冰凍氣候?qū)β坊阅苡绊懩M試驗(yàn)研究

張林

（安徽省路港工程有限責(zé)任公司，安徽　合肥　230000）

冰凍氣候?qū)β坊阅苡绊懩M試驗(yàn)研究

張林

（安徽省路港工程有限責(zé)任公司，安徽合肥230000）

通過(guò)對(duì)路基凍融機(jī)理的研究，分析路基土凍脹的影響因素包括土粒組成、壓實(shí)度、水分、溫度和荷載；通過(guò)對(duì)凍融條件下不同路基土的承載比（CBR）和剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，得到凍融下路基土的CBR最少衰減6.5％、最大衰減達(dá)36.9％，土樣凍融后剪切強(qiáng)度衰減10％～20％，土樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角均因凍融而減小，但衰減幅度不大。

公路；路基；凍融；承載比（CBR）；剪切強(qiáng)度；冰凍氣候

路基土中溫度下降至孔隙水結(jié)晶點(diǎn)時(shí)會(huì)導(dǎo)致土體凍結(jié)膨脹，引發(fā)附加變形與應(yīng)力；不同含水量和土質(zhì)條件下誘發(fā)的不均勻凍脹應(yīng)力更大。氣溫升高，凍結(jié)土體由上至下融化，由于下層凍土未解凍，水分難以下滲，使上層含水量變大導(dǎo)致強(qiáng)度下降。當(dāng)土體中的凍結(jié)冰晶完全消融，卻又不能排水固結(jié)時(shí)，在荷載反復(fù)作用下，道路易產(chǎn)生融沉、沉陷和翻漿等一系列病害，影響道路通行安全。因此，眾多學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了大量研究。欒海等通過(guò)試驗(yàn)證明凍融循環(huán)可引發(fā)黏性土的水分遷移，增大毛細(xì)水的上升高度。李雨濃等分析了含水量及塑性對(duì)土體凍脹性的影響，通過(guò)試驗(yàn)得到細(xì)粒土凍脹性隨含水量增大而變大，當(dāng)含水量一致時(shí)，凍脹性隨塑性增大和顆粒變細(xì)而變小。張喜發(fā)等研究得到地下水侵襲導(dǎo)致路基軟化，凍脹加劇，同時(shí)地下水可侵襲砂礫層乃至底基層，導(dǎo)致其防凍、輔助承載作用喪失。

1　路基凍融機(jī)理

湖南省夏季濕熱多雨，雨水入滲導(dǎo)致路基地下水位上升，為冬季水分積聚提供了必要條件。進(jìn)入冬季，路基的上層率先凍結(jié)，隨著氣溫降低，凍結(jié)慢慢向深處延伸，導(dǎo)致路基溫度上低下高，形成溫度負(fù)梯度。土體中自由水先凍結(jié)形成冰晶體，冰晶體附近土粒的結(jié)合水膜變薄，產(chǎn)生剩余分子引力，同時(shí)其離子濃度變大，產(chǎn)生滲附壓力。在這二者共同作用下，結(jié)合水由水膜較厚處向薄弱處移動(dòng)，水分移動(dòng)到凍結(jié)區(qū)域后即凍結(jié)，冰晶體體積變大，從而進(jìn)一步擴(kuò)大不平衡引力。若未凍結(jié)區(qū)存在水源補(bǔ)給途徑，被吸引的結(jié)合水能隨時(shí)補(bǔ)充，則水分會(huì)持續(xù)從未凍結(jié)區(qū)向凍結(jié)區(qū)聚集，使冰晶體不斷擴(kuò)大。路基中的水分凍結(jié)膨脹，當(dāng)其超過(guò)路基土體的空隙所能容納的量時(shí)即產(chǎn)生凍脹，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致路面錯(cuò)臺(tái)、開(kāi)裂和隆起。冰晶體融化時(shí)，土體體積縮小，容易導(dǎo)致收縮開(kāi)裂、沉陷等路面病害，影響道路的正常使用功能。

