高寒地區(qū)路基填土凍融循環(huán)后的強(qiáng)度研究

尚云飛

(1.北黑高速公路建設(shè)指揮部;2.黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院)

高寒地區(qū)路基填土凍融循環(huán)后的強(qiáng)度研究

尚云飛1，2

(1.北黑高速公路建設(shè)指揮部;2.黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院)

在高寒地區(qū)較為理想的路基填土是碎石土，為進(jìn)一步了解碎石土在凍融循環(huán)后的強(qiáng)度變化規(guī)律，在不同試驗(yàn)路段選取具有代表性的土樣，在最佳含水率、不同壓實(shí)度的條件下進(jìn)行了不同凍融循環(huán)次數(shù)的室內(nèi)CBR試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明:各標(biāo)路基土在經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)作用后CBR強(qiáng)度均有所降低，壓實(shí)度是影響路基填土強(qiáng)度的主要因素。研究可為今后高寒地區(qū)碎石土路基及類似土質(zhì)路基的施工和設(shè)計(jì)提供理論支撐。

路基;碎石土;凍融循環(huán);CBR值

0 引言

高寒地區(qū)的冬季氣溫較低，且負(fù)溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，地表凍結(jié)深度普遍在2.5 m左右。路基凍害一直是困擾我國(guó)北方地區(qū)特別是中、重度凍土地區(qū)公路建設(shè)的一個(gè)難題。路基中的溫度和含水率在一年之內(nèi)隨著外界溫度季節(jié)性的改變而發(fā)生著有規(guī)律的變化，冬季在負(fù)溫的影響下，路基中的水分在溫差的作用下向凍結(jié)鋒面遷移積聚并最終產(chǎn)生凍結(jié)，春季凍結(jié)的路基土又隨著大氣溫度的升高而融化，經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后土體強(qiáng)度的降低對(duì)路基和路面的穩(wěn)定性都會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的影響，它不僅降低道路的使用質(zhì)量，而且減少道路的使用壽命。

凍土廣泛分布在世界各大洲，我國(guó)凍土占國(guó)土面積的62.7%。凍土的研究越來(lái)越受到廣大專家和學(xué)者的關(guān)注，目前國(guó)內(nèi)研究成果大都是針對(duì)凍土的凍脹因素及防治措施，而對(duì)高寒地區(qū)路基土經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后的強(qiáng)度變化規(guī)律只是零星的研究，許多方面還是空白。

填入工程概況，在本項(xiàng)目中選擇具有代表性的土樣，研究碎石土在經(jīng)過(guò)不同凍融循環(huán)次數(shù)后CBR值的變化，對(duì)今后高寒地區(qū)碎石土路基及類似土質(zhì)路基的施工和道路凍害防治具有一定指導(dǎo)作用。

1 碎石土的物理性質(zhì)

按我國(guó)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》JTG E40－2007中關(guān)于土體分類，天然碎石土是指粒徑大于2 mm的顆粒含量超過(guò)總質(zhì)量的50% 的土，根據(jù)顆粒形狀以及大小，由大到小，包括:漂石(塊石)、卵石(碎石)、圓礫(角礫)。試驗(yàn)用土選用的是具有代表性的北黑公路A11、A12標(biāo)段路基土，各標(biāo)段土樣的物理力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 各標(biāo)路基土的基本物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

2 凍融循環(huán)試驗(yàn)

CBR 即加州承載比，起源于美國(guó)加利福尼亞州，是一種以材料抵抗局部荷載壓入變形的能力表征其承載能力的試驗(yàn)方法。本試驗(yàn)?zāi)M了碎石土在滿足不同壓實(shí)度的條件下，經(jīng)過(guò)不同凍融循環(huán)后次數(shù)后，處于受水浸泡土顆粒間孔隙被水充填等最不利環(huán)境下，填料聯(lián)結(jié)強(qiáng)度降低的實(shí)際情況。

本試驗(yàn)制備了在最佳含量率條件下三種不同壓實(shí)度的試件，不同壓實(shí)度的試件每層擊實(shí)變數(shù)不同，分別為30次、50次和98次，對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度為93%、96%和100%。各個(gè)標(biāo)段每種壓實(shí)度共配制12個(gè)試件，每組三個(gè)平行試件，第1組制件后泡水4 d進(jìn)行CBR試驗(yàn)，第2組、第3組和第4組制件后則要分別經(jīng)過(guò)1、2和3個(gè)凍融循環(huán)作用的處理(即根據(jù)前期采集的路基中的最低溫度為－21.9℃，因此將低溫試驗(yàn)箱的溫度調(diào)至－22℃待溫度穩(wěn)定后將試件放入其中進(jìn)行凍結(jié)，凍結(jié)16 h后取出，在室溫下融化8 h，按照相同的凍融方法完成相應(yīng)的凍融循環(huán)次數(shù)。每次凍融作用前后都要稱取試件質(zhì)量，如果質(zhì)量損失率超過(guò)5%則停止試驗(yàn)補(bǔ)做試件)，待試件完全融化后泡入水中，浸水4 d后再進(jìn)行CBR的試驗(yàn)，以此來(lái)對(duì)比分析不同壓實(shí)度的試件在經(jīng)過(guò)不同凍融循環(huán)作用后的強(qiáng)度變化規(guī)律。

