季凍區(qū)路基土凍脹主要影響因素對(duì)凍深的影響規(guī)律

張玉富，于天來(lái)

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

季凍區(qū)道路凍脹，主要指路基土的凍脹。冬季，路基土在凍結(jié)過(guò)程中水分積聚，沿著溫度降低的方向會(huì)形成冰晶體狀的霜柱，由于體積膨脹，使得路面產(chǎn)生隆起，這種現(xiàn)象，就是所謂的道路凍脹。至于路面凍脹，也是由于路基土發(fā)生的凍脹，導(dǎo)致路基整體產(chǎn)生了以豎向變形為主的凍脹變形，并非路面結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生的凍脹變形。由于路面結(jié)構(gòu)都是由剛性較大的材料組成，通常認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生凍脹變形。如果路基發(fā)生的凍脹變形是均勻的，路面隨之產(chǎn)生的變形也是均勻的，此時(shí)路基土的凍脹不會(huì)造成路面產(chǎn)生過(guò)大的危害，也就不會(huì)造成路面開(kāi)裂破壞。但是由于路基土的含水量和密實(shí)度在不同季節(jié)會(huì)發(fā)生變化，相互之間有所不同，再加上各種復(fù)雜的環(huán)境因素的作用，使得大多數(shù)情況下路基土的凍脹變形都是不均勻的，產(chǎn)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(nèi)部會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力效應(yīng)，從而形成裂縫，這就是路面在冬季容易開(kāi)裂的主要原因[1-3]。可見(jiàn)，研究路基土的凍脹規(guī)律，控制路基凍脹變形，對(duì)于防止路面開(kāi)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(fù)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(zhǎng)期積水等等。這些因素交互作用，難以單獨(dú)確定其對(duì)凍深的影響程度[1-4]。為便于工程上的應(yīng)用，通常將路基凍深的影響因素歸集為3類，即：土質(zhì)因素—反應(yīng)不同土質(zhì)類型的影響程度；土的凍脹性因素—采用凍脹率指標(biāo)(綜合反映自然、地質(zhì)、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(duì)路基土凍脹的影響規(guī)律，依據(jù)黑龍江省慶安凍土試驗(yàn)場(chǎng)，開(kāi)展了相關(guān)的試驗(yàn)和觀測(cè)，取得了多年的試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)。慶安公路凍土科學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)地處黑龍江省中部，小興安嶺西麓，北緯46°33′，東經(jīng)127°30′，位于國(guó)家公路自然區(qū)劃Ⅱ2區(qū)，臨近Ⅰ2與Ⅱ1交界處。場(chǎng)內(nèi)土質(zhì)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(jié)指數(shù)2 363℃·d。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，明確了土質(zhì)、土的凍脹性和地形坡向?qū)β坊鶅錾畹挠绊懗潭龋瑥亩岢隽?種主要因素對(duì)路基凍深的影響規(guī)律。

1 土質(zhì)對(duì)路基凍脹的影響規(guī)律

依托慶安凍土試驗(yàn)場(chǎng)路基試驗(yàn)路，開(kāi)展了土質(zhì)對(duì)路基凍深的影響規(guī)律研究。

1.1 路基試驗(yàn)路簡(jiǎn)介

慶安公路凍土科學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)的路基試驗(yàn)路，選擇不同土質(zhì)進(jìn)行填筑。試驗(yàn)路段施工時(shí)的控制壓實(shí)度為90％～95％，控制含水量為不超過(guò)最佳含水量的±2％。在凍土試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)對(duì)應(yīng)不同的地下水位、不同的地表長(zhǎng)期積水水位，也就是對(duì)應(yīng)了不同的凍脹邊界條件。結(jié)合試驗(yàn)路，開(kāi)展的試驗(yàn)和觀測(cè)項(xiàng)目包括：環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)、路基內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)、路基凍深觀測(cè)、路基表面(總)凍脹量觀測(cè)、路基分層凍脹量觀測(cè)、路基不均勻凍脹量觀測(cè)、路基含水量試驗(yàn)、路基地表長(zhǎng)期積水水位觀測(cè)和路基地下水位觀測(cè)等。

1.2 不同土質(zhì)的凍脹量試驗(yàn)結(jié)果

為研究土質(zhì)對(duì)凍脹量的影響，分別進(jìn)行了常見(jiàn)工程土質(zhì)的凍脹量試驗(yàn)。試驗(yàn)的土質(zhì)分別為粘土、粉土、細(xì)砂、粗砂(粉粘粒含量15％，以下簡(jiǎn)稱粗砂土)及土石混合物(粉粘粒含量15％，以下簡(jiǎn)稱碎石土)。取得的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同土質(zhì)凍脹量觀測(cè)結(jié)果

根據(jù)表1，在相同凍結(jié)條件下，各土質(zhì)多年凍脹量的關(guān)系如圖1所示。

圖1 不同土質(zhì)凍脹量觀測(cè)結(jié)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(xì)砂109 mm、粗砂土63 mm、碎石土50 mm。數(shù)據(jù)表明，細(xì)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?yàn)椋赫惩?粉土>細(xì)砂>中砂>粗砂土>碎石土。

