路基土體凍脹的影響因素分析

吳鳳珍

（河南應用技術職業學院，河南 鄭州 450052）

路基土體凍脹的影響因素分析

吳鳳珍

（河南應用技術職業學院，河南 鄭州 450052）

路基土體凍脹后，在各種荷載作用下，會產生融沉、翻漿、凍脹等危害。本文對路基土體凍脹后體積變化的敏感指標——水分、土性、荷載、環境溫度等進行分析，并開展了界限含水量實驗、凍融實驗、擊實實驗，從而得出影響地基土體凍脹的因素，為凍土地區路基工程的設計與施工提供有價值的參考。

路基土體；凍脹；實驗分析

1 凍土

凍土是指含有冰的各種巖石和土壤，當溫度在零攝氏度以下時，水分轉變為結晶狀態且膠結了松散的固體顆粒。凍土是一種多相體系的材料，主要由礦物骨架、有機骨架、未凍水、冰和氣體等組成。凍土的組成成分會影響其構造、熱力學性質、物理力學性質、凍結和融化過程。在嚴寒地區，如新疆、青藏的公路、鐵路在建設時，地質復雜，地下冰層厚，凍脹土體較深。我國能源、交通、通訊、水利、給排水、石油輸送管線等一些關系到國家發展戰略的大型工程項目也建設在土性復雜的凍土地區，因此，對土體凍脹的敏感性進行分析具有重要意義。本文主要通過理論與實驗的方法，分析路基土體凍脹的因素，以期為凍土地區路基工程及相關工程建設提供參考。

2 凍土的危害

在我國東北、華北、西北及青藏高原等季節性凍土地區，由于缺乏路基設計和施工的成熟經驗，造成一些路段出現嚴重的路基凍脹現象。尤其是冬季溫度較低，凍脹危害非常嚴重。凍土造成的工程危害主要有融沉、翻漿及凍脹。

2.1 融沉

在氣溫較高的春天，凍土會逐漸融化。凍土中的冰層融化，使土中的含水量大大增加，土層出現飽和，路基土承載力降低，土體在建筑物自重、外界荷載下產生下沉。路基土體若出現融沉，會造成路基邊坡的失穩，嚴重的還會破壞路基結構。

2.2 翻漿

在凍土地區，路基在冰凍春融期，因地下水位高、排水不暢、土質不良、含水過多，造成路基濕軟、強度下降。在行車荷載的反復作用下，路基出現彈軟、鼓包、裂縫、冒泥漿等翻漿現象。

2.3 凍脹

土體凍脹是土中水相轉變成冰相，從而引起土體積膨脹的現象。凍脹發生時，原有水分結冰膨脹，路基土中水分向凍結面不斷遷移結晶，會形成各種形狀的冰透鏡體，導致土體積增大，最后會造成路基表面出現不均勻升高。

3 影響土體凍脹因素

影響土體凍脹的因素包括內部因素和外部因素，其中，影響最大的主要有水分、土性、環境溫度及荷載等。

3.1 水分

俄羅斯學者提出了毛細管理論，該理論認為，水在毛細力的作用下，沿著土體中裂隙和凍土中的孔隙所形成的毛細管向凍結鋒面遷移［1］。之后，相關學者又提出了細顆粒中的薄膜水遷移理論。

美國人泰伯提出，水分是在結晶力作用下發生遷移：大孔隙中的水形成大冰晶體，而小孔中的水還沒有凍結，在結晶力作用下，水分從小空隙遷移至大空隙，導致大冰晶體逐漸增大產生凍脹［2］。美國學者基于冰的形成過程的研究，認為自然條件下土分散性、毛細管作用緊密聯系，應將毛細水上升高度、地下水、土顆粒性質綜合起來考慮，以此評價土的凍脹性［3］。

在凍結過程中，水分由未動區向冰凍區遷移而形成補水，加劇凍脹。當土體中的地下水與凍土體中的水位接近時，土體的凍脹性明顯增強。季節性凍土區域，土體的凍結隨著地下水位的加深凍脹量逐漸減小。

由上可知，土體凍脹主要是土中水的結冰凍脹。若沒有水分，路基土體凍結時，土體本身就不會發生凍脹。當路基土體的含水量大于起始含水量時，土體就可能出現凍脹。

3.2 土性

對凍脹土來說，毛細作用是土中水分發生遷移的主要原因。而毛細作用滲透能力的大小又與土的粗細程度、鹽含量及礦物成分有關系。地基土顆粒的粗細程度對土體的凍脹性影響非常大。當土顆粒由粗變細時，其比表面積逐漸變大，與土體中水的作用面積增大，水分遷移能力逐漸增大。在水分和其他因素相同的條件下，土的凍脹性大小為：粘土＞粉土＞細砂＞中砂＞粗砂土＞碎石土；凍脹量隨細顆粒含量的增高而加大。實驗表明，路基（粘性土為主）發生凍脹后，高嶺土強度最高，粉質土、粘砂土次之，蒙脫土強度最低。如果路基土在施工時，粘性土中高嶺石成分較高，凍脹性最大；當含水量大時，就會形成海綿土，壓實困難。

3.3 環境溫度

土體的溫度影響其凍結深度，而土體的顆粒分散度、含水率、礦物質含量共同決定了土體的凍結溫度，尤其是含水率的影響，凍結溫度隨著含水率升高而降低。總的來說，隨著溫度越來越低，土體發生結凍后，未凍結含水量逐漸減少，含冰量逐漸增加導致土體凍脹量增大。土體的溫度變化對路基土的融沉、翻漿都有很大影響。

