍深，路基換填深度或路面抗凍厚度均要有所提高。

上述應用，充分體現了不同因素對路基凍深影響規律的實用價值。

5 結束語

(1)針對影響路基凍深的主要因素，開展了土質、土的凍脹率和地形坡向與路基凍深關系的試驗研究。

(2)根據試驗結果，系統研究了土質、土的凍脹率、地形坡向對路基凍深的影響規律，確定了不同因素對路基凍深的影響程度，提出了土質、凍脹率、地形坡向對路基凍深的影響系數。

(3)關于不同因素對路基凍深的影響規律研究成果，適用于計算不同條件下路基土的實際凍深，為路基換填、路面抗凍厚度設計提供依據。

【參 考 文 獻】

[1]戴惠民，樂鵬飛，王興隆，等.季凍區公路路基土凍脹性的研究[J].中國公路學報，1994，7(2)：1-8.

[2]馮桂云，謝穎川.多年凍土區路基融沉變形分析[J].公路工程，2013，38(3)：5-10.

[3]滕海生，鄭立孝.基于PLAXIS的新舊路基結合部臺階開挖方案的有限元分析[J].森林工程，2012，28(2)：75-78.

[4]戴惠民.季凍區公路路面厚度[M].哈爾濱：黑龍江人民出版社，2006.

[5]邱國慶，劉經仁.凍土學辭典[M].蘭州：甘肅科學技術出版社，1994

[6]Goering D J，Instanes A，Kundsen S.Convective heat trasfer in railway embankment ballast [A].Ground Freezing 2000-Frost Action in Soils [C].Rotterdam：Balkema，2000：31-36.

[7]Miller R D.Freezing and heaving of saturated and unsaturated soils [J ].Highway Research Record，1972，393：1-11

[8]Padilla F，Villeneuve J P.Modelling and experimental studies of frost heave including solute effects[J].Cold Regions Science and Technology，1992，20：183-194.

[9]中華人民共和國國家標準.建筑地基基礎設計規范(GB50007-2002)[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[10]戴惠民，王興隆.季凍區公路橋涵基礎最小埋深的研究[J].中國公路學報，1993，6(1)：67-72.

[11]王正秋.細砂土凍脹性分類[C].第二屆全國凍土學術會議論文選集.蘭州：甘肅人民出版社，1983.

[12]賈革續.粗粒土工程特性的試驗研究[D].大連：大連理工大學，2003.

[13]中華人民共和國水利部水工建筑物抗凍設計規范.SL211-2006[S].北京：水利電力出版社，2006.