1.3 不同土質(zhì)的凍深試驗(yàn)結(jié)果

在相同凍結(jié)條件下，填筑路基常用的粘土、粉土、細(xì)砂、粗砂土和碎石土的凍深多年觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同土質(zhì)的凍深觀測(cè)結(jié)果(單位：cm)

根據(jù)表2，在相同凍結(jié)條件下，不同土質(zhì)的凍深關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同土質(zhì)凍深觀測(cè)結(jié)果示意圖

表1及表2中數(shù)據(jù)表明，不同土質(zhì)的凍深與其凍脹量的變化趨勢(shì)相反，凍脹量大的土質(zhì)凍深反而小，即細(xì)顆粒土凍脹量大，而凍深??；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?yàn)椋核槭?粗砂土>細(xì)砂>粉土>粘土。

1.4 不同土質(zhì)對(duì)路基凍深的影響程度

根據(jù)圖2中的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以粘性土的凍深為基準(zhǔn)，其土質(zhì)影響系數(shù)即為1，則粉性土、細(xì)砂、粗砂土、碎石土的土質(zhì)對(duì)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(zhì)對(duì)路基凍深的影響系數(shù)K1見(jiàn)表3。

表3 土質(zhì)對(duì)凍深的影響系數(shù)

2 路基凍脹率對(duì)路基凍深的影響規(guī)律

同樣依托慶安凍土試驗(yàn)場(chǎng)路基試驗(yàn)路，開(kāi)展了凍脹率對(duì)路基凍深的影響規(guī)律研究。

2.1 路基土凍脹率的含義

由于不同地區(qū)的自然環(huán)境條件有所差異，土體產(chǎn)生的凍深各不相同。即使在同一地區(qū)，在不同的地點(diǎn)，相互之間的凍脹量差別也很大。因此，僅采用凍脹量指標(biāo)進(jìn)行描述，難以精確地比較各地區(qū)路基土的凍脹程度。而采用凍脹量與凍層厚度之比的相對(duì)值來(lái)表征，即可達(dá)到這一目的[5-8]。凍脹率就是單位凍結(jié)深度的凍脹量，即凍脹量與凍結(jié)深度之比，采用百分?jǐn)?shù)見(jiàn)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(jié)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(biāo)，是研究土凍脹過(guò)程的物理參數(shù)，是表征土凍脹時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力、變形的重要特征值。路基土凍脹率即凍脹量與凍結(jié)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(biāo)，可以綜合反映氣候、水文和地質(zhì)等因素對(duì)土的凍深的影響程度。

2.2 不同凍脹率對(duì)應(yīng)路基凍深的試驗(yàn)結(jié)果

依托慶安凍土試驗(yàn)場(chǎng)的路基試驗(yàn)路，取得不同凍脹率對(duì)應(yīng)的凍深觀測(cè)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表4。

表4 路基凍脹率與凍深觀測(cè)結(jié)果

觀測(cè)結(jié)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(jù)表4得到路基凍脹率與凍深的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 路基土凍脹率與凍深的觀測(cè)結(jié)果示意圖

2.3 凍脹率與路基凍深的關(guān)系

根據(jù)“中國(guó)季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深線圖”[9]，查得慶安地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍深值為210 cm。計(jì)算實(shí)測(cè)凍深與標(biāo)準(zhǔn)凍深之比(凍深系數(shù))，見(jiàn)表5。

表5 路基凍脹率與凍深系數(shù)的關(guān)系

根據(jù)表5，得到凍脹率與凍深系數(shù)之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 路基土凍脹率與凍深影響系數(shù)的關(guān)系

按圖4進(jìn)行回歸分析，得到凍脹率與標(biāo)準(zhǔn)凍深影響系數(shù)K的數(shù)學(xué)關(guān)系見(jiàn)公式(2)：

K2=0.997exp-0.024Kd。

(2)

式中：K2為路基土凍脹性(凍脹率)對(duì)凍深的影響系數(shù)；Kd灰實(shí)測(cè)土的凍脹率(％)。

2.4 凍脹率對(duì)路基凍深的影響程度

參考以往的研究成果和有關(guān)資料，可根據(jù)土質(zhì)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(jì)算，給出不同凍脹類別路基土對(duì)標(biāo)準(zhǔn)凍深的影響系數(shù)K2值見(jiàn)表6。

表6 不同凍脹率范圍對(duì)路基凍深的影響系數(shù)

