路基土体冻胀的影响因素分析

吴凤珍

（河南应用技术职业学院，河南 郑州 450052）

路基土体冻胀的影响因素分析

吴凤珍

（河南应用技术职业学院，河南 郑州 450052）

路基土体冻胀后，在各种荷载作用下，会产生融沉、翻浆、冻胀等危害。本文对路基土体冻胀后体积变化的敏感指标——水分、土性、荷载、环境温度等进行分析，并开展了界限含水量实验、冻融实验、击实实验，从而得出影响地基土体冻胀的因素，为冻土地区路基工程的设计与施工提供有价值的参考。

路基土体；冻胀；实验分析

1 冻土

冻土是指含有冰的各种岩石和土壤，当温度在零摄氏度以下时，水分转变为结晶状态且胶结了松散的固体颗粒。冻土是一种多相体系的材料，主要由矿物骨架、有机骨架、未冻水、冰和气体等组成。冻土的组成成分会影响其构造、热力学性质、物理力学性质、冻结和融化过程。在严寒地区，如新疆、青藏的公路、铁路在建设时，地质复杂，地下冰层厚，冻胀土体较深。我国能源、交通、通讯、水利、给排水、石油输送管线等一些关系到国家发展战略的大型工程项目也建设在土性复杂的冻土地区，因此，对土体冻胀的敏感性进行分析具有重要意义。本文主要通过理论与实验的方法，分析路基土体冻胀的因素，以期为冻土地区路基工程及相关工程建设提供参考。

2 冻土的危害

在我国东北、华北、西北及青藏高原等季节性冻土地区，由于缺乏路基设计和施工的成熟经验，造成一些路段出现严重的路基冻胀现象。尤其是冬季温度较低，冻胀危害非常严重。冻土造成的工程危害主要有融沉、翻浆及冻胀。

2.1 融沉

在气温较高的春天，冻土会逐渐融化。冻土中的冰层融化，使土中的含水量大大增加，土层出现饱和，路基土承载力降低，土体在建筑物自重、外界荷载下产生下沉。路基土体若出现融沉，会造成路基边坡的失稳，严重的还会破坏路基结构。

2.2 翻浆

在冻土地区，路基在冰冻春融期，因地下水位高、排水不畅、土质不良、含水过多，造成路基湿软、强度下降。在行车荷载的反复作用下，路基出现弹软、鼓包、裂缝、冒泥浆等翻浆现象。

2.3 冻胀

土体冻胀是土中水相转变成冰相，从而引起土体积膨胀的现象。冻胀发生时，原有水分结冰膨胀，路基土中水分向冻结面不断迁移结晶，会形成各种形状的冰透镜体，导致土体积增大，最后会造成路基表面出现不均匀升高。

3 影响土体冻胀因素

影响土体冻胀的因素包括内部因素和外部因素，其中，影响最大的主要有水分、土性、环境温度及荷载等。

3.1 水分

俄罗斯学者提出了毛细管理论，该理论认为，水在毛细力的作用下，沿着土体中裂隙和冻土中的孔隙所形成的毛细管向冻结锋面迁移［1］。之后，相关学者又提出了细颗粒中的薄膜水迁移理论。

美国人泰伯提出，水分是在结晶力作用下发生迁移：大孔隙中的水形成大冰晶体，而小孔中的水还没有冻结，在结晶力作用下，水分从小空隙迁移至大空隙，导致大冰晶体逐渐增大产生冻胀［2］。美国学者基于冰的形成过程的研究，认为自然条件下土分散性、毛细管作用紧密联系，应将毛细水上升高度、地下水、土颗粒性质综合起来考虑，以此评价土的冻胀性［3］。

在冻结过程中，水分由未动区向冰冻区迁移而形成补水，加剧冻胀。当土体中的地下水与冻土体中的水位接近时，土体的冻胀性明显增强。季节性冻土区域，土体的冻结随着地下水位的加深冻胀量逐渐减小。

由上可知，土体冻胀主要是土中水的结冰冻胀。若没有水分，路基土体冻结时，土体本身就不会发生冻胀。当路基土体的含水量大于起始含水量时，土体就可能出现冻胀。

3.2 土性

对冻胀土来说，毛细作用是土中水分发生迁移的主要原因。而毛细作用渗透能力的大小又与土的粗细程度、盐含量及矿物成分有关系。地基土颗粒的粗细程度对土体的冻胀性影响非常大。当土颗粒由粗变细时，其比表面积逐渐变大，与土体中水的作用面积增大，水分迁移能力逐渐增大。在水分和其他因素相同的条件下，土的冻胀性大小为：粘土＞粉土＞细砂＞中砂＞粗砂土＞碎石土；冻胀量随细颗粒含量的增高而加大。实验表明，路基（粘性土为主）发生冻胀后，高岭土强度最高，粉质土、粘砂土次之，蒙脱土强度最低。如果路基土在施工时，粘性土中高岭石成分较高，冻胀性最大；当含水量大时，就会形成海绵土，压实困难。

