趙安平，王 清，李方慧，石桂梅

（1.黑龍江大學(xué)建筑工程學(xué)院，哈爾濱150080；2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長春130026）

0 引 言

東北地區(qū)是我國最大的商品糧生產(chǎn)基地和重工業(yè)基地，交通運(yùn)輸車輛多，負(fù)荷大，運(yùn)輸任務(wù)繁重。為保障糧食及時外運(yùn)及國家振興東北老工業(yè)基地項(xiàng)目的不斷深化，勢必要求在該地區(qū)修建數(shù)量更多、等級更高的公路。然而路基土凍脹引起的凍害一直是困擾該地區(qū)公路建設(shè)的突出問題，公路管理部門統(tǒng)計(jì)表明，公路病害約70%以上是凍脹造成的［1］。

而我國現(xiàn)有寒區(qū)道路工程方面的研究多針對多年凍土區(qū)，季節(jié)凍土區(qū)凍害研究相對薄弱［2－3］，對高速公路來說，更為少見［4］。因此，研究季凍區(qū)路基土凍脹具有十分重要的工程意義。本文以吉林省內(nèi)干線公路 （長春－四平一級公路、長春－松原線、長春－吉林北線）為研究對象，通過室內(nèi)試驗(yàn)和野外調(diào)查觀測，從宏、微觀方面分析路基土凍脹的敏感性因素，以期對該地區(qū)道路凍害防治工作有所裨益。

1 路基土凍脹的產(chǎn)生

東北地區(qū)冬季寒冷，細(xì)顆粒土 （粉土、黏土）路基溫度降至0℃以下時，土中孔隙水原位凍結(jié)，以及外界水源 （凍結(jié)面以下的水分）向上遷移到凍結(jié)面集聚成冰 （分凝凍脹），引起路基凍脹，使路面產(chǎn)生不均勻變形或過量變形。春季路基解凍，集聚的冰晶體融化，而下部仍處于凍結(jié)狀態(tài)，水分不能及時排出，路基土處于飽和或過飽和狀態(tài)，承載力極低，在交通車輛作用下發(fā)生路面鼓包、裂縫和翻漿冒泡等病害［5］，嚴(yán)重危害交通安全。

從工程角度講，原位凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹量可忽略，凍脹主要是水分遷移引起的分凝凍脹，水分遷移發(fā)生在地表淺層非飽和帶中，凍脹實(shí)質(zhì)是毛細(xì)水和薄膜水遷移。

隨著路基土表層溫度下降，水中的雜質(zhì)在負(fù)溫下形成結(jié)晶中心，使土中水結(jié)晶成冰。冰晶體周圍活動性較強(qiáng)的薄膜水分子受結(jié)晶力作用，逐漸遷移至冰晶體冰峰上凍結(jié)形成冰晶格架，土顆粒成為冰結(jié)晶的結(jié)晶核。水分的遷移使結(jié)合水膜變薄，打破了原有土粒電子吸引力平衡狀態(tài)，同時使土中陽離子濃度增加，產(chǎn)生滲透壓力。在不平衡力、滲透壓力及溫度梯度等力場作用下，下臥土層未凍區(qū)水膜較厚的薄膜水被上吸至水膜較薄的凍結(jié)區(qū)參與凍結(jié)，冰晶體逐漸生長。若未凍區(qū)存在水源 （地下水位距凍結(jié)深度很近）及適當(dāng)?shù)乃囱a(bǔ)給通道，水分連續(xù)不斷補(bǔ)充到凍結(jié)區(qū)來，冰晶體不斷擴(kuò)大，最后形成冰夾層或聚冰層，凍脹由此產(chǎn)生。

2 路基土凍脹敏感性因素分析

2.1 土

2.1.1 土的粒度成分

顆粒大小反映土粒表面力場的差異性，這種表面效應(yīng)指標(biāo)是比表面積。顆粒由大變小，比表面積由小變大，與水相互作用的能量越高，直接影響水分遷移能力，導(dǎo)致凍脹變形特征不同。根據(jù)以往研究成果，土中粒徑在0.05～0.005mm之間的粒組含量高時，凍脹性最強(qiáng)［6］。

