張林

（安徽省路港工程有限責任公司，安徽　合肥　230000）

冰凍氣候對路基性能影響模擬試驗研究

張林

（安徽省路港工程有限責任公司，安徽合肥230000）

通過對路基凍融機理的研究，分析路基土凍脹的影響因素包括土粒組成、壓實度、水分、溫度和荷載；通過對凍融條件下不同路基土的承載比（CBR）和剪切強度試驗，得到凍融下路基土的CBR最少衰減6.5％、最大衰減達36.9％，土樣凍融后剪切強度衰減10％～20％，土樣的粘聚力和內摩擦角均因凍融而減小，但衰減幅度不大。

公路；路基；凍融；承載比（CBR）；剪切強度；冰凍氣候

路基土中溫度下降至孔隙水結晶點時會導致土體凍結膨脹，引發(fā)附加變形與應力；不同含水量和土質條件下誘發(fā)的不均勻凍脹應力更大。氣溫升高，凍結土體由上至下融化，由于下層凍土未解凍，水分難以下滲，使上層含水量變大導致強度下降。當土體中的凍結冰晶完全消融，卻又不能排水固結時，在荷載反復作用下，道路易產(chǎn)生融沉、沉陷和翻漿等一系列病害，影響道路通行安全。因此，眾多學者對此開展了大量研究。欒海等通過試驗證明凍融循環(huán)可引發(fā)黏性土的水分遷移，增大毛細水的上升高度。李雨濃等分析了含水量及塑性對土體凍脹性的影響，通過試驗得到細粒土凍脹性隨含水量增大而變大，當含水量一致時，凍脹性隨塑性增大和顆粒變細而變小。張喜發(fā)等研究得到地下水侵襲導致路基軟化，凍脹加劇，同時地下水可侵襲砂礫層乃至底基層，導致其防凍、輔助承載作用喪失。

1　路基凍融機理

湖南省夏季濕熱多雨，雨水入滲導致路基地下水位上升，為冬季水分積聚提供了必要條件。進入冬季，路基的上層率先凍結，隨著氣溫降低，凍結慢慢向深處延伸，導致路基溫度上低下高，形成溫度負梯度。土體中自由水先凍結形成冰晶體，冰晶體附近土粒的結合水膜變薄，產(chǎn)生剩余分子引力，同時其離子濃度變大，產(chǎn)生滲附壓力。在這二者共同作用下，結合水由水膜較厚處向薄弱處移動，水分移動到凍結區(qū)域后即凍結，冰晶體體積變大，從而進一步擴大不平衡引力。若未凍結區(qū)存在水源補給途徑，被吸引的結合水能隨時補充，則水分會持續(xù)從未凍結區(qū)向凍結區(qū)聚集，使冰晶體不斷擴大。路基中的水分凍結膨脹，當其超過路基土體的空隙所能容納的量時即產(chǎn)生凍脹，嚴重時甚至導致路面錯臺、開裂和隆起。冰晶體融化時，土體體積縮小，容易導致收縮開裂、沉陷等路面病害，影響道路的正常使用功能。

2　路基凍融影響因素

2.1土的粒度組成

土顆粒的大小不同將導致其表面力場的差異，土顆粒的比表面積是其表面效應指標。土顆粒的大小與其比表面積成反相關關系，顆粒越小比表面積越大，其與水相互作用的能量也越強。土顆粒與水的作用能量強弱對土凍結過程的水分遷移能力有著直接影響，因而不同土顆粒組成導致其凍脹變形有著不同特征。

2.2壓實度

壓實度影響凍脹有一閾值，低于該值，凍脹與壓實度正相關；高于該值，凍脹與壓實度負相關。在閾值以下，毛細孔徑較多，水分遷移加劇，凍脹率增加；在閾值以上，土體密實，壓實度增大導致土體間微孔隙減少，土顆粒間結合水膜較強，水分遷徙受阻，凍脹率降低。

2.3土中水分含量

土體中水分含量超過起始凍脹含水量將會產(chǎn)生凍脹。起始凍脹含水量是指在穩(wěn)定的負溫條件下凍脹系數(shù)為零時的含水量。在無水源補充的閉合系統(tǒng)里，僅有土體內部水分遷移重分布，由于沒有地下水的及時補充，凍結后上部土層中（凍深以上1/2～ 1/3部分）含水量明顯增大，下層土體內含水量減少，在一定范圍內土體凍脹率與含水量正相關。在開放系統(tǒng)內，雖然初始含水量小，但在凍結中外部水分源源不絕地往凍結區(qū)遷徙，導致土體凍脹性增大，其凍脹后果比無水源補給的體系嚴重10倍以上，對道路損害極大。

