路基土體凍脹的影響因素分析

吳鳳珍

（河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)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(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450052）

路基土體凍脹后，在各種荷載作用下，會產(chǎn)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(biāo)——水分、土性、荷載、環(huán)境溫度等進(jìn)行分析，并開展了界限含水量實(shí)驗(yàn)、凍融實(shí)驗(yàn)、擊實(shí)實(shí)驗(yàn)，從而得出影響地基土體凍脹的因素，為凍土地區(qū)路基工程的設(shè)計(jì)與施工提供有價(jià)值的參考。

路基土體；凍脹；實(shí)驗(yàn)分析

1 凍土

凍土是指含有冰的各種巖石和土壤，當(dāng)溫度在零攝氏度以下時(shí)，水分轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶狀態(tài)且膠結(jié)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(jī)骨架、未凍水、冰和氣體等組成。凍土的組成成分會影響其構(gòu)造、熱力學(xué)性質(zhì)、物理力學(xué)性質(zhì)、凍結(jié)和融化過程。在嚴(yán)寒地區(qū)，如新疆、青藏的公路、鐵路在建設(shè)時(shí)，地質(zhì)復(fù)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(guān)系到國家發(fā)展戰(zhàn)略的大型工程項(xiàng)目也建設(shè)在土性復(fù)雜的凍土地區(qū)，因此，對土體凍脹的敏感性進(jìn)行分析具有重要意義。本文主要通過理論與實(shí)驗(yàn)的方法，分析路基土體凍脹的因素，以期為凍土地區(qū)路基工程及相關(guān)工程建設(shè)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(jié)性凍土地區(qū)，由于缺乏路基設(shè)計(jì)和施工的成熟經(jīng)驗(yàn)，造成一些路段出現(xiàn)嚴(yán)重的路基凍脹現(xiàn)象。尤其是冬季溫度較低，凍脹危害非常嚴(yán)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?xí)饾u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(xiàn)飽和，路基土承載力降低，土體在建筑物自重、外界荷載下產(chǎn)生下沉。路基土體若出現(xiàn)融沉，會造成路基邊坡的失穩(wěn)，嚴(yán)重的還會破壞路基結(jié)構(gòu)。

2.2 翻漿

在凍土地區(qū)，路基在冰凍春融期，因地下水位高、排水不暢、土質(zhì)不良、含水過多，造成路基濕軟、強(qiáng)度下降。在行車荷載的反復(fù)作用下，路基出現(xiàn)彈軟、鼓包、裂縫、冒泥漿等翻漿現(xiàn)象。

2.3 凍脹

土體凍脹是土中水相轉(zhuǎn)變成冰相，從而引起土體積膨脹的現(xiàn)象。凍脹發(fā)生時(shí)，原有水分結(jié)冰膨脹，路基土中水分向凍結(jié)面不斷遷移結(jié)晶，會形成各種形狀的冰透鏡體，導(dǎo)致土體積增大，最后會造成路基表面出現(xiàn)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(nèi)部因素和外部因素，其中，影響最大的主要有水分、土性、環(huán)境溫度及荷載等。

3.1 水分

俄羅斯學(xué)者提出了毛細(xì)管理論，該理論認(rèn)為，水在毛細(xì)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(xì)管向凍結(jié)鋒面遷移［1］。之后，相關(guān)學(xué)者又提出了細(xì)顆粒中的薄膜水遷移理論。

美國人泰伯提出，水分是在結(jié)晶力作用下發(fā)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(jié)，在結(jié)晶力作用下，水分從小空隙遷移至大空隙，導(dǎo)致大冰晶體逐漸增大產(chǎn)生凍脹［2］。美國學(xué)者基于冰的形成過程的研究，認(rèn)為自然條件下土分散性、毛細(xì)管作用緊密聯(lián)系，應(yīng)將毛細(xì)水上升高度、地下水、土顆粒性質(zhì)綜合起來考慮，以此評價(jià)土的凍脹性［3］。

在凍結(jié)過程中，水分由未動(dòng)區(qū)向冰凍區(qū)遷移而形成補(bǔ)水，加劇凍脹。當(dāng)土體中的地下水與凍土體中的水位接近時(shí)，土體的凍脹性明顯增強(qiáng)。季節(jié)性凍土區(qū)域，土體的凍結(jié)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(jié)冰凍脹。若沒有水分，路基土體凍結(jié)時(shí)，土體本身就不會發(fā)生凍脹。當(dāng)路基土體的含水量大于起始含水量時(shí)，土體就可能出現(xiàn)凍脹。