研究區(qū)路基土顆粒分析結(jié)果見表1。

表1 粒度成分分析表Table 1 Analysis of granularity component

由表1可見，研究區(qū)路基土0.075～0.005 mm的粒組占優(yōu)勢，具備凍脹的優(yōu)勢條件。

2.1.2 土的礦物成分

原生礦物化學(xué)穩(wěn)定性較好，對凍脹影響較小，但隨著礦物 （如石英）顆粒變小，表面能增大，未凍水含量增加，水分遷移量增大。次生礦物化學(xué)穩(wěn)定性較差，對凍脹影響較大，不可溶次生礦物中黏土礦物對水分遷移的影響最大。其中，蒙脫石晶胞間以O(shè)－與O－連結(jié)，結(jié)晶格架活動性大，親水性強(qiáng)，對水分遷移影響最大。伊利石結(jié)晶格架的活動性比蒙脫石小，親水性也相應(yīng)較低。高嶺石結(jié)晶晶胞以O(shè)－與OH－連結(jié)，連結(jié)力強(qiáng)，水分子無法進(jìn)入晶胞內(nèi)，親水性較小，對水分遷移影響小。

以X粉晶衍射為測試手段，測得土樣礦物成分分析結(jié)果，見表2。

表2 X射線礦物衍射分析測試成果表Table 2 Analysis of mineral component by X－ray diffraction

由表2可見，3個土樣中黏土礦物主要為伊利石和伊蒙混層礦物，均具有較好的持水性和較強(qiáng)的親水性，能形成較厚的弱結(jié)合水膜。而未凍水含量測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一定溫度范圍內(nèi) （0～10℃），長吉北線未凍水含量＞長四線＞長松線，溫度越低，差值越小，見圖1。

圖1 未凍水含量與溫度變化關(guān)系圖Fig.1 Relation between temperature and unfrozen water content

由表2和圖1可見，土中未凍水含量與黏土礦物含量有關(guān)，長松線路基土伊利石和伊蒙混層礦物含量較高，具有較好持水性和較強(qiáng)親水性，形成較厚的弱結(jié)合水膜，未凍水含量低，供遷移的水分少，長吉線正好相反?？傮w上，隨親水性強(qiáng)黏土礦物含量增加，未凍水含量減少，水分遷移量減小。

2.1.3 土的化學(xué)成分

主要針對鹽類（如NaCL，Na2SO4及CaCL2等）對凍脹的影響，研究普遍認(rèn)為高水化能的鹽類有助于抑制凍脹。本研究3個路段易溶鹽總含量均＜0.1%，鹽脹影響較小。但含有較多Na＋，這使分散性較差的粉質(zhì)亞黏土結(jié)合水膜增厚，利于毛細(xì)水通過，從而使毛細(xì)水上升高度增大。

2.1.4 土體微觀結(jié)構(gòu)

土凍脹影響的微觀因素，主要考慮粒度大小、結(jié)構(gòu)單元體、微觀孔隙及微觀結(jié)構(gòu)類型的影響。本研究選擇了2個層次：對黏土、粉質(zhì)黏土采用放大倍數(shù)為800～2 000，粉土為400～2 000。

經(jīng)WD－5圖片分析系統(tǒng)分析SEM圖片（圖2），土結(jié)構(gòu)單元體大小分布見表3。

圖2 電鏡圖片（A：粉質(zhì)黏土，B：黏土）Fig.2 Various soil SEM photos in test roads

表3 結(jié)構(gòu)單元體直徑大小百分含量Table 3 Analysis of diameter of units of structure／%

經(jīng)SEM圖片分析，土結(jié)構(gòu)單元體主要粒徑分布在2～5μm和5～10μm兩段，無＞20μm和＜1μm的，1～2μm和10～20μm的也較少。可見顆粒團(tuán)聚性較強(qiáng)，主要發(fā)育為團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu)單元體。

