寒区高速公路路基填料冻胀特性的试验装置及方法

赵守全 韩 侃 王伟星 王 瑜

(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000；2.青海省冻土与环境工程重点试验室，青海 格尔木 816000)

共和至玉树高速公路(见图1)是我国在青藏高原多年冻土区的第一条高海拔、高寒地区修筑的高速公路，它的成功修建，为我国冻土区的工程事业铸就了一座丰碑。其作用是连接省会西宁与青海省南部地区的一条重要通道，为青南地区的建设提供坚强的交通保障，同时也是玉树地区灾后重建的重要后勤保障通道[1]。

图1 共玉高速公路地理位置走势示意图Figure 1 Geographical position and trend sketch of gongyu expressway

共和至玉树高速公路全线平均海拔在4 100 m以上，深处内陆高原腹地，海拔高，受海洋季风影响较微弱，属典型的高原大陆性半干旱气候类型，气候严寒，地理和水文地质条件复杂，全长635.61 km，冻土路段总长度为360.0 km，占线路总长的56.6%。季节冻土路段长度132.23 km，多年冻土路段长度227.77 km，多年冻土路段(见图2)高含冰量(富冰、饱冰冻土、含土冰层)路段92.45 km，占40.6%，低含冰量(少冰、多冰冻土)路段127.76 km，占56.1%，多年冻土隧道段长7.56 km，占3.3%[2-3]。

图2 共玉高速公路冻土区域分布示意图Figure 2 Diagram of regional distribution of frozen soil on gongyu expressway

项目区段内高温高含冰量路段所占比重大，多年冻土发育，工程地质条件极差，不良地质条件突出，在如此复杂的水文和地质区段修筑高速公路，当前我国尚无先例。因此，提高冻土区路基的稳定性成为了保证我国第一条多年冻土区高速公路良好运营的最基本条件。

冻胀融沉是多年冻土路基稳定性的重要影响因素[4]。早在17世纪后期，人们就已经注意到冻胀现象，直到1925年，关于冻结方面的首次会议在瑞典召开，交换和讨论了有关冻胀及冻结现象的不同见解，随后冻胀研究才在世界范围内逐渐开展，在当时此类研究以得出减轻或防止冻胀措施为目标。美国科学家Taber[5]通过使用冻结时体积缩小的液体进行了大量试验，证明了冻胀现象的主要原因是冻结过程中发生的水分迁移作用，而不仅仅是依赖于土中水冻结的体积膨胀。

1982年，吴紫汪等[6]通过对土的冻胀机理，水分迁移动力及变化规律进行研究，为道路工程和建筑工程发生冻胀的原因、分类以及从理论上为冻害防治方案的制定奠定了基础。据此，我国学者通过对由土体冻胀而引发的路基病害的原因机理深入研究，提出了饱水条件的粗颗粒土冻胀分类的临界值是12%粉粘粒含量，即当土体中的粉粘粒含量小于总量的12%时，土体的冻胀率将不大于2%，而当土体中的粉粘粒含量大于12%时，土体的冻胀量会显著增大。

根据共玉高速多年冻土区路基稳定性要求，开展了“共和至玉树公路多年冻土区路基填料试验研究”，通过对共玉树高速多年冻土区路基填料的现场调研和室内外试验，制备了“一种测试填料冻胀特性的试模”(ZL201520184871.3)，以及使用这种试模对填料进行冻胀特性试验的试验方法，申请了“一种填料冻胀特性的试验装置及试验方法”(201510140669.5)发明专利，为以后多年冻土区高速公路路基填料冻胀特性的测定和试验工作奠定了良好的基础。

1 冻胀特性的试验装置及方法研究背景

1.1 背景研究

冻胀是由于土中水的冻结和冰体的增长引起土体膨胀、地表不均匀隆起的作用[7]。冻胀的原因包括土中原有的水结冰体积膨胀；同时也包括土冻结过程中下部未冻结土中的水分迁移并向冻结面富集，水分相对集中，水与土粒分异形成冰透镜体或冻夹层，使土体积膨胀[8]。冻胀特性的研究可以为冻土地区的建筑、公路的修建提供相关参数，以避免或减轻因冻胀产生的破坏。

