季冻区路基土冻胀主要影响因素对冻深的影响规律

张玉富，于天来

(1.东北林业大学 土木工程学院，哈尔滨 150040；2.黑龙江省交通科学研究所，哈尔滨 150080)

季冻区道路冻胀，主要指路基土的冻胀。冬季，路基土在冻结过程中水分积聚，沿着温度降低的方向会形成冰晶体状的霜柱，由于体积膨胀，使得路面产生隆起，这种现象，就是所谓的道路冻胀。至于路面冻胀，也是由于路基土发生的冻胀，导致路基整体产生了以竖向变形为主的冻胀变形，并非路面结构本身产生的冻胀变形。由于路面结构都是由刚性较大的材料组成，通常认为这种结构不会产生冻胀变形。如果路基发生的冻胀变形是均匀的，路面随之产生的变形也是均匀的，此时路基土的冻胀不会造成路面产生过大的危害，也就不会造成路面开裂破坏。但是由于路基土的含水量和密实度在不同季节会发生变化，相互之间有所不同，再加上各种复杂的环境因素的作用，使得大多数情况下路基土的冻胀变形都是不均匀的，产生的冻胀力也是不均匀的。路面在不均匀的冻胀变形和冻胀力的作用之下，内部会产生拉应力效应，从而形成裂缝，这就是路面在冬季容易开裂的主要原因[1-3]。可见，研究路基土的冻胀规律，控制路基冻胀变形，对于防止路面开裂，确保路面使用性能是非常重要的。

影响路基土冻胀的因素很多，也很复杂，诸如土的粒径与含量、土的矿物成分、土的密度、土中含水量、土中温度及其梯度、土中盐分、地下水、地表长期积水等等。这些因素交互作用，难以单独确定其对冻深的影响程度[1-4]。为便于工程上的应用，通常将路基冻深的影响因素归集为3类，即：土质因素—反应不同土质类型的影响程度；土的冻胀性因素—采用冻胀率指标(综合反映自然、地质、水文等各类因素的影响程度)；坡向因素—反映气候和温度等热工性能的影响程度。

为确定不同因素对路基土冻胀的影响规律，依据黑龙江省庆安冻土试验场，开展了相关的试验和观测，取得了多年的试验观测数据。庆安公路冻土科学试验场地处黑龙江省中部，小兴安岭西麓，北纬46°33′，东经127°30′，位于国家公路自然区划Ⅱ2区，临近Ⅰ2与Ⅱ1交界处。场内土质多为粘性土，地下水位多年平均值0.2～2.0 m；多年平均气温1.7℃，极端最低气温-42℃，多年平均冻结指数2 363℃·d。

通过对试验数据的分析，明确了土质、土的冻胀性和地形坡向对路基冻深的影响程度，从而提出了3种主要因素对路基冻深的影响规律。

1 土质对路基冻胀的影响规律

依托庆安冻土试验场路基试验路，开展了土质对路基冻深的影响规律研究。

1.1 路基试验路简介

庆安公路冻土科学试验场的路基试验路，选择不同土质进行填筑。试验路段施工时的控制压实度为90％～95％，控制含水量为不超过最佳含水量的±2％。在冻土试验场内对应不同的地下水位、不同的地表长期积水水位，也就是对应了不同的冻胀边界条件。结合试验路，开展的试验和观测项目包括：环境温度监测、路基内部温度监测、路基冻深观测、路基表面(总)冻胀量观测、路基分层冻胀量观测、路基不均匀冻胀量观测、路基含水量试验、路基地表长期积水水位观测和路基地下水位观测等。

1.2 不同土质的冻胀量试验结果

为研究土质对冻胀量的影响，分别进行了常见工程土质的冻胀量试验。试验的土质分别为粘土、粉土、细砂、粗砂(粉粘粒含量15％，以下简称粗砂土)及土石混合物(粉粘粒含量15％，以下简称碎石土)。取得的试验结果见表1。