3 地形坡向?qū)β坊鶅錾畹挠绊懸?guī)律

依托慶安凍土試驗(yàn)場(chǎng)路基試驗(yàn)路，開(kāi)展了地形坡向?qū)β坊鶅錾畹挠绊懸?guī)律研究。

3.1 地形坡向?qū)錾畹挠绊懜攀?/h3>

關(guān)于地形坡向?qū)β坊鶅錾畹挠绊懗潭龋壳皣?guó)內(nèi)外對(duì)其研究很少，很難給出一個(gè)理想的結(jié)論。通常，與平坡時(shí)的凍深相比，陽(yáng)坡，即南坡，由于日照充分，吸收熱量較多，凍深相對(duì)較??；陰坡，即北坡，北坡常年得不到太陽(yáng)幅射，由于吸收熱量較少，凍深相對(duì)較大。因此在其它凍結(jié)條件相同的情況下，陰坡的凍深要大于陽(yáng)坡的凍深。對(duì)于工程界，比較一致的意見(jiàn)與看法是，地形坡向?qū)錾钣幸欢ㄓ绊懀医o定的標(biāo)準(zhǔn)凍深大于南坡凍深、小于北坡凍深[13]。所以，計(jì)算路基凍深時(shí)必須考慮地形坡向?qū)?biāo)準(zhǔn)凍深的修正，取用標(biāo)準(zhǔn)凍深計(jì)算路基凍深時(shí)一定要對(duì)其地形或坡向進(jìn)行修正，通常南坡取小于1的系數(shù)，北坡取大于1的系數(shù)。

3.2 地形坡向?qū)錾钣绊懙脑囼?yàn)結(jié)果

依托同為慶安地區(qū)的綏慶(綏陵-慶安)公路及周邊砂石路，對(duì)平坦、陽(yáng)(南)坡、陰(北)坡凍深進(jìn)行了觀測(cè)，得到數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表7 不同坡向凍深觀測(cè)結(jié)果

通過(guò)表7可以看出，地形坡向?qū)β坊鶅錾畹挠绊懛稀瓣?yáng)坡小、陰坡大”這一規(guī)律。

3.3 地形坡向?qū)錾畹挠绊懗潭?/h3>

根據(jù)陽(yáng)(南)坡、陰(北)坡凍深與平坡凍深的比值，推薦地形坡向?qū)錾畹挠绊懴禂?shù)K3，體現(xiàn)了地形坡向?qū)β坊鶅錾畹挠绊懗潭纫?jiàn)表8。

表8 地形坡向?qū)錾畹挠绊懴禂?shù)

4 不同因素對(duì)路基凍深影響規(guī)律的應(yīng)用

不同因素對(duì)路基凍深的影響規(guī)律研究成果，主要用于計(jì)算路基的實(shí)際凍深，因其是通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)凍深修正計(jì)算得到的，也稱為“路基計(jì)算凍深”。這一計(jì)算結(jié)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(shù)據(jù)，是公路防凍設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

常規(guī)的路基實(shí)際凍深的計(jì)算是采用對(duì)標(biāo)準(zhǔn)凍深進(jìn)行修正的方法。可以依據(jù)不同因素對(duì)路基凍深的影響程度實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)凍深的修正。標(biāo)準(zhǔn)凍深是指在標(biāo)準(zhǔn)條件下(地形平坦、祼露無(wú)復(fù)蓋、粘土、非凍脹)，多年實(shí)測(cè)最大凍深平均值，在此推薦使用“中國(guó)季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深線圖”，其值相當(dāng)于氣象臺(tái)站在標(biāo)準(zhǔn)條件下觀測(cè)的多年最大凍深平均值?？紤]到路基填土與當(dāng)?shù)氐耐临|(zhì)等條件密切相關(guān)，路基標(biāo)準(zhǔn)凍深參考這一數(shù)值進(jìn)行取用。

路基標(biāo)準(zhǔn)凍深的修正計(jì)算見(jiàn)公式(4)：

Zd=Z0K1K2K3。

(4)

式中：Zd為路基計(jì)算凍深(cm)；Z0為“中國(guó)季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深線圖”標(biāo)準(zhǔn)凍深(cm)；K1為路基土質(zhì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)凍深修正系數(shù)；K2為路基土凍脹性對(duì)標(biāo)準(zhǔn)凍深修正系數(shù)；K3為地形坡向?qū)?biāo)準(zhǔn)凍深修正系數(shù)。

以慶安地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)凍深210 cm為例，粉性土，凍脹率為4％，陰坡的計(jì)算凍深為：

Zd=210×1.10×0.90×1.05=218.3(cm)。

計(jì)算結(jié)果表明，這種條件下粉性土路基的實(shí)際凍深大于標(biāo)準(zhǔn)凍深，路基換填深度或路面抗凍厚度均要有所提高。

上述應(yīng)用，充分體現(xiàn)了不同因素對(duì)路基凍深影響規(guī)律的實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)針對(duì)影響路基凍深的主要因素，開(kāi)展了土質(zhì)、土的凍脹率和地形坡向與路基凍深關(guān)系的試驗(yàn)研究。

(2)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)研究了土質(zhì)、土的凍脹率、地形坡向?qū)β坊鶅錾畹挠绊懸?guī)律，確定了不同因素對(duì)路基凍深的影響程度，提出了土質(zhì)、凍脹率、地形坡向?qū)β坊鶅錾畹挠绊懴禂?shù)。

(3)關(guān)于不同因素對(duì)路基凍深的影響規(guī)律研究成果，適用于計(jì)算不同條件下路基土的實(shí)際凍深，為路基換填、路面抗凍厚度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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