虽然《公路路基设计规范》[9]规定多年冻土路基填料要充分考虑其冻胀敏感性，研究其冻胀特征，以保证路基强度，达到提高路面结构的稳定性和抗冻胀能力目的。但这一规范并未对寒区公路路基填料的颗粒范围做出规定。

1.2 技术指标和要求

《公路路基设计规范》规定“多年冻土区路基填料设计应充分考虑填料的冻胀特性，优先采用卵石土或碎石土作填料，严禁使用细粒土(粘质土和砂质土)和富含腐殖质白土及冻土”。填料的粒径是影响其冻胀特性的主要因素，因此多年冻土区路基需要采用较粗颗粒的填料。其次，规范对路基压实度还做了规定，在保证压实度的情况下，只有通过试验的方法，准确模拟路基填料的实际状况，取得路基填料的冻胀特性指标，才有可能有效抑制路基冻胀破坏的发生。

在实际工程中一般是根据施工地取材料情况决定填料，从施工现场的情况来看，冻土区公路填料其实际的颗粒主要为2.36～19.0 mm，而且要控制0.075 mm粒径以下的含量。

《公路土工试验规程》[10]关于测试冻胀率的方法主要适用于原状的及扰动的粘质土(大于0.075 mm的质量少于或等于总质量25%)和砂质土(0.075～2.0 mm粒径的质量大于总质量的50%，且大于60 mm的质量少于或等于总质量的15%)。测试冻胀率的方法规定原状和扰动的粘质土、砂质土的试样高度都为50.0 mm，在进行粗填料冻胀特性实际测试的过程中，发现50.0 mm的试样高度太低，试模容积太小，所装试样的质量太少，根本无法保证填料的均匀程度，不能反映冻土区实际路基填料的真实性，这样做出的试验数值根本不符合实际情况。在冻土区路基填料优先采用粗填料，粗填料的颗径主要为2.36～19.0 mm，显然目前关于测试冻胀率方法的适用范围不适用于多年冻土路基填料的冻胀试验。

在需要开展路基填料冻胀特性试验时首先要解决试样的代表性问题，使其能适用和代表现场实际使用的公路路基填料；其次在冻胀试验中需要考虑压实的因素，通过相关试验得出客观的结论，指导冻土区道路、建筑的工程实践。这一点对青藏高原的多年冻土地区的公路建造是必须首先解决的问题。

从理论上讲，进行冻胀试验的试样几何尺寸越大，所容纳的填料质量越大，其代表性越好[10]。但在实际的试验中是无法考虑用这种方式解决问题，一方面巨大的试样造成的经济压力将使试验无法负担，另一方面也无法对巨大的试样实施冷冻作业和压实处理，实现相应的试验。

寻找一种具有客观代表性的可适用于公路路基填料冻胀试验，特别是多年冻土区公路填料冻胀试验的试样和可适用于对公路路基填料进行冻胀试验的方法是必须要解决的问题，在这一前提下，研制一种可适用的试样制备模具同样也是需要解决的重要任务。

2 填料冻胀特性的试验装置及试验方法

《公路土工试验规程》中关于公路工程用土颗粒进行了分类，分为巨粒组(粒径大于60 mm)、粗粒土(粒径大于0.075 mm且小于60 mm)、细粒组3个组类。粒径组成对路基土冻胀性的影响主要取决于颗粒与水作用的能力，土的粒径由大变小时，其比表面积之和由小变大，颗粒与水的作用及土在冻结过程中水分迁移的能力也随着加大，冻胀特性随之增加[11]。因此在研究路基填料冻胀特性时，首先要对填料进行颗粒分类。

