109国道青海橡皮山段路基填土的冻胀特性研究

杨 兵

(中铁株洲桥梁有限公司)

1 引 言

冻胀是季节冻土区道路路基常见的病害,也是困扰我国公路建设的一个重要问题。它能引起公路路面拱起、开裂,严重破坏了路基及路面结构。由于车辆超载与地下水的补给,更加剧了冻胀病害程度。关于路基土的冻胀特性,国内外学者进行了大量的研究。徐学祖的研究表明,土体的冻胀主要是由于冻结过程中发生水分迁移与重分布,形成了冰透镜体所致。冻胀受土质、温度、水分、含盐量、密度及荷载等因素影响。陈肖柏系统地研究了砂砾料的冻胀敏感性,提出了土的冻胀性分类标准与冻胀机制。冻胀病害的危害大,影响因素多,针对 109国道典型冻胀地段路基的砂质粉土填料开展了开敞条件下的冻胀试验,系统的研究砂质粉土的冻胀特性及冷却温度、压实度、荷载对其冻胀特性的影响。

2 试验概况

2.1 试验土样

本试验用土取自 109国道青海省境内橡皮山段,该地区最高点海拔 3800m,高山寒冻风化作用强烈。线路所经地质构造为沿海—海陆交互碎屑构造,其岩性多为砂砾岩和砂岩、板岩。路基土质为砂质土和粉质土,土基潮湿类型为中湿,个别路段为潮湿。土性分析实验按《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)进行,具体物理指标与颗粒成分如表 1、表 2所示,可以看出,该土为细颗粒含量较多的低液限砂质粉土,属冻胀敏感性土。

表 1 土样的基本物理指标

表 2 颗粒分析结果

2.2 试样制备

土样制备:把扰动土风干,用橡皮棒辗碎后过 2mm直径筛,然后配制成含水率为 15.2%的土样。

试样尺寸:试样直径 150mm,高度 100mm。

试样成型:按预定的压实度计算出所需的土量,分 5层装入有机玻璃圆筒内并进行击实,每一层控制高度为20mm,并控制土样总高度为 100mm。

3 试验内容及方法

3.1 试验内容

对不同冷端温度、压实度下冻结的土样,在无荷载、静荷载及动荷载条件下分别进行了开敞条件下冻胀试验。冻前含水量为最优含水量 15.2%,饱和度为 58.4%,试样底部暖端温度设置为恒温 1℃,其他参数如表 3所示。

表 3 试验设计

3.2 试验方法

在低温恒温室内,使土样在不同顶端冷却温度、不同压实度、不同动荷载作用下进行单向冻结。首先在试样内每隔20mm安装一个温度传感器,并用保温材料把试样装置包好。开启马氏补水瓶和底板排水排气阀门,待排气管内无汽泡且有均匀连续水流流出时关闭。接着把冷端与暖端温度都调节为 1℃,恒温 24h。然后调节试样冷端达到预定的温度,同时加载,使试样单向冻结。当连续 6h同一位置的温度变化很小,且冻胀变形量稳定时结束试验。试验过程中试样内部温度变化值、冻胀变形量由电脑自动采集。

4 冻胀特性分析

4.1 冻结速率对比分析

土的冻结速率是描述冻土性质的重要指标,它作为温度对土冻胀过程影响的特征指标,表示冻胀锋面的前进速度。冻结速率按式(1)计算

式中:Vf为冻结速率,mm/h;Hf为冻结深度,mm;t为冻结时间,h。图 1.a给出了不同冷端温度下(压实度 95%,动荷载值100kPa)冻结速率随时间的变化趋势。从中看出,在冷端温度不变时,土样的冻结速率随时间推移呈衰减趋势,土样冻结速率在快速冻结区最大,而在冻结过渡区逐渐减小,以后随时间推移冻结速率越来越小,最后趋近于 0。在土样冻结前 20h内,温度对冻结速率影响很大,冷端温度越低,冻结速率越大。这主要是由于冷端温度较低时,热量在土颗粒间传递加快,土样达到冻结的时间越短,从而引起冻结速率的增大。

