季節(jié)凍土區(qū)纖維改良路基土凍脹融沉特性研究

王澤成 李棟偉 秦子鵬 安令石 季安 夏明海 王振華 鹿慶蕊

摘 要：為研究凍融循環(huán)下纖維改良路基土含水率、纖維摻量對土體凍脹融沉特性的影響規(guī)律，通過開展室內單向凍融試驗，測得不同含水率、纖維摻量下路基土的凍融特性，獲得水分場變化、凍脹率、融沉系數、凍融全過程溫度場以及結冰溫度變化規(guī)律。結果表明，1）試樣單向凍融過程中，隨著深度的增加水相變程度越來越小，且凍融結束后各位置含水率不一致。不同初始含水率下的土樣經歷凍融循環(huán)后其水分重分布比較明顯，不同纖維摻量的土樣經歷凍融循環(huán)后其水分分布基本相似。隨著纖維摻量的增加，其水分遷移程度減?。?）8%～16%含水率范圍內，其凍結豎向位移最大達到1.19 mm，其融化豎向位移最大達到2.56 mm，達到12%含水率時其凍脹率和融沉系數基本趨于穩(wěn)定。在0%～0.5%纖維摻量范圍內，其凍結豎向位移最大達到1.10 mm，其融化豎向位移最大達到2.85 mm；3）隨著纖維摻量的增加其相變潛熱越明顯，土體結冰溫度先降低后上升，在纖維摻量為0.3%時其結冰溫度最低為-1.95 ℃，且達到結冰溫度時間最長為14.1 min。研究成果可以為西部粉砂土分布地區(qū)鐵路及工程建設提供參考。

關鍵詞：季節(jié)凍土區(qū)；聚丙烯纖維；改良路基土；凍脹融沉；結冰溫度

中圖分類號：U213.1+4??? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2023）04-0145-10

Study on Frost Heaving and Thawing Settlement Characteristics of

Fiber-improved Subgrade Soil in Seasonal Frozen Soil Region

WANG Zecheng1， LI Dongwei1*， QIN Zipeng2， AN Lingshi1， JI An3， XIA Minghai4， WANG Zhenhua1， LU Qingrui1

（1.School of Civil & Architecture Engineering， East China University of Technology， Nanchang 330013， China;

2.School of Water Conservancy & Environment Engineering， Zhejiang University of Water Resources and Electric Power，

Hangzhou 310018， China; 3.China Nuclear Huatai Construction Co. ， Ltd.， Shenzhen 518055， China; 4.Irrigation Management

Department of Water Conservancy Engineering in Kuitun River Basin， Ili Kazakh Autonomous Prefecture， Kuitun 833200， China）

Abstract：In order to study the effect of moisture content and fiber content on the frost heaving and thawing settlement of subgrade soil improved by fiber under freezing and thawing cycles， the indoor unidirectional freezing and thawing tests were carried out， the changes of moisture field， frost heaving rate， thawing settlement coefficient， temperature field and freezing temperature in the whole process of freezing and thawing under different moisture content and fiber content were obtained. The results showed that： 1） during the unidirectional freezing and thawing process of the sample， the water phase transition became smaller and smaller with the increase of the depth， and the water content was not consistent after the freeze-thaw process. The moisture redistribution of soil samples with different initial moisture content after freezing-thawing cycles was obvious， and the moisture distribution of soil samples with different fiber content after freezing-thawing cycles was basically similar. With the increase of fiber content， the degree of water migration decreases. 2） In the range of 8%-16% moisture content， the maximum vertical displacement of freezing reached1.19 mm， and the maximum vertical displacement of thawing reached 2.56 mm. When the moisture content reached 12% ， the frost heave rate and thawing settlement coefficient tended to be stable. In the range of 0% -0.5% fiber content， the maximum vertical displacement of freezing reached 1.10 mm， and the maximum vertical displacement of melting reached 2.85 mm. 3） with the increase of fiber content， the latent heat of phase transformation became more obvious， and the soil freezing temperature first decreased and then increased. The lowest freezing temperature was -1.95 ℃ when the fiber content was 0.3% ， and the longest time to reach the freezing temperature was 14.1 min. The results of this study can provide reference for railway and engineering construction in silty sand areas in the west of China.