3.3 环境温度

土体的温度影响其冻结深度，而土体的颗粒分散度、含水率、矿物质含量共同决定了土体的冻结温度，尤其是含水率的影响，冻结温度随着含水率升高而降低。总的来说，随着温度越来越低，土体发生结冻后，未冻结含水量逐渐减少，含冰量逐渐增加导致土体冻胀量增大。土体的温度变化对路基土的融沉、翻浆都有很大影响。

3.4 荷载

外部荷载的增加能显著抑制路基土体的冻胀。随着外部荷载的加大，土颗粒之间的空隙越来越小，密实度逐渐增大，土体中的含水量降低，土体中水的毛细作用减弱，使土中水的液、固转换降低，使土体冻害减弱。

随着路基土上敷荷载的增加，路基土的融沉变形量逐渐增大，特别是路基土中冻结深度较厚时，在交通荷载的反复作用下，引起路基土体中毛细水压力的剧烈变化，尤其是当路基土上层冰冻土在融化时，由于细粒土中毛细水的作用，路基土的翻浆、唧泥更严重。

4 实验结果及分析

本实验以粉土为例，研究土体冻胀的因素，对土样进行界限含水量实验、路基土击实试验、固结实验、冻融实验。

4.1 界限含水量测定及结果分析

为确定路基土体的状态，进行了界限含水量实验，土样的界限含水量使用液塑限联合测定仪进行实验，得到粉土液塑限测定关系如图1所示。由图1可知，粉土界限含水量的液限为160.79%，塑限为30.49%，塑性指数（液限与塑限的差值）为130.3。根据《土的工程分类标准（GB／T50145-2007）》可知，所选粉土为高液限粘土。

4.2 土的击实实验及结果分析

为控制路堤、路基的密实度及质量，测定土的最大干密度和最优含水率，对土体进行标准击实实验，击实实验使用轻型击实筒，手动进行击实，实验方法按照《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）进行，实验结果如图2所示。由图2可知，该种粉土的最大干密度为1.31g/cm3，最优含水量为33%。

图1 粉土液塑限测定关系图

图2 粉土的击实曲线

4.3 固结实验及结果分析

为测定土样的收缩与膨胀因素，一维冻融循环中采用的不同含水量、不同压实度的土样进行一维压缩实验，使用固结仪进行实验，按照《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）进行，实验结果见表1。由表1可知，对于压实度RC=0.9的土样，含水量的影响与RC=0.95、RC=1的情况具有某些相似的情况，即含水量低的情况下，粉土土样的体积在冻结过程中收缩，而含水量高的土样则呈现出冻胀现象。

表1 不同含水量下压实度

对于RC=0.9，ω=43%的土样，在冻融循环开始的前几个循环中，冻胀的现象并不明显。这主要是因为在冻融循环作用下，土样的孔隙结构发生变化，但并不明显，经过几个循环后，土样的结构变化经前期微小变形逐渐累积，使土样孔隙结构稳定，土样的孔隙比变化便主要受到温度、含水量的影响。

4.4 冻融实验及结果分析

为测定土的强度，土样在水中循环的冰冻和融化而使其破坏的承受能力，进行冻融实验，图3为土样冻融试件，图4为ω=43%土样三维冻融循环实验。

由图4可知，当含水量一定时，在冻结过程中，土样的体积膨胀，在其内部产生内应力，融化时体积收缩。路基土体的冻胀是由“膨胀因素”与“收缩因素”共同决定的。当膨胀因素等效应力较大时，土体在冻结时产生体积膨胀；反之路基土体体积收缩。

5 结语

本文对路基土体的冻胀因素从理论和实验两方面进行研究，路基土体发生冻胀后，能引起路基土的融沉、翻浆、冻胀等危害，对冻土地区的路基工程建设具有一定的参考价值。本文以粉土取样研究，实验相对简单，而实际工程中土体的成分极为复杂，影响土体冻胀的因素也极为复杂，因而本文的研究存在局限性。将来可以研究盐渍土、粘土、砂砾土等的冻胀性，以进一步了解各种土的性质，更好地理解土冻胀的机理，为实际工程提供精确地参考。

图3 土样冻融试件

图4 ω=43%土样三维冻融循环实验

［1］李向群.吉林省公路冻害原因分析及处理方法研究［D］.长春：吉林大学，2006.

［2］铁道部第三勘查设计院.冻土工程［M］.北京：中国铁道出版社，1994.

［3］Beskow G.soil freezing and frost heaving with special application to roads andrailroads［J］.Swedish Geol.Survey Year⁃book，1935（3）：375-380.

Analysis of the Influence Factors of Subgrade Soil Frost Heave

Wu Fengzhen
（Henan Vocational College of Applied Technolog，Zhengzhou Henan 450052）

After the foundation soil is frozen and expanded,under various loads,it can cause the damage,such as sinking,pulping and frost heave.In this paper,a sensitive index of volume changes of subgrade frost heaving after moisture,soil property,load and ambient temperature were analyzed,and the critical moisture content test,freeze-thaw test,compaction test,and the factors that affect the soil frost heave,and provide valuable reference for the design and construction of subgrade engineering in permafrost regions.

subgrade earth；frost heave；experimental analysis

U416.1

A

1003-5168（2017）12-0107-03

2017-11-01

吴凤珍（1985-），女，硕士，助教，研究方向：道路材料。