2　路基凍融影響因素

2.1土的粒度組成

土顆粒的大小不同將導(dǎo)致其表面力場(chǎng)的差異，土顆粒的比表面積是其表面效應(yīng)指標(biāo)。土顆粒的大小與其比表面積成反相關(guān)關(guān)系，顆粒越小比表面積越大，其與水相互作用的能量也越強(qiáng)。土顆粒與水的作用能量強(qiáng)弱對(duì)土凍結(jié)過(guò)程的水分遷移能力有著直接影響，因而不同土顆粒組成導(dǎo)致其凍脹變形有著不同特征。

2.2壓實(shí)度

壓實(shí)度影響凍脹有一閾值，低于該值，凍脹與壓實(shí)度正相關(guān)；高于該值，凍脹與壓實(shí)度負(fù)相關(guān)。在閾值以下，毛細(xì)孔徑較多，水分遷移加劇，凍脹率增加；在閾值以上，土體密實(shí)，壓實(shí)度增大導(dǎo)致土體間微孔隙減少，土顆粒間結(jié)合水膜較強(qiáng)，水分遷徙受阻，凍脹率降低。

2.3土中水分含量

土體中水分含量超過(guò)起始凍脹含水量將會(huì)產(chǎn)生凍脹。起始凍脹含水量是指在穩(wěn)定的負(fù)溫條件下凍脹系數(shù)為零時(shí)的含水量。在無(wú)水源補(bǔ)充的閉合系統(tǒng)里，僅有土體內(nèi)部水分遷移重分布，由于沒(méi)有地下水的及時(shí)補(bǔ)充，凍結(jié)后上部土層中（凍深以上1/2～ 1/3部分）含水量明顯增大，下層土體內(nèi)含水量減少，在一定范圍內(nèi)土體凍脹率與含水量正相關(guān)。在開(kāi)放系統(tǒng)內(nèi)，雖然初始含水量小，但在凍結(jié)中外部水分源源不絕地往凍結(jié)區(qū)遷徙，導(dǎo)致土體凍脹性增大，其凍脹后果比無(wú)水源補(bǔ)給的體系嚴(yán)重10倍以上，對(duì)道路損害極大。

3　凍融對(duì)路基力學(xué)性質(zhì)的影響

冰凍天氣對(duì)路基路面的工作性能都造成不同程度的影響。下面通過(guò)路基土凍融循環(huán)試驗(yàn)和土工試驗(yàn)，對(duì)比凍融前后路基土承載比CBR、抗剪強(qiáng)度等參數(shù)，得到凍融循環(huán)對(duì)路基土承載能力的影響規(guī)律。

3.1試驗(yàn)材料

選取湖南某高速公路受冰凍氣候影響的四處路基土進(jìn)行模擬試驗(yàn)。其中：K138+350處為全風(fēng)化花崗巖路段，病害為翻漿，粉砂含量高，風(fēng)化花崗巖強(qiáng)度指標(biāo)不大，部分材料CBR不符合規(guī)范要求，回彈模量低，抗變形穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性差。K130+ 560處為全風(fēng)化花崗巖路段，病害為沉陷，土質(zhì)為砂性粉土，強(qiáng)度不滿足路基要求，且下雨易軟壓，含水量很高，采用石灰水泥改良。K48+926處為切方路段，病害為裂縫與沉陷，主要為硅化砂質(zhì)板巖，上部強(qiáng)風(fēng)化層巖性較硬，屬軟石，下部弱風(fēng)化層為次堅(jiān)石，地質(zhì)情況良好。K62+700處無(wú)病害，切方筑路材料為小塊石質(zhì)土，結(jié)構(gòu)松散，為普通土，強(qiáng)風(fēng)化礫巖，承載比高，質(zhì)量好。

3.2試驗(yàn)條件及方案

試驗(yàn)條件是影響凍融試驗(yàn)結(jié)果極為重要的因素，主要包括冰凍溫度、冰凍時(shí)間、冰凍方式和融化溫度、融化時(shí)間、融化方式等。將試件包裹保鮮膜后置于恒溫箱中，在-25℃條件下恒溫6 h，再在10℃條件下解凍12 h，檢測(cè)結(jié)果顯示水分散失僅0.1 ～0.2 g。