Keywords：Seasonal frozen soil region; polypropylene fiber; improved subgrade soil; frost heaving and thawing; freezing temperature

收稿日期：2022-12-11

基金項目：國家自然科學基金（42061011，41977236）；新疆兵團科技計劃項目（2020AB003）；江西省自然科學基金資助項目（20223BBG71W01，20202BABL204052）；東華理工大學研究生創(chuàng)新基金（DHYC-202223）

第一作者簡介：王澤成，博士研究生。研究方向為寒區(qū)巖土工程。E-mali： zcwang1810@163.com

通信作者：李棟偉，博士，教授。研究方向為寒區(qū)巖土工程。E-mali： dwli2005@163.com

引文格式：王澤成，李棟偉，秦子鵬，等.季節(jié)凍土區(qū)纖維改良路基土凍脹融沉特性研究[J].森林工程， 2023，39（4）：145-154.

WANG Z C， LI D W， QIN Z P， et al. Study on frost heaving and thawing settlement characteristics of fiber-improved subgrade soil in seasonal frozen soil region[J]. Forest Engineering， 2023， 39（4）：145-154.

0 引言

高速鐵路的迅速發(fā)展，引起了人們對季節(jié)性凍土區(qū)的關注。但由于季節(jié)性凍土區(qū)晝夜溫差大、氣溫正負交替、水文地質和工程地質等復雜因素，導致路基極易發(fā)生凍脹，對高速鐵路的建設和運行造成很大的影響[1-4]。我國是凍土資源最豐富的國家之一，僅次于俄羅斯和加拿大，在全球范圍內位列第三。而季節(jié)性凍土是我國最主要的凍土類型之一，在我國的東北、西北和華北等高緯度地區(qū)均有季節(jié)性凍土，占全國總面積的53.5%，其中凍土深度在1.5 m以上在季節(jié)性凍土中占有37%[5-6]。

目前，國內外科研工作者針對季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的凍脹融沉問題已進行了大量研究工作。通常采用現場監(jiān)測[7-8]、數值模擬[9-10]以及室內凍融試驗[11-12]等研究方法。其中沈宇鵬等[13]以含砂粉土為研究對象，對含砂粉土在多因素作用下的凍脹率及融沉系數的變化特征展開研究。王通[14]以張家口季節(jié)性凍土地區(qū)公路路基為研究對象，研究了凍脹融沉的發(fā)展規(guī)律、影響因素及內在機理，并在縮尺寸試驗的基礎上完整地模擬了凍融全過程。吳禮舟等[15]通過凍脹融沉試驗，分析非飽和黏土的凍脹融沉變化特征以及凍脹過程中凍結鋒面的移動規(guī)律。Tanaka等[16]通過室內大比例模型試驗，研究了土體的融沉特性。

閆子麟[17]取用河北省張家口季凍區(qū)某路基土進行模型試驗，完整地模擬了凍融全過程，研究了凍脹融沉的發(fā)展規(guī)律、影響因素及機理。Ma等[18]以吉林省敦化地區(qū)草炭土為研究對象，對原狀土樣進行凍脹和融沉調查，分析了土體含水率、干密度等因素對凍脹率和融沉系數的影響，并建立了草炭土凍融特性的層次評價模型。張晉勛等[19]以北京典型飽和砂卵石地層為研究對象，研究了不同細粒土含量、荷載條件下飽和砂卵石的凍脹融沉特性。田亞護等[20]結合動靜荷載，在開放條件下進行了室內凍脹試驗，分析了土體的水分遷移、凍脹變形以及含水率變化等情況。魏厚振等[21]以溫度與高度作為變量進行室內凍脹試驗，研究水分與凍脹的發(fā)展變化規(guī)律，并總結出試樣高度與凍脹率之間的關系。

17世紀后期人們就注意到凍脹現象，起初認為這只是因為水冰相變而造成的體積變化現象，直到20世紀，才意識到凍結過程中不只是因為水冰相變而造成的體積變化，還有土體的原位凍脹以及水分遷移作用引起的分凝凍脹，這才是導致土體凍脹的主要根源[22-23]。即凍土是由土顆粒、空氣、水和冰4種物質組成的，由于孔隙中的水結成冰后也成為一種固體，可認為與土壤顆粒具有同樣的功能[24]。冷端的水分在凍結過程中體積不斷增大，承受土壓力也不斷增大[25-26]，當大于某一值時，會使得孔隙冰周邊土體拉伸斷裂形成新孔隙并產生負壓，由于冷端被冰封，從而造成暖端水分被抽取，從而形成水分遷移以及凍脹融沉現象[27-29]。

