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)計院)

高寒地區(qū)路基填土凍融循環(huán)后的強度研究

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)計院)

在高寒地區(qū)較為理想的路基填土是碎石土，為進一步了解碎石土在凍融循環(huán)后的強度變化規(guī)律，在不同試驗路段選取具有代表性的土樣，在最佳含水率、不同壓實度的條件下進行了不同凍融循環(huán)次數(shù)的室內(nèi)CBR試驗，試驗結(jié)果表明:各標路基土在經(jīng)過凍融循環(huán)作用后CBR強度均有所降低，壓實度是影響路基填土強度的主要因素。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，且負溫持續(xù)時間較長，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北方地區(qū)特別是中、重度凍土地區(qū)公路建設(shè)的一個難題。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)過凍融循環(huán)后土體強度的降低對路基和路面的穩(wěn)定性都會帶來嚴重的影響，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，我國凍土占國土面積的62.7%。凍土的研究越來越受到廣大專家和學(xué)者的關(guān)注，目前國內(nèi)研究成果大都是針對凍土的凍脹因素及防治措施，而對高寒地區(qū)路基土經(jīng)過凍融循環(huán)后的強度變化規(guī)律只是零星的研究，許多方面還是空白。

填入工程概況，在本項目中選擇具有代表性的土樣，研究碎石土在經(jīng)過不同凍融循環(huán)次數(shù)后CBR值的變化，對今后高寒地區(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《公路土工試驗規(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)。試驗用土選用的是具有代表性的北黑公路A11、A12標段路基土，各標段土樣的物理力學(xué)性能指標見表1。

表1 各標路基土的基本物理性質(zhì)試驗結(jié)果

2 凍融循環(huán)試驗

CBR 即加州承載比，起源于美國加利福尼亞州，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方法。本試驗?zāi)M了碎石土在滿足不同壓實度的條件下，經(jīng)過不同凍融循環(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)強度降低的實際情況。

本試驗制備了在最佳含量率條件下三種不同壓實度的試件，不同壓實度的試件每層擊實變數(shù)不同，分別為30次、50次和98次，對應(yīng)的壓實度為93%、96%和100%。各個標段每種壓實度共配制12個試件，每組三個平行試件，第1組制件后泡水4 d進行CBR試驗，第2組、第3組和第4組制件后則要分別經(jīng)過1、2和3個凍融循環(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℃，因此將低溫試驗箱的溫度調(diào)至－22℃待溫度穩(wěn)定后將試件放入其中進行凍結(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5%則停止試驗補做試件)，待試件完全融化后泡入水中，浸水4 d后再進行CBR的試驗，以此來對比分析不同壓實度的試件在經(jīng)過不同凍融循環(huán)作用后的強度變化規(guī)律。

試驗不能用烘干土樣，是因為烘干土樣會破壞土中有機質(zhì)。將碾碎的風(fēng)干土過5 mm篩，取篩下土供做試驗。測定風(fēng)干土含水率，估算所需風(fēng)干土質(zhì)量，按預(yù)定含水率計算用水量，按計算結(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，將土分三層裝入擊實筒內(nèi)，每層的裝入量應(yīng)使擊實后的試件高度等于或高于筒高的1/3，第一層擊實后，將土體層面“拉毛”然后在裝入套筒，重復(fù)上述方法進行其余各層的擊實，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)進行凍結(jié)。

做CBR試驗時，將泡水試驗終了的試件放到CBR試驗儀升降臺，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，然后將測力和測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，同時測記三個百分表的數(shù)，計算出貫入量為2.5 mm和5 mm時的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時的承載比。根據(jù)三個平行試件的CBR值計算變異系數(shù)，如果小于12%取三個值的平均值，如果大于12%則去掉一個偏離最大值，取其余兩個值的平均值。

3 試驗數(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度，而飽水4 d是該試驗的一個重要條件，飽水程度(即土體中的含水率)對于其抗剪強度有著重要的影響。在高寒凍區(qū)，通過CBR試驗可以有效地反映出路基融化后浸泡在水中時，土體結(jié)構(gòu)是否還有足夠的強度和穩(wěn)定性。各標試件的試驗結(jié)果如圖1、圖2所示。圖中A、B、C分別代表每層擊實次數(shù)為30次、50次、98次不同壓實度下的CBR值變化程度。

圖1 A11標CBR變化曲線

圖2 A12標CBR變化曲線

由以上兩個圖分析可知，在凍融作用次數(shù)相同的條件下，擊實功越大土體的CBR值就越大，這主要是因為被壓實土體的顆粒在欠密實的狀態(tài)下存在許多大小不等的孔隙，在擊實的作用下，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填充，較小顆粒的間隙由水分來填充，被壓實土體中空氣的含量也在擊實過程中減少了。土體顆粒間孔隙的減小，密實度增大，被壓實土體之間間隙減小使其顆粒間接觸面積增大，導(dǎo)致被壓實土體間的粘聚力和內(nèi)摩擦阻力增大，其強度也有所提高。

從上圖也可以看出各標的碎石土試件在經(jīng)過凍融循環(huán)后CBR強度均有所降低，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，進一步降低了土顆粒間的作用力，同時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)過凍融循環(huán)后其強度也就越低。在第1個凍融循環(huán)的作用后CBR的衰減程度較大，經(jīng)過第2、第3個凍融循環(huán)后CBR雖然有所衰減但衰減程度相對較小，這是由于土樣在第一個凍結(jié)過程中產(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。通過以上分析可以看出凍融循環(huán)作用對碎石土的強度影響還是比較顯著的。

4 結(jié)論

各標段的碎石土試件經(jīng)過凍融循環(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，擊實功越大土體的強度就越高，因此在實際施工過程中要采用較大的壓實度，增大土顆粒之間的作用力，同時要修建完善的排水系統(tǒng)來降低路基土在凍融循環(huán)過程中的含水率，保證路基具有足夠的強度和穩(wěn)定性。

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U416.1

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