3.4 荷載

外部荷載的增加能顯著抑制路基土體的凍脹。隨著外部荷載的加大，土顆粒之間的空隙越來越小，密實度逐漸增大，土體中的含水量降低，土體中水的毛細作用減弱，使土中水的液、固轉換降低，使土體凍害減弱。

隨著路基土上敷荷載的增加，路基土的融沉變形量逐漸增大，特別是路基土中凍結深度較厚時，在交通荷載的反復作用下，引起路基土體中毛細水壓力的劇烈變化，尤其是當路基土上層冰凍土在融化時，由于細粒土中毛細水的作用，路基土的翻漿、唧泥更嚴重。

4 實驗結果及分析

本實驗以粉土為例，研究土體凍脹的因素，對土樣進行界限含水量實驗、路基土擊實試驗、固結實驗、凍融實驗。

4.1 界限含水量測定及結果分析

為確定路基土體的狀態，進行了界限含水量實驗，土樣的界限含水量使用液塑限聯合測定儀進行實驗，得到粉土液塑限測定關系如圖1所示。由圖1可知，粉土界限含水量的液限為160.79%，塑限為30.49%，塑性指數（液限與塑限的差值）為130.3。根據《土的工程分類標準（GB／T50145-2007）》可知，所選粉土為高液限粘土。

4.2 土的擊實實驗及結果分析

為控制路堤、路基的密實度及質量，測定土的最大干密度和最優含水率，對土體進行標準擊實實驗，擊實實驗使用輕型擊實筒，手動進行擊實，實驗方法按照《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）進行，實驗結果如圖2所示。由圖2可知，該種粉土的最大干密度為1.31g/cm3，最優含水量為33%。

圖1 粉土液塑限測定關系圖

圖2 粉土的擊實曲線

4.3 固結實驗及結果分析

為測定土樣的收縮與膨脹因素，一維凍融循環中采用的不同含水量、不同壓實度的土樣進行一維壓縮實驗，使用固結儀進行實驗，按照《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）進行，實驗結果見表1。由表1可知，對于壓實度RC=0.9的土樣，含水量的影響與RC=0.95、RC=1的情況具有某些相似的情況，即含水量低的情況下，粉土土樣的體積在凍結過程中收縮，而含水量高的土樣則呈現出凍脹現象。

表1 不同含水量下壓實度

對于RC=0.9，ω=43%的土樣，在凍融循環開始的前幾個循環中，凍脹的現象并不明顯。這主要是因為在凍融循環作用下，土樣的孔隙結構發生變化，但并不明顯，經過幾個循環后，土樣的結構變化經前期微小變形逐漸累積，使土樣孔隙結構穩定，土樣的孔隙比變化便主要受到溫度、含水量的影響。

4.4 凍融實驗及結果分析

為測定土的強度，土樣在水中循環的冰凍和融化而使其破壞的承受能力，進行凍融實驗，圖3為土樣凍融試件，圖4為ω=43%土樣三維凍融循環實驗。

由圖4可知，當含水量一定時，在凍結過程中，土樣的體積膨脹，在其內部產生內應力，融化時體積收縮。路基土體的凍脹是由“膨脹因素”與“收縮因素”共同決定的。當膨脹因素等效應力較大時，土體在凍結時產生體積膨脹；反之路基土體體積收縮。

5 結語

本文對路基土體的凍脹因素從理論和實驗兩方面進行研究，路基土體發生凍脹后，能引起路基土的融沉、翻漿、凍脹等危害，對凍土地區的路基工程建設具有一定的參考價值。本文以粉土取樣研究，實驗相對簡單，而實際工程中土體的成分極為復雜，影響土體凍脹的因素也極為復雜，因而本文的研究存在局限性。將來可以研究鹽漬土、粘土、砂礫土等的凍脹性，以進一步了解各種土的性質，更好地理解土凍脹的機理，為實際工程提供精確地參考。

圖3 土樣凍融試件

圖4 ω=43%土樣三維凍融循環實驗

［1］李向群.吉林省公路凍害原因分析及處理方法研究［D］.長春：吉林大學，2006.

［2］鐵道部第三勘查設計院.凍土工程［M］.北京：中國鐵道出版社，1994.

［3］Beskow G.soil freezing and frost heaving with special application to roads andrailroads［J］.Swedish Geol.Survey Year?book，1935（3）：375-380.

Analysis of the Influence Factors of Subgrade Soil Frost Heave

Wu Fengzhen
（Henan Vocational College of Applied Technolog，Zhengzhou Henan 450052）

After the foundation soil is frozen and expanded,under various loads,it can cause the damage,such as sinking,pulping and frost heave.In this paper,a sensitive index of volume changes of subgrade frost heaving after moisture,soil property,load and ambient temperature were analyzed,and the critical moisture content test,freeze-thaw test,compaction test,and the factors that affect the soil frost heave,and provide valuable reference for the design and construction of subgrade engineering in permafrost regions.

subgrade earth；frost heave；experimental analysis

U416.1

A

1003-5168（2017）12-0107-03

2017-11-01

吳鳳珍（1985-），女，碩士，助教，研究方向：道路材料。