大量的現場監(jiān)測資料表明，凍脹和融沉是凍土地區(qū)路基破壞的主要原因[30-31]，以青藏公路為例，85%的填土路基病害是由于凍土的融沉造成的，其他15%的為凍脹和翻漿所致。因此，研究土體在反復凍結、融化過程中物理力學性質的變化尤為重要，其中結冰溫度、凍脹率和融沉系數等在不同影響因素下的變化規(guī)律對凍土區(qū)路基防護具有重要的工程指導意義。

1 土的基本物理性質

1.1 試驗材料

本研究室內試驗所用土樣取自我國西部某季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基，深度為10～15 m，將取回的土進行前期處理，對土樣進行烘干并碾碎，進行顆粒分析，以及比重、液塑限、最優(yōu)含水率及最大干密度試驗，試驗結果如圖1和表1所示，改良土所需纖維為聚丙烯纖維。

1.2 試樣制備

本研究室內試驗纖維改良粉砂土的制備方法如下：1）預估每個試樣所需要的土量，2）將已烘干粉碎的備用土樣取500 g放入盆中；3）按照設計纖維摻入量（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）向盆中加入纖維，為防止纖維與土攪拌不均勻，先用小型攪拌機對干土和纖維進行攪拌均勻；4）按照設定初始含水率加入純水并繼續(xù)攪拌均勻，攪拌均勻后土樣如圖2所示；5）將攪拌好的土放在室內進行標準養(yǎng)護放置12 h，再進行制樣。為了盡量減小因纖維攪拌均勻度不同而導致的試驗誤差，制作試樣時首先將干土與纖維攪拌均勻后再加水攪拌。纖維摻入量（αw）計算公式如式（1）所示，為纖維質量（mc）與干土質量（ms）的比值。

aw=mcms 。（1）

2 凍脹融沉試驗內容與試驗方法

2.1 凍脹融沉試驗設計

參考《中華人民共和國煤炭行業(yè)土工試驗標準》（MT/T 593.2—2011）中的《人工凍土物理力學性能試驗》進行試驗，主要研究不同含水率及不同纖維摻入量對于土體的凍脹率、融沉系數、水分遷移以及土體內部各點溫度變化的影響，為路基工程中聯合加固技術的應用提供數據參考。

試樣制作方法選定為擊樣法，首先將烘干打碎的土樣根據設定的含水率（8%、10%、12%、14%、16%）及纖維摻量（0%、0.1%、0.3%、0.5%）進行制樣，試樣直徑為100 mm，高度為120 mm，分5層填土，每次錘擊次數為30次。試樣制作完成后裝入預制模具（外徑99 mm，內徑80 mm，高度160 mm）中。試驗方法為封閉系統下的單向凍脹融沉試驗，為浙江托莫斯科技有限公司提供的凍融試驗系統，產品型號為TMS9018-250，溫度范圍為-40～60 ℃，主要部件包括TMS9018型恒溫箱、CR3000型數據采集儀、DA-15型高精度位移傳感器、凍融裝置桶、TMS8037型冷浴以及計算機。首先將試樣連同模具以及透水石放入凍融裝置中，插入5根溫度傳感探頭（分別在土樣的20、40、60、80、100 mm處）以及3根水分傳感探頭（分別在土樣的20、60、100 mm處），將上部蓋板蓋上，固定鐵架并在冷端板上安裝位移傳感探頭。將凍融設備整體放入恒溫箱中，將環(huán)境箱與水浴暖板均設置為1 ℃并恒溫大于6 h，水浴冷端設置為-10 ℃對試樣進行單向凍結大于12 h，此后將環(huán)境箱調至20 ℃對試樣進行自然融化，當直至讀數不變后1 h為止時，停止試驗并保存數據。試驗設備如圖3和圖4所示，試驗方案見表2。

2.2 凍脹融沉試驗數據處理方法

凍脹率計算公式為

εfh=Δhh0×100 。（2）

式中：εfh為t時刻試樣的凍脹率，%；Δh為0～t時間內試樣的軸向變形，mm；h0為試樣初始高度，mm。

融沉系數計算公式

α0=Δh0h0×100。（3）

式中：α0為融沉系數，%；Δh0為凍土融化下沉量，mm；h0為試樣初始高度，mm。

根據所得數據，參照上述計算方法得出不同含水率以及不同纖維摻入量條件下的纖維加筋土的凍脹率與融沉系數。

3 結果與分析

3.1 不同影響因素下水分遷移變化規(guī)律

凍脹主要是由土體內部的水分相變成冰引起的，本試驗就是研究不同影響因素下的水分遷移情況，以冷端為起始點，并在20、60、100 mm處選定3個測量點測定其含水率變化，了解試樣內水力分布變化，圖5為纖維改良粉砂土不同含水率的空間變化。