微觀孔隙定量分析結(jié)果見圖3，＞10μm幾乎為零，5～10μm的中孔隙不發(fā)育，＜1μm和1～2μm的微孔隙發(fā)育，有利于毛細(xì)水遷移。觀察SEM圖片見顆粒間多以邊－面形式接觸，孔隙連通性較好，毛細(xì)性強(qiáng)，為水分遷移提供較好的通道，在有外界水分補(bǔ)給的情況下容易發(fā)生凍脹。

圖3 微觀孔隙定量分析圖Fig.3 Analysis of diameter of micro pores

同時，SEM圖像顯示，研究區(qū)土多呈絮凝狀結(jié)構(gòu)。伊利石和伊－蒙混層礦物為主的片狀黏土礦物以絮凝體和團(tuán)聚體形式存在于土體中，以 “橋”的形式膠結(jié)顆粒，接觸連結(jié)和結(jié)合水連結(jié)為主，連結(jié)較牢固，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大。由于團(tuán)聚結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)單元體排列的不定向性，顆粒之間微孔隙發(fā)育，提供了毛細(xì)水上升的通道，也使大量結(jié)合水具有賦存空間。因此，黏粒提供了結(jié)合水及水分遷移的物質(zhì)條件，團(tuán)聚體中的孔隙提供了水分遷移的空間條件，這樣即使在地下水位較低的情況下，土中仍存在可供遷移的水，仍能產(chǎn)生較大的凍脹。

2.1.5 土體密度

研究發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)度對凍脹影響有一個敏感值，在此值之下，凍脹率隨壓實(shí)度增加而增加，此值之上，凍脹率隨壓實(shí)度增大而降低，見圖4，研究區(qū)敏感值推薦為95%左右。筆者認(rèn)為，在敏感值之下凍脹率隨壓實(shí)度增大而增加，是因?yàn)樾纬捎欣谒诌w移的毛細(xì)孔隙，敏感值之上壓實(shí)度進(jìn)一步增大，土顆粒之間形成較強(qiáng)的結(jié)合水膜連結(jié)，阻塞了水分遷移通道。

2.2 水

在一定土質(zhì)條件下，土中水分多少是引起土體凍脹強(qiáng)弱的基本因素之一。路基土體水分來源一般有3個方面：大氣降水、地下水補(bǔ)給和各種給排水工程［7］。

當(dāng)?shù)叵滤査畮幱趦鼋Y(jié)線以上，土體凍結(jié)時孔隙被體積膨脹的冰完全充填，下部未凍結(jié)土體中水雖然有向凍土段遷移的趨勢，但遷移通道 （孔隙）完全被堵塞，遷移基本不發(fā)生。

圖4 黏性土凍脹率與密度關(guān)系Fig.4 Relation of frost heaving and density of clay

而包氣帶內(nèi)土為非飽和土，土顆粒表面吸附結(jié)合水，未被液態(tài)水占據(jù)的空隙中有空氣及氣態(tài)水，這為水分流動提供了必要的通道。當(dāng)凍結(jié)深度達(dá)到毛細(xì)水上升范圍時，上部毛細(xì)水受影響向上遷移，下部飽水帶的水通過毛細(xì)通道源源不斷地向上運(yùn)動，從而使地下水位以上土含水率顯著增大，凍脹性強(qiáng)。但是受土顆粒引力和孔隙的約束，毛細(xì)水上升高度有限。除了毛細(xì)水，弱結(jié)合水和氣態(tài)水 （遷移量少可忽略）也發(fā)生遷移。

