季节性冰冻地区土基回弹模量影响因素分析

雷明轩，支喜兰，毛雪松，侯仲杰，刘国田

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安710065;2.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安710064)

0 引言

路基顶面在应力作用下抵抗变形的能力一定程度反映了路基抵抗外荷载的能力。土基回弹模量为路基土在弹性变形范围内，在竖直荷载作用下，抵抗外界变形的能力。Simonse等对冻融循环作用下，不同土质的路基土试件进行了回弹模量试验，发现不同土质的土在冻融循环作用后，其回弹模量值都变小［1］。Maria等认为冻融作用对粘聚力有较大影响［2］。博格等认为土质和含水率对土基回弹模量有一定程度影响，当温度小于-2℃，冻土回弹模量值比融土回弹模量值大2～3倍［3］。Isacsson通过冻融循环作用下土的三轴试验，得出冻融作用影响土的弹性模量，而有侧限围压对弹性模量无影响［4］。

现有路面结构设计规范中，一般采用路基回弹模量反映路基力学性能。路基回弹模量作为国内路面设计规范的重要力学参数，国内外对季节性冰冻地区路基模量影响研究较少，有必要对季节性冰冻地区路基回弹模量影响因素进行研究。影响路基回弹模量的因素有土质、含水率和压实度，季节性冰冻地区尤其要考虑冻融作用的影响。本文通过分析季冻地区土基回弹模量的影响因素，为室内试验提供理论依据，为季冻区路基设计和施工提供依据和参考。

1 土质

不同土质土基回弹模量有较大的区别。特别对季节性冰冻地区，冻融循环过程会影响路基土颗粒间的结构形式。细粒土尤其在粉土、粉质粘土中，水分迁移聚集在冻结时更为强烈，因此冻胀现象最为严重。由于此类型土体具有很显著的毛细现象，速度快，上升高度大，同时拥有畅通的水源补给通道，且此类土颗粒较小，表面能大，土颗粒亲水性强，能持有比较多结合水，使大批结合水迁移和聚集。粘土虽具有很厚的结合水膜，由于毛细孔隙小，对水分迁移阻力较大，并且不具有足够的水源补给，因此粘土的冻胀性比粉质土小。

反复冻融循环作用后，细粒土中的粉土颗粒含量明显增高，这是不同季节冻结和融化的显著特征。土的粉粒化，使土的冻胀性大幅度增强。路基土中粉土颗粒增高是由于在冻结过程中粘性土的胶体颗粒和粘粒正进行物理、化学作用并发生凝聚，从而形成次生粉土微集合体。当粉质土颗粒含量增大，会增大路基土冻结层的冻胀量，并改变路基土结构形式，从而进一步影响路基土的力学性能。

粘质土、粉质土、粘土质砂、粉土质砂和砂土为季节性冰冻地区典型五类土。规范规定:抗冻性较强的土应填在较高层位，填筑同类土总厚度不应低于600 mm，不同类型土的冻胀性不同，宜分层填筑［5］。

含水率变化对粘土回弹模量影响较大。在压实度和应力级位相同的情况下，粘土的含水率从小于最佳含水率3%增加至最佳含水率，回弹模量值最低减少至原有值的34%;粘土的含水率从小于最佳含水率3%增加至大于最佳含水率3%，回弹模量值最低减少至原有值的12%。含水率变化对粉土和砂土回弹模量的影响也较大。在应力级位和压实度相同的情况下，粉土的含水率由小于最佳含水率3%增加至最佳含水率，回弹模量值最低减少至原有值的61%;粉土的含水率从小于最佳含水率3%增加至大于最佳含水率3%，回弹模量值最低减少至原有值的34%。砂土的含水率从小于最佳含水率3%增加至最佳含水率，回弹模量值最小下降至原有值的65%;砂土的含水率从小于最佳含水率3%增加至大于最佳含水率3%，回弹模量值最小降低至原有值的43%［6］。

各国学者均研究表明:土冻胀性与土的粒径和级配有重要联系，当粉粒组成占主要比例时，冻胀性最大;当粘粒含量占主要比例时，水与土粒发生作用，土体渗透性大幅度降低，从而影响正冻水分的迁移积聚，故冻胀性下降。