3.2 土性

對凍脹土來說，毛細(xì)作用是土中水分發(fā)生遷移的主要原因。而毛細(xì)作用滲透能力的大小又與土的粗細(xì)程度、鹽含量及礦物成分有關(guān)系。地基土顆粒的粗細(xì)程度對土體的凍脹性影響非常大。當(dāng)土顆粒由粗變細(xì)時(shí)，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(xì)砂＞中砂＞粗砂土＞碎石土；凍脹量隨細(xì)顆粒含量的增高而加大。實(shí)驗(yàn)表明，路基（粘性土為主）發(fā)生凍脹后，高嶺土強(qiáng)度最高，粉質(zhì)土、粘砂土次之，蒙脫土強(qiáng)度最低。如果路基土在施工時(shí)，粘性土中高嶺石成分較高，凍脹性最大；當(dāng)含水量大時(shí)，就會形成海綿土，壓實(shí)困難。

3.3 環(huán)境溫度

土體的溫度影響其凍結(jié)深度，而土體的顆粒分散度、含水率、礦物質(zhì)含量共同決定了土體的凍結(jié)溫度，尤其是含水率的影響，凍結(jié)溫度隨著含水率升高而降低?？偟膩碚f，隨著溫度越來越低，土體發(fā)生結(jié)凍后，未凍結(jié)含水量逐漸減少，含冰量逐漸增加導(dǎo)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(shí)度逐漸增大，土體中的含水量降低，土體中水的毛細(xì)作用減弱，使土中水的液、固轉(zhuǎn)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(jié)深度較厚時(shí)，在交通荷載的反復(fù)作用下，引起路基土體中毛細(xì)水壓力的劇烈變化，尤其是當(dāng)路基土上層冰凍土在融化時(shí)，由于細(xì)粒土中毛細(xì)水的作用，路基土的翻漿、唧泥更嚴(yán)重。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本實(shí)驗(yàn)以粉土為例，研究土體凍脹的因素，對土樣進(jìn)行界限含水量實(shí)驗(yàn)、路基土擊實(shí)試驗(yàn)、固結(jié)實(shí)驗(yàn)、凍融實(shí)驗(yàn)。

4.1 界限含水量測定及結(jié)果分析

為確定路基土體的狀態(tài)，進(jìn)行了界限含水量實(shí)驗(yàn)，土樣的界限含水量使用液塑限聯(lián)合測定儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到粉土液塑限測定關(guān)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(shù)（液限與塑限的差值）為130.3。根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)（GB／T50145-2007）》可知，所選粉土為高液限粘土。

4.2 土的擊實(shí)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為控制路堤、路基的密實(shí)度及質(zhì)量，測定土的最大干密度和最優(yōu)含水率，對土體進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)實(shí)驗(yàn)，擊實(shí)實(shí)驗(yàn)使用輕型擊實(shí)筒，手動(dòng)進(jìn)行擊實(shí)，實(shí)驗(yàn)方法按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yōu)含水量為33%。

圖1 粉土液塑限測定關(guān)系圖

圖2 粉土的擊實(shí)曲線

4.3 固結(jié)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為測定土樣的收縮與膨脹因素，一維凍融循環(huán)中采用的不同含水量、不同壓實(shí)度的土樣進(jìn)行一維壓縮實(shí)驗(yàn)，使用固結(jié)儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可知，對于壓實(shí)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(jié)過程中收縮，而含水量高的土樣則呈現(xiàn)出凍脹現(xiàn)象。

表1 不同含水量下壓實(shí)度

對于RC=0.9，ω=43%的土樣，在凍融循環(huán)開始的前幾個(gè)循環(huán)中，凍脹的現(xiàn)象并不明顯。這主要是因?yàn)樵趦鋈谘h(huán)作用下，土樣的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，但并不明顯，經(jīng)過幾個(gè)循環(huán)后，土樣的結(jié)構(gòu)變化經(jīng)前期微小變形逐漸累積，使土樣孔隙結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為測定土的強(qiáng)度，土樣在水中循環(huán)的冰凍和融化而使其破壞的承受能力，進(jìn)行凍融實(shí)驗(yàn)，圖3為土樣凍融試件，圖4為ω=43%土樣三維凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)。

由圖4可知，當(dāng)含水量一定時(shí)，在凍結(jié)過程中，土樣的體積膨脹，在其內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，融化時(shí)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(dāng)膨脹因素等效應(yīng)力較大時(shí)，土體在凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生體積膨脹；反之路基土體體積收縮。

5 結(jié)語

本文對路基土體的凍脹因素從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面進(jìn)行研究，路基土體發(fā)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(qū)的路基工程建設(shè)具有一定的參考價(jià)值。本文以粉土取樣研究，實(shí)驗(yàn)相對簡單，而實(shí)際工程中土體的成分極為復(fù)雜，影響土體凍脹的因素也極為復(fù)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(jìn)一步了解各種土的性質(zhì)，更好地理解土凍脹的機(jī)理，為實(shí)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(huán)實(shí)驗(yàn)

［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(xué)，2006.

［2］鐵道部第三勘查設(shè)計(jì)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。