CBR是用于評(píng)定路基土強(qiáng)度的重要指標(biāo)。按照擊實(shí)試驗(yàn)得到的最佳含水率配制素土和不同改良土的CBR試件，試件制作方式與擊實(shí)試樣相同。將擊實(shí)好的試件經(jīng)歷冰凍—融化處治后進(jìn)行貫入試驗(yàn)，模擬路基土在冰雪災(zāi)害下的凍融狀態(tài)。貫入試驗(yàn)中，在試件頂面施加4塊標(biāo)準(zhǔn)荷載板，模擬實(shí)際路基受到路面的附加應(yīng)力。

將土樣過(guò)5 mm篩后以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)含水率為控制量制備多組試樣。通過(guò)大型擊實(shí)成型試件，利用環(huán)刀剪切土樣試件，試件在經(jīng)過(guò)冰凍—融化處治后進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。

3.3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1CBR試驗(yàn)結(jié)果分析

路基土凍融前后CBR對(duì)比如表1、圖1所示。

表1　土樣凍融前后CBR對(duì)比

圖1　土樣凍融前后CBR對(duì)比

從圖1、表1可以看出：土樣在進(jìn)行凍融后， CBR值均有所衰減，但衰減程度不同；不同樁號(hào)處路基土的CBR值相差較大，主要跟土質(zhì)因素有關(guān)，如含水量、顆粒組成、礦物組成及含量等。冰凍時(shí)，將試件筒置于恒溫箱中，室溫為15℃，降溫速率為9℃/min，冷卻目標(biāo)溫度為-25℃，大約經(jīng)過(guò)5 min后恒溫箱內(nèi)溫度降至目標(biāo)溫度，然后恒溫48 h。由于試件底部和頂部直接暴露于恒溫箱內(nèi)，而試件側(cè)面有試件筒保護(hù)，剛開(kāi)始降溫時(shí)試件底部和頂部溫度下降速率很快，而側(cè)面和中部降溫速率較慢，導(dǎo)致土層底部和頂部?jī)鼋Y(jié)、內(nèi)部土樣未凍結(jié)，這樣土樣中自由水分會(huì)向表層凍結(jié)區(qū)遷移和積聚，導(dǎo)致表層含水量明顯偏高，并形成冰層。解凍融化時(shí)，土層底部和頂部積累的冰層開(kāi)始融化，使上下土層含水量大大增加，但細(xì)粒土排水能力較差，土層處于飽和狀態(tài)，導(dǎo)致土層軟化，強(qiáng)度大大降低，表現(xiàn)為凍融后CBR降低。

表2　土樣凍融前后抗剪強(qiáng)度對(duì)比

3.3.2剪切試驗(yàn)結(jié)果分析

土樣凍融前后剪切試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出：土樣經(jīng)過(guò)凍融后，各級(jí)垂直壓力下的剪切強(qiáng)度均有所衰減，但幅度不同。經(jīng)歷過(guò)冰凍氣候的土基，相當(dāng)于經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)，其性能也會(huì)變差，會(huì)引起病害或加劇原有病害的發(fā)展。

根據(jù)庫(kù)倫定理擬合得到凍融前后四處路基土的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ（如表3、圖2、圖3所示）。

表3　各土樣剪應(yīng)力與垂直壓力的關(guān)系擬合結(jié)果

圖2　凍融對(duì)內(nèi)摩擦角的影響

從表2、表3和圖2、圖3可以看出：在凍融作用下，四處路基土樣的剪切強(qiáng)度均有不同程度衰減，衰減幅度為10％～20％；內(nèi)摩擦角和粘聚力均略微減小，衰減幅度不大。

圖3　凍融對(duì)粘聚力的影響

4　結(jié)論

該文通過(guò)室內(nèi)凍融模擬試驗(yàn)分析了冰凍氣候?qū)β坊列阅艿挠绊懀玫饺缦陆Y(jié)論：土樣的CBR和剪切強(qiáng)度均因凍融而降低，凍融后CBR衰減最少6.5％、最大達(dá)36.9％，剪切強(qiáng)度衰減10％～20％；土樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角均因凍融而減小，但衰減幅度不大。

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2015-11-07