表1 不同土质冻胀量观测结果

根据表1，在相同冻结条件下，各土质多年冻胀量的关系如图1所示。

图1 不同土质冻胀量观测结果示意图

从图1可以看出，多年总冻胀量平均值为：粘土199 mm、粉土178 mm、细砂109 mm、粗砂土63 mm、碎石土50 mm。数据表明，细颗粒土特别是粘性土的冻胀量大，粗颗粒土冻胀量较小，按降幂排列，各类土的冻胀量次序为：粘土>粉土>细砂>中砂>粗砂土>碎石土。

1.3 不同土质的冻深试验结果

在相同冻结条件下，填筑路基常用的粘土、粉土、细砂、粗砂土和碎石土的冻深多年观测结果见表2。

表2 不同土质的冻深观测结果(单位：cm)

根据表2，在相同冻结条件下，不同土质的冻深关系如图2所示。

图2 不同土质冻深观测结果示意图

表1及表2中数据表明，不同土质的冻深与其冻胀量的变化趋势相反，冻胀量大的土质冻深反而小，即细颗粒土冻胀量大，而冻深小；粗颗粒土冻胀量小，而冻深大。按冻深的降幂排列，各类土的冻深排列顺序为：碎石土>粗砂土>细砂>粉土>粘土。

1.4 不同土质对路基冻深的影响程度

根据图2中的观测数据，以粘性土的冻深为基准，其土质影响系数即为1，则粉性土、细砂、粗砂土、碎石土的土质对冻深分别是粘性土的1.10、1.20、1.30和1.35倍。由此得到土质对路基冻深的影响系数K1见表3。

表3 土质对冻深的影响系数

2 路基冻胀率对路基冻深的影响规律

同样依托庆安冻土试验场路基试验路，开展了冻胀率对路基冻深的影响规律研究。

2.1 路基土冻胀率的含义

由于不同地区的自然环境条件有所差异，土体产生的冻深各不相同。即使在同一地区，在不同的地点，相互之间的冻胀量差别也很大。因此，仅采用冻胀量指标进行描述，难以精确地比较各地区路基土的冻胀程度。而采用冻胀量与冻层厚度之比的相对值来表征，即可达到这一目的[5-8]。冻胀率就是单位冻结深度的冻胀量，即冻胀量与冻结深度之比，采用百分数见公式(1)：

Kd=(h/H)×100％。

(1)

式中：Kd为土的冻胀率(％)；h为冻胀量(cm或mm)；H为冻结深度，即冻层厚度减去冻胀量(cm)。

冻胀率是综合反映土体冻胀效果和冻胀能力的特性指标，是研究土冻胀过程的物理参数，是表征土冻胀时产生应力、变形的重要特征值。路基土冻胀率即冻胀量与冻结深度(冻层厚度减去冻胀量)的比率，是表征路基土冻胀性的综合性指标，可以综合反映气候、水文和地质等因素对土的冻深的影响程度。

2.2 不同冻胀率对应路基冻深的试验结果

依托庆安冻土试验场的路基试验路，取得不同冻胀率对应的冻深观测数据，见表4。

表4 路基冻胀率与冻深观测结果

观测结果表明，总体上路基土的冻深随着冻胀率的提高而降低，冻胀率越小，冻深值越大；冻胀率越大，冻深值越小。

根据表4得到路基冻胀率与冻深的关系，如图3所示。

图3 路基土冻胀率与冻深的观测结果示意图

2.3 冻胀率与路基冻深的关系

根据“中国季节性冻土标准冻深线图”[9]，查得庆安地区标准冻深值为210 cm。计算实测冻深与标准冻深之比(冻深系数)，见表5。

表5 路基冻胀率与冻深系数的关系

根据表5，得到冻胀率与冻深系数之间的关系如图4所示。

图4 路基土冻胀率与冻深影响系数的关系

按图4进行回归分析，得到冻胀率与标准冻深影响系数K的数学关系见公式(2)：

K2=0.997exp-0.024Kd。

(2)

式中：K2为路基土冻胀性(冻胀率)对冻深的影响系数；Kd灰实测土的冻胀率(％)。

2.4 冻胀率对路基冻深的影响程度

参考以往的研究成果和有关资料，可根据土质的冻胀率范围划分土的冻胀类别[10-12]，将土的冻胀性分为4类：第1类不冻胀：Kd≤1；第2类弱冻胀：15。按公式(2)计算，给出不同冻胀类别路基土对标准冻深的影响系数K2值见表6。