試驗(yàn)不能用烘干土樣，是因?yàn)楹娓赏翗訒?huì)破壞土中有機(jī)質(zhì)。將碾碎的風(fēng)干土過(guò)5 mm篩，取篩下土供做試驗(yàn)。測(cè)定風(fēng)干土含水率，估算所需風(fēng)干土質(zhì)量，按預(yù)定含水率計(jì)算用水量，按計(jì)算結(jié)果稱取所需土和水的質(zhì)量，將其均勻拌和裝入塑料袋內(nèi)密封悶料一夜備用。制件時(shí)，將土分三層裝入擊實(shí)筒內(nèi)，每層的裝入量應(yīng)使擊實(shí)后的試件高度等于或高于筒高的1/3，第一層擊實(shí)后，將土體層面“拉毛”然后在裝入套筒，重復(fù)上述方法進(jìn)行其余各層的擊實(shí)，最后用修土刀齊筒頂削平試樣，將配置好的試件第1組泡入水中，其他組則放入低溫箱中按著不同凍融循環(huán)次數(shù)進(jìn)行凍結(jié)。

做CBR試驗(yàn)時(shí)，將泡水試驗(yàn)終了的試件放到CBR試驗(yàn)儀升降臺(tái)，整平并使貫入桿與試件頂面完全接觸，在貫入桿周圍放置4塊荷載板。先在貫入桿上施加45 N荷載，然后將測(cè)力和測(cè)變形的百分表指針均調(diào)整至整數(shù)。加荷使貫入桿以1～1.25 mm/min的速度壓入試件，同時(shí)測(cè)記三個(gè)百分表的數(shù)，計(jì)算出貫入量為2.5 mm和5 mm時(shí)的CBR值，如果貫入量為5 mm的承載比大于貫入量2.5 mm的承載比，則采用5 mm時(shí)的承載比。根據(jù)三個(gè)平行試件的CBR值計(jì)算變異系數(shù)，如果小于12%取三個(gè)值的平均值，如果大于12%則去掉一個(gè)偏離最大值，取其余兩個(gè)值的平均值。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

CBR值在一定程度上反映了壓密土體的局部抗剪強(qiáng)度，而飽水4 d是該試驗(yàn)的一個(gè)重要條件，飽水程度(即土體中的含水率)對(duì)于其抗剪強(qiáng)度有著重要的影響。在高寒凍區(qū)，通過(guò)CBR試驗(yàn)可以有效地反映出路基融化后浸泡在水中時(shí)，土體結(jié)構(gòu)是否還有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。各標(biāo)試件的試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。圖中A、B、C分別代表每層擊實(shí)次數(shù)為30次、50次、98次不同壓實(shí)度下的CBR值變化程度。

圖1 A11標(biāo)CBR變化曲線

圖2 A12標(biāo)CBR變化曲線

由以上兩個(gè)圖分析可知，在凍融作用次數(shù)相同的條件下，擊實(shí)功越大土體的CBR值就越大，這主要是因?yàn)楸粔簩?shí)土體的顆粒在欠密實(shí)的狀態(tài)下存在許多大小不等的孔隙，在擊實(shí)的作用下，土顆粒間的位置發(fā)生變化出現(xiàn)了相互填充現(xiàn)象，即較大顆粒形成的間隙由較小顆粒來(lái)填充，較小顆粒的間隙由水分來(lái)填充，被壓實(shí)土體中空氣的含量也在擊實(shí)過(guò)程中減少了。土體顆粒間孔隙的減小，密實(shí)度增大，被壓實(shí)土體之間間隙減小使其顆粒間接觸面積增大，導(dǎo)致被壓實(shí)土體間的粘聚力和內(nèi)摩擦阻力增大，其強(qiáng)度也有所提高。

從上圖也可以看出各標(biāo)的碎石土試件在經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后CBR強(qiáng)度均有所降低，這是由于土顆粒表面的結(jié)合水膜在凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生了膨脹，加大了土顆粒間的距離，而融化后又浸泡在水中，土顆粒間產(chǎn)生的距離則被自由水填充，進(jìn)一步降低了土顆粒間的作用力，同時(shí)由于碎石土本身所含粘性顆粒就比較少，粘聚力也比較小，因此經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后其強(qiáng)度也就越低。在第1個(gè)凍融循環(huán)的作用后CBR的衰減程度較大，經(jīng)過(guò)第2、第3個(gè)凍融循環(huán)后CBR雖然有所衰減但衰減程度相對(duì)較小，這是由于土樣在第一個(gè)凍結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的凍脹量是最大的，融化后土顆粒間的間距變化量也是最大的，因此在浸水4 d后CBR的衰減程度也是最大的。通過(guò)以上分析可以看出凍融循環(huán)作用對(duì)碎石土的強(qiáng)度影響還是比較顯著的。

4 結(jié)論

各標(biāo)段的碎石土試件經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后，在浸水4 d條件下的CBR值均有所降低。在凍融循環(huán)次數(shù)相同的條件下，擊實(shí)功越大土體的強(qiáng)度就越高，因此在實(shí)際施工過(guò)程中要采用較大的壓實(shí)度，增大土顆粒之間的作用力，同時(shí)要修建完善的排水系統(tǒng)來(lái)降低路基土在凍融循環(huán)過(guò)程中的含水率，保證路基具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

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U416.1

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1008－3383(2011)12－0019－02

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