柴帥停

【摘要】季節(jié)凍土區(qū)高速公路修建必然面臨著路基凍脹問題，威脅公路建設與運營安全。本文首先圍繞高速公路黃土路基展開分析，探討了黃土路基凍融循環(huán)機理，并圍繞具體試驗具體分析了高速公路黃土路基凍脹性。掌握黃土路基凍脹變化情況，可為高速公路施工中防凍脹加強措施與運營維護提供參考依據(jù)。

【關鍵詞】高速公路;黃土路基;凍融循環(huán)機理;凍脹性試驗

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

22.140

1、引言

黃土在世界范圍內分布較為廣泛，約為世界陸地面積的10%左右。在我國，黃土分布面積可達44萬km2，且在黃河中游所占面積約為27.3萬km2。我國部分地區(qū)處于季節(jié)性凍土區(qū)域，同時也處于黃土地區(qū)，局部凍土區(qū)域受晝夜溫差大因素的影響，導致黃土凍融循環(huán)作用影響加劇，不利于高速公路路基施工，對此本文針對高速公路黃土路基凍脹性試驗展開分析。

2、黃土路基凍融循環(huán)機理

凍融循環(huán)的機理即為土體反復凍脹、融沉的過程。土體處于凍脹過程時，土體的部分水分遇冷凝結為固體，造成土體體積增長，相關研究表明凍結后的土體強度略微增強;而土體處于融沉過程時，土體中的冰晶逐步融化，反復的凍脹、融沉過程對土體的結構性造成了破壞，導致土體強度降低。

因此，季節(jié)性凍土區(qū)域高速公路黃土路基施工面臨較大的安全風險，路基土會因為凍脹、融沉的影響物理力學性能發(fā)生變化同時夏季較為充沛的雨水和冬季凍結的土體水分，都會誘發(fā)土體含水率增高的風險，從而導致路基土抗剪強度降低，造成路基不均勻沉降、路面開裂等災害的發(fā)生。對此，加強高速公路黃土路基凍脹性研究具有重要意義。

3、高速公路黃土路基凍脹性試驗方法

3.1試驗方案

本次試驗所用土樣取自某高速公路項目，針對黃土凍脹特性開展試驗，試驗中主要變化因素包括環(huán)境溫度與含水率。試驗中的凍結環(huán)境溫度設定了三個基準，分別為-10℃、-15℃、-20℃，試驗土體含水率分別設置為14%、16%、18%。土體壓實度設置為0.9，在土體的四周填充適量的保溫棉，達到絕熱效果。

3.2試驗步驟

本次試驗平坦黃土凍結情況，具體試驗步驟如下：

（1）制作模型箱、環(huán)境箱，兩者之間充填保溫棉，模擬一維凍脹狀態(tài)，導熱系數(shù)為0.03～0.035W/（m·K），相對土體導熱系數(shù)設定范圍為1.0～1.6W/（m·K），經監(jiān)測保溫棉導熱系數(shù)是土體的2%～3.5%。

（2）模型箱的底部，鋪設一層厚度為5cm的中粗砂，模擬邊界條件，以接近自然環(huán)境狀態(tài)。

（3）均勻拌和土分層，后填充至模型箱中，反復夯擊至規(guī)定壓實度。填土時，在指定位置安裝溫度傳感器與土壓力盒，填筑結束后添加一定量的水，靜置土體3d，保證土體含水率均衡。

（4）安裝位移傳感器。將土分層裝至試驗箱中靜置，在適當位置加裝位移監(jiān)測設備（位移傳感器）。因機電百分表接觸土體的面積相對較小，為弱化刺入土體動作對測量結果的負面影響，確保測量數(shù)據(jù)準確，可在土體表層放置有機玻璃板，尺寸為100mm×100mm。在完成機電百分表的安裝后，調試初始讀數(shù)。

（5）正式開始試驗前，需將土樣放置在指定位置靜置8h以上，以保證土體含水率均衡。若最底層溫度<6℃，表明凍結階段結束。此時，需調試恒溫液浴循環(huán)設備，將溫度設置為正溫，實現(xiàn)環(huán)境溫度的快速回升。環(huán)境箱的溫度到達20℃時，溫度恒定，表明試驗進入融化階段。