通过调查研究显示，路基土中颗粒粒径越小，受冻融作用影响越大。粘性土中粘土颗粒粒径较小，土的塑性指数(Ip)是粘性土重要的物理指标之一，土的塑性指数随粘粒含量的增大而增大。季节性冻土东北地区，路基基层多为粉质粘土［7］。

2 含水率

若干密度不变，含水率每增加1%，路基回弹模量平均下降5.6%～11%，同时考虑到含水率增加，干密度会随之降低，则回弹模量平均降低大于5.6%～11%。尽管低含水率土强度高，但随着含水率逐渐增加，土体的回弹模量下降速度较快。土基回弹模量降低幅度与土体含水率降低幅度成正比，含水率越低，土体稳定性越差。因此，一般要求路基土在最佳含水率附近时压实，可达到最大干密度值［8］。根据相关资料和调查显示，公路竣工初期含水率变化范围为10%～20%，通车运营几年后路基土含水率变化范围普遍为15%～35%，比公路竣工初期增长5%～10%［9］。在相同压实度和土质的条件下，路基回弹模量与含水率成反比，含水率平均每增加1%，路基回弹模量降低2 MPa［10］。Pnig对美国南部佛罗里达州5种路基土，分别进行最佳含水率、土体饱水状态、土体疏干状态下的路基土回弹模量试验研究。结果表明从土体饱和状态到疏干状态，路基回弹模量受含水率影响较大，回弹模量增加了3～5倍。根据以上国内外研究表明，试件回弹模量受含水率影响较大，因此含水率是影响路基回弹模量的最重要因素［6］。

在季节性冰冻地区，路基土中含水率起到土颗粒间润滑剂作用，而在冻融循环作用下，土颗粒间联接力和土体孔隙率均受到含水率的影响，含水率较高时，水分充满于土颗粒间孔隙，但在冻结过程中，首先土颗粒间孔隙水分冻结膨胀导致孔隙体积增大并损坏原有土颗粒间的联结形式;其次未冻结区中水分迁移至冻结区并冻结成冰，会更增强冻胀作用对土强度的影响。

路基含水率是随一年四季降雨量、蒸发量和气温的周期性变化而发生变化。自然界的水分采用不同途径浸入路基中，这些水分在路基中不断地进行规律性的迁移，最终在自然状态下竣工后的路基土含水率形成一个新的平衡。路基施工通常在最佳含水率正负2%之间进行压实，但公路运营通车多年后路基土的含水率会较竣工时有较大增长，即路基湿度大幅度增大。因此，根据以上分析得到路基土含水率变化大约在8%～25%［11］。

3 压实度

路基变形引起道路破坏占到所有道路损坏的80%，而影响路基变形的关键因素是路基强度的大小，因此路基土的压实为路基施工中的一个关键工序，同时也是提高路基稳定性与强度的根本技术手段。充分压实能够使路基的密实度大幅度提高，对提高公路整体强度有非常重大的意义。有相关资料表明，压实度从99.5%减少至89.6%，路基回弹模量减少了67.8%，压实度平均每降低一个百分点，路基回弹模量值降低6.8%。在最佳含水率条件下，压实度水平大致范围为90%～100%，比如黄土回弹模量与试件干密度成正比，随着干密度的增大而增大;压实度在变化范围为95%～98%时，土基回弹模量随压实度增长而增长幅度较大速度较快［8］。

在最佳含水率、同等应力情况下，压实度对砂土回弹模量的影响较小，对粘土和粉土回弹模量影响较大，例如当压实度从96%降低至90%，粘土的回弹模量最小减小至原来的65%，粉土的回弹模量最小减小至原来的70%［6］。尤其对季节性冰冻土，压实度是引起回弹模量变化的重要因素，其直接影响土颗粒间的联结形式，较大的压实度可以减小土颗粒间孔隙体积，进一步加强土颗粒间的固—固连接型式，使冻胀能力在冻融循环作用中能力增强。路基设计规范中规定:高速、一级公路0～80 cm范围内路基，其路基压实度要求达到96%以上［12］。