表6 不同冻胀率范围对路基冻深的影响系数

3 地形坡向对路基冻深的影响规律

依托庆安冻土试验场路基试验路，开展了地形坡向对路基冻深的影响规律研究。

3.1 地形坡向对冻深的影响概述

关于地形坡向对路基冻深的影响程度，目前国内外对其研究很少，很难给出一个理想的结论。通常，与平坡时的冻深相比，阳坡，即南坡，由于日照充分，吸收热量较多，冻深相对较小；阴坡，即北坡，北坡常年得不到太阳幅射，由于吸收热量较少，冻深相对较大。因此在其它冻结条件相同的情况下，阴坡的冻深要大于阳坡的冻深。对于工程界，比较一致的意见与看法是，地形坡向对冻深有一定影响，且给定的标准冻深大于南坡冻深、小于北坡冻深[13]。所以，计算路基冻深时必须考虑地形坡向对标准冻深的修正，取用标准冻深计算路基冻深时一定要对其地形或坡向进行修正，通常南坡取小于1的系数，北坡取大于1的系数。

3.2 地形坡向对冻深影响的试验结果

依托同为庆安地区的绥庆(绥陵-庆安)公路及周边砂石路，对平坦、阳(南)坡、阴(北)坡冻深进行了观测，得到数据见表7。

表7 不同坡向冻深观测结果

通过表7可以看出，地形坡向对路基冻深的影响符合“阳坡小、阴坡大”这一规律。

3.3 地形坡向对冻深的影响程度

根据阳(南)坡、阴(北)坡冻深与平坡冻深的比值，推荐地形坡向对冻深的影响系数K3，体现了地形坡向对路基冻深的影响程度见表8。

表8 地形坡向对冻深的影响系数

4 不同因素对路基冻深影响规律的应用

不同因素对路基冻深的影响规律研究成果，主要用于计算路基的实际冻深，因其是通过对标准冻深修正计算得到的，也称为“路基计算冻深”。这一计算结果是确定路基换填深度，以及确定路面抗冻厚度不可缺少的数据，是公路防冻设计的主要依据。

常规的路基实际冻深的计算是采用对标准冻深进行修正的方法。可以依据不同因素对路基冻深的影响程度实现对标准冻深的修正。标准冻深是指在标准条件下(地形平坦、祼露无复盖、粘土、非冻胀)，多年实测最大冻深平均值，在此推荐使用“中国季节性冻土标准冻深线图”，其值相当于气象台站在标准条件下观测的多年最大冻深平均值。考虑到路基填土与当地的土质等条件密切相关，路基标准冻深参考这一数值进行取用。

路基标准冻深的修正计算见公式(4)：

Zd=Z0K1K2K3。

(4)

式中：Zd为路基计算冻深(cm)；Z0为“中国季节性冻土标准冻深线图”标准冻深(cm)；K1为路基土质对标准冻深修正系数；K2为路基土冻胀性对标准冻深修正系数；K3为地形坡向对标准冻深修正系数。

以庆安地区的标准冻深210 cm为例，粉性土，冻胀率为4％，阴坡的计算冻深为：

Zd=210×1.10×0.90×1.05=218.3(cm)。

计算结果表明，这种条件下粉性土路基的实际冻深大于标准冻深，路基换填深度或路面抗冻厚度均要有所提高。

上述应用，充分体现了不同因素对路基冻深影响规律的实用价值。

5 结束语

(1)针对影响路基冻深的主要因素，开展了土质、土的冻胀率和地形坡向与路基冻深关系的试验研究。

(2)根据试验结果，系统研究了土质、土的冻胀率、地形坡向对路基冻深的影响规律，确定了不同因素对路基冻深的影响程度，提出了土质、冻胀率、地形坡向对路基冻深的影响系数。

(3)关于不同因素对路基冻深的影响规律研究成果，适用于计算不同条件下路基土的实际冻深，为路基换填、路面抗冻厚度设计提供依据。

【参 考 文 献】

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