試驗中不同含水率的情況下水分變化規(guī)律基本相似，這里以16%含水率條件下土體各高度水分變化情況為例。由圖5可以看出，開始時各高度含水率已經不再一致，這是因為制樣擊實過程中，已經使土樣的水分重新分布，因為水的重力和擊實的振動導致水分下移。隨著時間的增加，6 h之內各高度的含水率都逐漸減小，距離冷端越近水凍結速度越快，靠近冷端位置最終含水量幾乎為0，隨著深度的增加水相變程度越來越小，最低端只有一小部分的水分發(fā)生相變。融化過程中含水率變化速率較凍結過程更快，且最終各位置含水率不一致，這是因為凍融循環(huán)使土樣中的水分重新分布，向下遷移。

由圖6可以看出，不同初始含水率下的土樣經歷凍融循環(huán)后其水分重分布比較明顯，這是因為，本實驗用土為粉砂土，孔隙較大，所以較黏土等，其水分遷移比較明顯。不同初始含水率的土樣水分分布規(guī)律基本相似，凍融循環(huán)后上部水分向下遷移，含水率越大，其遷移越明顯，隨著含水率增加，其中部位置水分重分布較為明顯。

圖7為不同纖維條件下水分遷移情況，其含水率為固定值10%。

由圖7可以看出，不同纖維摻量的土樣水分分布規(guī)律基本相似，凍融循環(huán)后上部水分向下遷移，但是隨著纖維摻量的增加，其水分遷移程度減小，因為纖維對水和土有粘連作用，阻礙水的運動。

3.2 不同影響因素下凍脹融沉變形特征

由圖8和圖9可得，不同含水率和纖維摻量條件下凍脹融沉過程曲線規(guī)律基本相似，基本都在6 h后完成凍結，12～16 h完成融化，且融化速度大于凍結速度。這是因為水和冰在導熱系數與熱擴散系數上都有著較大的差異，冰的導熱系數在0 ℃時近似為同溫度下水的導熱系數的4倍，熱擴散系數約為水的9倍，說明冰對熱的傳導要比生物材料中不能流動的水的導熱能力大得多。在一定的環(huán)境中，冰將以比水快得多的速度，改變自身的溫度。所以就導致了在相同溫度差下，解凍的速度要比凍結的速度快得多。在8%～16%含水率范圍內，其凍結豎向位移最大達到1.19 mm，其融化豎向位移最大達到2.56 mm，達到12%含水率時其凍脹率和融沉系數基本趨于穩(wěn)定。在0%～0.5%纖維摻量范圍內，其凍結豎向位移最大達到1.10 mm，其融化豎向位移最大達到2.85 mm。

由圖10和圖11可得，相同條件下的凍脹率融沉系數規(guī)律基本相似。隨著含水率的增加，纖維改良粉砂土的凍脹率和融沉系數都增加，且在含水率超過12%時趨于穩(wěn)定，說明含水量越大，路基越容易凍脹，這也是為什么路基要進行排水的緣故。隨著纖維摻量的增加，纖維改良粉砂土的凍脹率和融沉系數都減小，說明纖維對于路基的凍脹具有很好的抑制效果。在8%～16%含水率范圍內，其凍脹率范圍為0.55%～1.16%，其融沉系數范圍為1.5%～2.13%。在0%～0.5%纖維摻量范圍內，其凍脹率范圍為0.23%～0.91%，其融沉系數范圍為1.29%～2.3%。

3.3 不同影響因素下土體凍融全過程溫度變化

作出不同含水率條件下試樣不同高度溫度變化曲線如圖12—圖16所示，由圖12—圖16可以看出，不同含水率其試樣溫度變化規(guī)律一樣，都會出現水化熱現象，隨著含水率升高水化熱現象越明顯。隨著含水率升高試樣各高度的穩(wěn)定性也在逐漸降低，其結冰溫度也在逐漸降低。由圖可以明顯看出，凍結過程中溫度下降較慢，融化過程中溫度上升較快。