3　凍融對路基力學性質的影響

冰凍天氣對路基路面的工作性能都造成不同程度的影響。下面通過路基土凍融循環(huán)試驗和土工試驗，對比凍融前后路基土承載比CBR、抗剪強度等參數(shù)，得到凍融循環(huán)對路基土承載能力的影響規(guī)律。

3.1試驗材料

選取湖南某高速公路受冰凍氣候影響的四處路基土進行模擬試驗。其中：K138+350處為全風化花崗巖路段，病害為翻漿，粉砂含量高，風化花崗巖強度指標不大，部分材料CBR不符合規(guī)范要求，回彈模量低，抗變形穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性差。K130+ 560處為全風化花崗巖路段，病害為沉陷，土質為砂性粉土，強度不滿足路基要求，且下雨易軟壓，含水量很高，采用石灰水泥改良。K48+926處為切方路段，病害為裂縫與沉陷，主要為硅化砂質板巖，上部強風化層巖性較硬，屬軟石，下部弱風化層為次堅石，地質情況良好。K62+700處無病害，切方筑路材料為小塊石質土，結構松散，為普通土，強風化礫巖，承載比高，質量好。

3.2試驗條件及方案

試驗條件是影響凍融試驗結果極為重要的因素，主要包括冰凍溫度、冰凍時間、冰凍方式和融化溫度、融化時間、融化方式等。將試件包裹保鮮膜后置于恒溫箱中，在-25℃條件下恒溫6 h，再在10℃條件下解凍12 h，檢測結果顯示水分散失僅0.1 ～0.2 g。

CBR是用于評定路基土強度的重要指標。按照擊實試驗得到的最佳含水率配制素土和不同改良土的CBR試件，試件制作方式與擊實試樣相同。將擊實好的試件經(jīng)歷冰凍—融化處治后進行貫入試驗，模擬路基土在冰雪災害下的凍融狀態(tài)。貫入試驗中，在試件頂面施加4塊標準荷載板，模擬實際路基受到路面的附加應力。

將土樣過5 mm篩后以現(xiàn)場實測含水率為控制量制備多組試樣。通過大型擊實成型試件，利用環(huán)刀剪切土樣試件，試件在經(jīng)過冰凍—融化處治后進行抗剪強度試驗。

3.3試驗結果分析

3.3.1CBR試驗結果分析

路基土凍融前后CBR對比如表1、圖1所示。

表1　土樣凍融前后CBR對比

圖1　土樣凍融前后CBR對比

從圖1、表1可以看出：土樣在進行凍融后， CBR值均有所衰減，但衰減程度不同；不同樁號處路基土的CBR值相差較大，主要跟土質因素有關，如含水量、顆粒組成、礦物組成及含量等。冰凍時，將試件筒置于恒溫箱中，室溫為15℃，降溫速率為9℃/min，冷卻目標溫度為-25℃，大約經(jīng)過5 min后恒溫箱內溫度降至目標溫度，然后恒溫48 h。由于試件底部和頂部直接暴露于恒溫箱內，而試件側面有試件筒保護，剛開始降溫時試件底部和頂部溫度下降速率很快，而側面和中部降溫速率較慢，導致土層底部和頂部凍結、內部土樣未凍結，這樣土樣中自由水分會向表層凍結區(qū)遷移和積聚，導致表層含水量明顯偏高，并形成冰層。解凍融化時，土層底部和頂部積累的冰層開始融化，使上下土層含水量大大增加，但細粒土排水能力較差，土層處于飽和狀態(tài)，導致土層軟化，強度大大降低，表現(xiàn)為凍融后CBR降低。

表2　土樣凍融前后抗剪強度對比

3.3.2剪切試驗結果分析

土樣凍融前后剪切試驗結果如表2所示。

從表2可以看出：土樣經(jīng)過凍融后，各級垂直壓力下的剪切強度均有所衰減，但幅度不同。經(jīng)歷過冰凍氣候的土基，相當于經(jīng)過多次凍融循環(huán)，其性能也會變差，會引起病害或加劇原有病害的發(fā)展。

根據(jù)庫倫定理擬合得到凍融前后四處路基土的粘聚力c和內摩擦角φ（如表3、圖2、圖3所示）。

表3　各土樣剪應力與垂直壓力的關系擬合結果

圖2　凍融對內摩擦角的影響

從表2、表3和圖2、圖3可以看出：在凍融作用下，四處路基土樣的剪切強度均有不同程度衰減，衰減幅度為10％～20％；內摩擦角和粘聚力均略微減小，衰減幅度不大。

圖3　凍融對粘聚力的影響

4　結論

該文通過室內凍融模擬試驗分析了冰凍氣候對路基土性能的影響，得到如下結論：土樣的CBR和剪切強度均因凍融而降低，凍融后CBR衰減最少6.5％、最大達36.9％，剪切強度衰減10％～20％；土樣的粘聚力和內摩擦角均因凍融而減小，但衰減幅度不大。

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2015-11-07