相关资料表明，未饱和的细粒土中有个对冻胀性异常敏感的密度值，在这个密度值下继续进行压实试验，冻胀性成比例地下降，当达到室内标准击实试验的最大干密度时冻胀下降为零;试验显示:压实度范围为80%～90%的土体冻胀率最大，表明路基压实度越高其抵抗冻结能力越高，同时考虑土质、含水率、冻结深度、技术经济及限制条件等因素，可从上层向下压实度逐渐降低，高速、一级公路在冻深范围内路基最底层不应小于90%，个别困难路段路基压实度可相应降低1%～2%［13］。

4 冻融循环作用

路基土的冻融循环作用是冻土力学和实际工程运用中的重要研究方向。在季节性明显的冻土区，冻融循环作用对路基有较大的破坏作用。正冻土中水分由上而下，从地表开始逐渐向下冻结，未冻土中的水分从未冻土区域向冻融临界面和冰冻区迁移聚集并冻结，并土颗粒间水分从结合水状态转为固态冰，其体积膨胀引起结构疏松，这将增大土颗粒间的间距，冻融作用后土体状态如图1。

图1 冻融作用后土体状态

固态冰沿竖直方向排列胶结，因而路基土基模量较高。但季节性冻土随着温度回升逐渐融化，并随大气温度的变化，从地表垂直向下逐渐融化，同时路基上部正融土中的水分不断地向下迁移聚集，而下部路基基层仍处于冻结状态;当冻土胶结物从固态变为液态时，冻胀力同时也消失殆尽，水分在冻结过程中朝地表方向逐渐迁移;而在融解过程中逆向迁移，土颗粒间重新进行排列组合［14，15］，这使路基土的孔隙特征发生较大的变化［16］，土体的孔隙特征变化又必然引起土体的骨架特征相应发生改变，导致传力骨架发生内部位移，并造成其结构性的变化，从而使土体力学性质产生改变。土颗粒以自重条件下下降、土颗粒间产生竖向压力、结合水作用下，土颗粒间产生的胶结力互相靠近等不同的下降组合形式如:重新进行组合［17］。而已融土要恢复为土体冻结前的回弹模量不易，由于冻融循环作用是个不可逆转的过程。因此季节性冰冻区道路设计时，要在充分考虑冻融作用前后土体物理特性和其力学性质变化的基础上，确定路基土承载力及其强度设计。

候恩创通过研究得出:路基土颗粒之间的联结力会随冻融循环作用而被逐步削弱，从而土的密度降低，土颗粒间粘聚力和土基回弹模量减小，同时含水率增大、压实度减小使回弹模量下降幅度增大。土颗粒间粘聚力和土基回弹模量随着冻融循环次数增加而逐渐减小，但在三个冻融循环期后逐渐趋于稳定［18］。有调查研究显示，土体的剪切强度在反复冻融作用下有大幅度地降低，同时得出一次冻融循环后强度下降程度较为明显，之后冻融循环随次数增加其强度下降程度逐渐减少［7］。通过研究发现，试件通过较慢的冻结过程，水分凝结成冰后的体积骤增，土颗粒间粘聚力被破坏，试件体积急剧增加，试件内部有细小裂隙，这均是导致冻融循环后试件回弹模量下降的原因。因此冻融作用周期对土的力学性质有一定程度弱化作用。

尤其对季节性地区冻土，存在冻结和融化的过程，而回弹模量受反复冻融作用的影响较大，同时冻融土的力学性质也有较大的变化;冻融循环作用对土体结构有弱化作用，土样回弹模量在冻融后有不同程度地降低［19］。

我国北方地区大多属于季节性冻土区，如西北、华北、东北等季节性冰冻地区。西北季冻区全年四季分明，多为半湿润半干旱季风气候;华北季冻区多为季风型大陆性气候，四季分明，季风明显，春季多风、干燥，夏季多雨温热，秋季温度适中，冬季严寒少雪;东北季节性冻土区，春季多干旱、大风，夏季多雨炎热，秋季凉爽，冬季酷寒，年平均气温范围为8～10℃，历史最高日气温为34℃，历史最低日气温为-22℃，最大冻深为1.2 m，年平均降雨量为550～650 mm，降雨集中于7、8月。新疆季冻区空气干燥、昼夜温差较大、日照充沛、植被稀少、蒸发量大、降雨量少。通过相关调查研究显示，冻融循环作用大于10次后，除含水率较大的试件融沉量未收敛外，其余均已逐渐趋于稳定值［7］。