作出不同纖維摻量條件下試樣不同高度溫度變化曲線如圖17—圖20所示，由圖17—圖20可以看出，不同纖維摻量其試樣溫度變化規(guī)律一樣，都會出現水化熱現象。隨著纖維摻量的升高，試樣各高度的穩(wěn)定性在逐漸上升，其達到結冰時間也在逐漸增長。由圖可以明顯看出，凍結過程中溫度下降較慢，融化過程中溫度上升較快。

3.4 不同纖維摻量下土體結冰溫度

其中對不同纖維摻量條件下的加筋土進行結冰溫度測量試驗，控制4個試樣的含水率一致，摻入不同含量纖維（0%、0.1%、0.3%、0.5%），把土樣放入鋁盒中，輕輕壓實，用保鮮膜把鋁盒覆蓋，插入傳感器，試驗現場如圖21所示。讓其在3 ℃條件下保存6 h，再對其進行-10 ℃降溫，根據時間和溫度作出溫度全過程曲線如圖22所示。

由圖22可以看出，隨著時間的增加，不同土體的溫度快速降低，纖維摻量為0%、0.1%、0.3%、0.5%時分別在第12.5、13.8、14.1、12 min時出現拐點，溫度略有上升。這是由于水的相變潛熱產生，水相變成冰，放出熱量導致溫度略有上升。纖維摻量為0%時溫度下降到-1.13 ℃并上升0.47 ℃，纖維摻量為0.1%時溫度下降到-1.53 ℃并上升0.65 ℃，纖維摻量為0.3%時溫度下降到-2.59 ℃并上升0.70 ℃，纖維摻量為0.5%時溫度下降到-2.57 ℃并上升0.81 ℃。此后，溫度曲線平行于x軸，溫度保持十多秒的穩(wěn)定，此時的溫度就是結冰溫度，因為冰是晶體，水在結冰過程中，不斷向外釋放能量，分子平均動能不變，分子間的距離變大，分子勢能減小，水的內能減小，所以水在結冰的過程中溫度保持不變。從圖22中可以看出纖維摻量為0時其結冰溫度為-0.66 ℃，纖維摻量為0.1%時其結冰溫度為-0.88 ℃，纖維摻量為0.3%時其結冰溫度為-1.95 ℃，纖維摻量為0.5%時其結冰溫度為-1.79 ℃。

4 結論

通過對纖維路基改良粉砂土進行不同初始含水率和纖維摻量條件下凍脹融沉試驗，研究其水分變化、凍脹率、融沉系數以及溫度變化等規(guī)律。得出以下結論。

1）試樣單向凍融過程中，6 h之內各高度的含水率都逐漸減小，且距離冷端越近結冰速度越快，靠近冷端位置最終含水量幾乎為0，隨著深度的增加水相變程度越來越小，最低端只有一小部分的水分發(fā)生相變。融化過程中含水率變化速率較凍結過程更快，且最終各位置含水率不一致。不同初始含水率下的土樣經歷凍融循環(huán)后其水分重分布比較明顯，不同纖維摻量的土樣經歷凍融循環(huán)后其水分分布基本相似。凍融循環(huán)后水分由上向下遷移，但是隨著纖維摻量的增加，其水分遷移程度減小。

2）不同含水率和纖維摻量條件下凍脹融沉全過程曲線規(guī)律基本相似，基本都在6 h后完成凍結，12～16 h完成融化，且融化速度大于凍結速度。8%～16%含水率范圍內，其凍結豎向位移最大達到1.19 mm，其融化豎向位移最大達到2.56 mm，達到12%含水率時其凍脹率和融沉系數基本趨于穩(wěn)定。在0%～0.5%纖維摻量范圍內，其凍結豎向位移最大達到1.10 mm，其融化豎向位移最大達到2.85 mm。

3）不同含水率其試樣溫度變化規(guī)律一樣，都會出現相變潛熱現象，隨著含水率升高相變潛熱現象越明顯。隨著含水率升高試樣各高度的穩(wěn)定也在逐漸降低，其結冰溫度也在逐漸降低。凍結過程中溫度下降較慢，融化過程中溫度上升較快。隨著纖維摻量的升高，試樣各高度的穩(wěn)定在逐漸上升，其達到結冰時間也在逐漸增長。

4）隨著纖維摻量的增加其相變潛熱越明顯，土體結冰溫度先降低后上升，在纖維摻量為0.3%時其結冰溫度最低為-1.95 ℃，且達到結冰溫度時間最長為14.1 min，所以纖維摻量為0.3%時，對改良路基而言效果最好。

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