3.3試驗數(shù)據(jù)采集

當采集設備工作狀態(tài)趨于穩(wěn)定，即可開展試驗內容。首先，啟動環(huán)境箱的溫度控制系統(tǒng)，將溫度調試至對應溫度水平。每間隔10min即采集一次數(shù)據(jù)，后對模型實施降溫凍結處理，對采集的所有數(shù)據(jù)進行梳理與檢查。若土體溫度接近試驗方案中的設計值，或試驗持續(xù)時間達規(guī)定時間，則表明土體已經完成凍結。在土體融化階段，需設置適宜的溫度，模擬自然環(huán)境中土體的融化過程，采集數(shù)據(jù)，整理成文檔。

4、高速公路黃土路基凍脹性試驗結果分析

該工程單位對黃土路基段進行封閉處理，后開展下一維凍脹試驗，測算出不同凍結環(huán)境溫度、含水率條件下土體的溫度變化、凍脹量及水平凍脹力。

4.1土體溫度場時空分布

土體不同深度，降溫趨勢不同，可總結如下：凍結初期，不同深度的土體降溫速率均較快;-0.4℃前后，各深度土體的降溫速率曲線逐漸開始平行于橫坐標中的平穩(wěn)段;-0.4℃末段，土體溫度持續(xù)降低，下降速率較降溫凍結初期相較有所減緩，同時含水率越高時，此種現(xiàn)象就越加明顯;在凍結后期，各深度土體降溫速率減緩，同時經分析發(fā)現(xiàn)基于不同含水率情況下的土體，起始凍脹溫度保持一致。

4.2土體凍脹變形量

不同含水率條件下土體凍脹量變化趨勢。在不同含水率條件下，土體凍脹量變化情況大致相同，只有數(shù)值略有差異。含水率越大，則土體凍脹量越大。依據(jù)土體的凍脹量變化規(guī)律可將其變化過程分為三大階段，即微凍縮、快速發(fā)展以及擬穩(wěn)定階段。

（1）土體含水率存在差異時，土體凍脹量的變化規(guī)律：土體凍脹變形量會因含水率不同而不同。試驗中含水率設定為三個水平，即14%、16%、18%，經測算土體的凍脹變形量均值為3.52mm、5.2mm 、8.23 mm?？梢娡馏w凍脹變形量增大，含水率就會提高。在整個降溫過程中，環(huán)境凍結溫度與凍脹變形量呈線性關系，溫度越低，相應的凍脹變形量就越小。

（2）不同凍結環(huán)境下土體凍脹量的變化規(guī)律：若土質與溫度條件相同，則凍脹力的初始溫度一致，在0.6℃左右。當土體的含水率存在差異時，最大凍脹力溫度也有所不同?；诓煌墓r下，土體物理狀態(tài)不同，相應的水平凍脹力變化規(guī)律存在較大差異，試驗數(shù)據(jù)顯示最大凍脹力溫度數(shù)值不同。

4.3最大水平凍脹力

最大水平凍脹力會隨著土體深度的變化而變化，變化規(guī)律為穩(wěn)定數(shù)值變化幅度小，先增大至最大值，后逐漸減小，最大值出現(xiàn)在相對深度 0.6～0.8 處。

結語：

綜上所述，隨著我國高速公路網(wǎng)的不斷完善，越來越多的道路建設將面臨凍脹和融沉病害問題，例如水平凍脹力會引發(fā)橋臺、支擋結構的損壞，直接造成路基的不均勻沉降，此類問題都是凍土地區(qū)工程建設需注意的問題，應提前編制應對策略，做好控制措施。文章圍繞黃土路基開展凍脹性試驗，分析了土體凍脹變形、最大水平凍脹力情況，為保證公路運營安全，路基防凍脹設計應堅持填料防凍脹為主、多種措施相配合的綜合防凍脹思路，路基的表層應選用透水性好、細顆粒少的級配碎石，路塹和低路堤表層和換填底部應設置隔水層防止水分在路基本體上下遷移，同時需完善排水系統(tǒng)，防止積水和匯水產生凍脹。

參考文獻：

[1]趙俊剛.季凍區(qū)壓實黃土在凍融循環(huán)作用下的性能變化試驗研究[J].甘肅科技，2019，35（12）：81-83.

[2]周春梅，王琴華，張靜波，等.干濕和凍融循環(huán)對壓實黃土路用性能影響的試驗研究[J].防災減災工程學報，2019，39（03）：533-540.

[3]谷琪，王家鼎，司冬冬，等.不同含水率下黃土凍融循環(huán)對濕陷性影響探討[J].巖土工程學報，2016，38（07）：1187-1192.

[4]王治軍，潘俊義，周鵬，等.凍融作用對黃土濕陷性的影響[J].地下空間與工程學報，2016，12（06）：1710-1716.