本次調(diào)查的土樣均以粉、黏粒為主［1，8］，毛細(xì)上升高度3m左右。但地下水埋深均在7m以下，土層凍結(jié)深度為1～1.5m，地下水不通過毛細(xì)通道為凍結(jié)層提供水分，水分遷移以薄膜水為主。

但是并非所有含水土體都會產(chǎn)生凍脹，只有當(dāng)土中水分超過一定界限值后才會產(chǎn)生。這個界限值稱為起始凍脹含水率。本研究發(fā)現(xiàn)，相同土樣起始凍脹含水率隨壓實(shí)度增大而減小。壓實(shí)度相同時，粉質(zhì)黏土起始凍脹含水率大于黏土，見表4。

表4 兩種土樣 （長吉北線）不同壓實(shí)度下的起始凍脹含水率Table 4 Initial water component of frost heave in different compaction and soils

2.3 溫 度

溫度梯度是水分遷移及凍脹的重要誘導(dǎo)因素。溫度的降低使原來土水勢 （壓力勢、基質(zhì)勢，溶質(zhì)勢和溫度勢之和）平衡被打破，水分從土水勢高的下部向土水勢低的上部遷移、聚集并凍結(jié)成冰，圖5為研究區(qū)路基土含水率長期監(jiān)測結(jié)果。

圖5 長吉北線現(xiàn)場觀測深度與含水率的關(guān)系曲線Fig.5 Relation of depth and water content of the soils

根據(jù)長春地區(qū)近年來凍結(jié)期溫度及凍結(jié)深度統(tǒng)計(jì)結(jié)果［9］，達(dá)到最大凍深1.8m時路基土層溫度約為－10℃，因此選擇0～－10℃間3個凍結(jié)溫度進(jìn)行室內(nèi)凍脹試驗(yàn)，其中1組結(jié)果見圖6。

圖6 不同凍結(jié)溫度與凍脹率關(guān)系圖Fig.6 Relation of different frost temperature and frost heaving rate

由圖6及多組試驗(yàn)結(jié)果得，在密實(shí)度與含水率相同情況下，凍脹率隨凍結(jié)溫度的降低而增大，但溫度降低到一定值后，凍脹率幾乎不再變化，因此可以斷定0～－5℃是產(chǎn)生水分遷移的主要區(qū)段。

2.4 荷 載

荷載對凍脹影響反映在：①使土層脫水壓縮固結(jié)，增大土體密實(shí)度，影響水分遷移速率；②只有聚冰帶生長面上的凍脹應(yīng)力大于上覆附加荷載時，才出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明，增加外部荷載對土體凍脹產(chǎn)生明顯抑制作用，見圖7。

3 結(jié) 論

1）顆粒大小的差異影響土凍結(jié)過程中水分遷移能力，土中粉、黏粒組占優(yōu)勢時凍脹性最強(qiáng)，研究區(qū)路基土具備凍脹的優(yōu)勢條件；

圖7 粉土凍脹率與荷載關(guān)系Fig.7 relation of frost heaving rate and load

2）次生礦物對凍脹影響大，親水性強(qiáng)的黏土礦物含量越高，未凍水含量越低，水分遷移量越?。?/p>

3）團(tuán)聚狀的土體結(jié)構(gòu)中，黏粒提供有利于水分遷移的物質(zhì)條件，孔隙提供水分遷移的空間條件；

4）起始凍脹含水率隨壓實(shí)度增大而減?。粔簩?shí)度相同時，粉質(zhì)黏土起始凍脹含水率大于黏土；

5）壓實(shí)度對凍脹影響有一個敏感值，在此值之下，凍脹率隨壓實(shí)度增加而增加，此值之上，凍脹率隨壓實(shí)度增大而降低，研究區(qū)敏感值為95%左右；

6）0～－5℃是產(chǎn)生水分遷移的主要溫度，即凍脹率增幅大的溫度區(qū)段。

［1］谷憲民.季凍區(qū)道路凍脹翻漿機(jī)理及防治研究 ［D］.長春：吉林大學(xué)，2006.

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