5 结论

本文针对季冻区回弹模量，在前人调查研究基础上，分析了季冻区土质、含水率、压实度、冻融作用对土强度的影响及变化范围，提出了季节性冰冻地区冻融循环作用下，室内试验冻融循环次数，为季节性冰冻地区冻融循环作用下路基土回弹模量的合理确定及下一步进行大量室内小型试件试验提供了理论依据，并为季节性冰冻地区路基设计提供参考和依据。结合我国季冻区实际情况，得出如下结论:

1)在季冻区，土粒径越小，受冻融作用影响越大。当粉粒含量占主要比例时，土的冻胀性最大。因此建议室内试件冻融循环试验塑性指数为小于17的粉质粘土与大于17的粘土。

2)土的回弹模量受含水率影响较大。土样回弹模量与含水率成反比，即土含水率越低对应土的回弹模量越高。运营通车一段时间后路基土含水率约为15%～35%，比初期增长5%～10%。

3)土的回弹模量受压实度影响也较大。在季冻区土质在压实度为80%～90%时冻胀率最大。表明路基抗冻性与压实度成正比，即压实度越高抗冻性越好，同时考虑诸多因素，可从上层开始压实度逐层降低。

4)针对季冻土，回弹模量受反复冻融作用影响较大，且反复冻融循环作用对冻融土的性质亦有较大影响。通过本文分析得到三、四次冻融作用后土强度衰减不强烈，而冻融循环超过10次以后，土强度趋于稳定状态。因此建议室内试件冻融循环试验次数为12～15次。

［1］Simonsen，E.，Ja noo，VC.Resilient properties of unbound road materials during seasonal frost conditions［Z］.ASCEJ，Cold Regions Eng.，1999.

［2］Maria，Hohmann-Porebska.Microfabric effects in frozen clays in relation to geotechnical parameters［J］.Applied Clay Science，2002，21:77–87.

［3］Berg，L.，Bigl，S.R.，Stark，JA.，Durel，GD.Resilientmodulus testing ofmaterials from Mn/ROAD，Phase 1［Z］.USA Cold Regions Research and Engineering Laboratory，CRREL Report，1996.

［4］simonesn E，Isacsson U.soil behavior during freezing and thawing using variable and confining pressure triaxial tests［J］.Canadian geotechnical joumal，2001，38(4):863-875.

［5］JTG F10-2006，公路路基施工技术规范［S］.

［6］凌建明，陈声凯，曹长伟.路基土回弹模量影响因素分析［J］.建筑材料学报，2007(4):446-45.

［7］邴文山译.道路冻害与防治［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1991.

［8］付丽红，曹海利.黄土路基强度控制指标试验研究［J］.路基工程，2008(2).

［9］霍明，丁小军，台电仓，等.高速公路既有路基湿状态及稳定性评价研究［R］.西安:中交第一公路勘察设计研究院，2009.

［10］武红娟，徐伟，王选仓.土基模量随季节变化规律及其数值的确定［J］.工程地质学报，2008，16(1).

［11］覃绮平.土基回弹模量影响因素及其相关关系研究［D］.西安:长安大学，2005.

［12］JTG D30-2004，公路路基设计规范［S］.

［13］吉林省交通厅.公路工程抗冻设计与施工技术指南［M］.北京:北京大学出版社，2006.

［14］Yong R N，Roonsinsuk P.Alteration of soil behaviour after cyclic freezing and thawing［C］.In:Proe.of Fourth International Symposium on Ground Freezing.Sapparo:［s.n］，1985.

［15］Konrad J.M.Physieal proeess during freeze-thaw cycles in clayey silts［J］.ColdRegions Science and Technology，1989，16(3):291-303.

［16］齐吉琳，张建明，朱元林.冻融作用对土结构性的影响的土力学意义［J］.岩石力学与工程学报，2003，22(S2):2690-2694.

［17］林世文，包俊超，兰荣旺.冻融试验研究［J］.岩土工程技术，2001(3):161-164.

［18］侯恩创.冻融循环对路基土物理力学性质影响的研究［D］.哈尔滨:东北林业大学，2009.

［19］齐吉琳，马巍.冻融作用对超固结上强度的影响［J］.岩土工程学报，2006，28(12):2082-2086.