图 1.b是不同压实度下(冷端温度 -3℃,动荷载值100kPa)冻结速率随时间的变化过程。可以看出,压实度对冻结速率的影响主要表现在前期的冻结速率上。压实度越大,冻结速率越大,这是由于土体压密后,导热系数增大的缘故。但与冷端温度的影响相比,压实度的影响较小。

图 1.c给出了不同动荷载下(压实度 95%,冷端温度-15℃)冻结速率随时间的变化趋势。可以看出,随着时间的推移冻结速率逐渐减小,最后趋于稳定。动荷载大小对冻结速率的影响也主要表现在试验初期。随着荷载值增大,冻结速率也增大。这是因为荷载对土体有压密作用,使得土体导热系数增大,冻结时间减小的缘故。

图 1.d是不同加载方式下(冷端温度 -15℃,压实度95%,动荷载值 60kPa,静荷载值 30kPa)冻结速率随时间的变化过程。可以看出,加载方式对土样初期冻结速率影响比较大。静载条件下,在冻胀初期试样被压缩,使得土样被压密,故这时的冻结速率较大。

图 1 冻结速率的影响因素分析

4.2 冻胀率对比分析

土的冻胀率也是描述冻土性质的重要指标,冻胀率按式(2)计算

式中:η为冻胀率,%;Δh为冻胀量增量,mm;ΔHf为冻结深度增量,mm。

图 2.a给出了不同冷端温度下(其他参数与图 1.a相同)土样冻胀率随时间的变化趋势。可以看出,土样的冻胀率随时间推移不断增大。冻胀率在冻结前期较小,随着冻结时间延长逐渐增大。通过对比可以看出,随着冷端温度的升高,冻胀率逐渐增大。这是由于开敞系统下,未冻土端下面有充足的水分向冻结锋面处迁移,从而有大量的水分在冻结锋面处结冰,冻胀率也急剧增大,随着冻结时间延长最终在冻结锋面处形成一定厚度的冰透镜体。

图 2.b是不同压实度下(其他参数与图 1.b相同)土样冻胀率随时间的变化趋势。从中看出,压实度越大,最终的冻胀率越小。试验证明,压实度为 0.8时路基土冻胀率最大,达到 33.6%。

图 2.c给出了不同动荷载下(其他参数与图 1.c相同)土样冻胀率的变化趋势。可以看出,随着动荷载值的增大,土样的冻胀率逐渐减小。这是由于荷载值较大时,土样产生的压缩变形量也较大,使得在试验开始初期土样中水分排出较多,减小了土样的含水量。因此,在土样冻结初期,动荷载值较大时土样的冻胀曲线的增长梯度较小。

图 2.d是不同加载方式(其他参数与图 1.d相同)下冻胀率的变化过程。可以看出,加载方式对土样的冻胀率影响比较大。无荷载条件下最终冻胀率为 10.2%,动荷载条件下最终冻胀率为 8.2%,静荷载条件下最终冻胀率为7.03%。在冻胀开始 20h后,三者的冻胀率逐渐趋于稳定。

图 2 冻胀率的影响因素分析

5 结 论

(1)冷端温度对 109国道典型冻胀地段砂质粉土填料的冻胀特性影响明显。开敞条件下,冷端温度为 -3℃时的冻胀率为冷端温度-15℃冻胀率的 5倍左右。

(2)开敞条件下,随着压实度从 0.9到 0.8逐渐减小,冻结过程中吸水量增大,冻胀率也逐渐增大。

(3)开敞条件下,随着荷载值的增大,土样初期的压缩变形量也增大,但总的冻胀变形量减小。加载方式对冻胀特性影响比较大,无荷载作用下土的冻胀率最大。

[1]徐学祖,邓友生.冻土中水分迁移的实验研究[M].北京:科学出版社,1991:35-37.

[2]陈肖柏等.砂砾料之冻胀敏感性[J].岩土工程学报,1988,21(3):23-29.

[3]陈肖柏,刘建坤等.土的冻结作用与地基[M].北京:科学出版社,2006,101-103.

[4]李述训,程国栋.冻融土中的水热输送问题[M].兰州:兰州大学出版社.1995,78-79.

[5]吴紫汪等.土的冻胀性实验研究[M].北京:科学出版社,1981,82-86.