相关研究成果表明[12-16]，填料粒径小于2.36 mm的为冻胀敏感性强粒组；填料粒径在2.36～19.0 mm的为冻胀敏感性较强粒组；而填料粒径在19.0～37.5 mm的为冻胀敏感性较弱粒组，可不考虑。据此，根据填料冻胀特性测试要求，将路基填料按照粒径进行了分类：

a.细填料：颗粒最大粒径不超过4.75 mm，粒径不大于2.36 mm的占总质量的50%以上，包括各种黏质土、粉质土、砂和屑为细填料。

b.粗填料：颗粒最大粒径不超过26.5 mm，粒径大于2.36 mm且不大于19.0 mm的质量占总质量的50%以上，包括砂砾土、碎石土、级配砂砾、级配碎石。

2.1 试样

为了使路基填料试样具有代表性，按照项目研究要求，根据现场实际调查的具体情况，选取共玉高速公路多年冻土区段内的7处料场进行了取样，分别编为试样A、B、C、D、E、F、G共7组，将7组试样用筛析法进行了颗粒分析试验，试验结果详见表1。

表1 填料颗粒组成表[12-16]Table 1 Filler particle composition table[12-16]粒径/mm19.0-26.59.5-19.02.36-9.5A填料———B填料———C填料———D填料5.39.344.6E填料7.719.545.9F填料9.213.040.3G填料14.020.343.02.36-0.60.6-0.075<0.075分类名称15.439.844.8细填料10.249.440.4细填料9.543.646.9细填料25.18.27.5粗填料10.810.83.3粗填料24.97.94.7粗填料10.18.93.7粗填料

根据表1的试验结果，分别对7组填料试样通过前述方法进行了分类，试样A、B、C 3组为细填料，试样D、E、F、G 4组为粗填料。通过对7组试样的颗粒分析试验数据进行分析，分别计算出了每组填料试样小于某粒径土的累积含量以及占总土量的百分数，并将试验结果绘制成了土的粒径级配累积曲线，如图3所示。

图3 土的颗粒级配累积曲线图Figure 3 Cumulative plot of grain size distribution of soils

2.2 试验仪器

颗粒分析试验主要仪器有分析筛、细筛、天平、振筛机、研钵、瓷盘、毛刷等。试样制备所用仪器有试模、土工刀、烘箱、保温桶、击实仪、数显液压万能试验机等。冻胀试验装置由试样筒、恒温箱、温度控制系统、温度监测系统、补水系统和变形监测系统组成[17]。温度控制系统由DW-B型低温外循环水浴组成，提供试验所需的顶板温度。温度监测系统由热敏电阻传感器、温度计、数据采集仪(见图4)和计算机组成，监测试验过程中土体内部温度和恒温箱内温度的变化。补水系统为恒定水位的供水装置，通过塑料软管与试样底板相连，开放条件下，试验土体通过毛细作用吸水。变形监测系统通过百分表测量试样土体的冻胀量，最小分度值为0.01 mm。各项试验设备均满足国家有关标准规范规定的计量校准和鉴定要求。

图4 冻胀试验仪器装置Figure 4 Frost heave test apparatus

2.3 试验步骤及方法

a.对填料试样进行烘干，烘干完成后，用方孔筛把试样按后述方式进行分类：颗粒最大粒径不超过4.75 mm，粒径不大于2.36 mm的占总质量的50%以上，包括各种黏质土、粉质土、砂和屑，为细填料；颗粒最大粒径不超过26.5 mm，粒径大于2.36 mm且不大于19.0 mm的质量占总质量的50%以上，包括砂砾土、碎石土、级配砂砾、级配碎石的为粗填料。

b.将分类制备出两类受试填料分别按实验要求的含水率加入水混均，然后装入保湿桶内，放置24 h，让试样充分吸收水分，再将受试填料按粒度分类分别放入模具中压制，使其达到要求的压实度，得到受试试样，其中：细填料试样试样的直径×高=φ100 mm×50 mm；粗填料试样的直径×高=φ100 mm×100 mm。

c.将经上一步骤得到的受试试样放置于恒温箱内，试样的一侧顶、底面内分别插入温度传感器，试样的另外一侧顶、底面内插入水分传感器，并设置测试试样高度的千分表。

d.开启恒温箱、试样顶面冷浴，设定恒温箱冷浴温度为-15 ℃，箱内温度为1 ℃，顶面冷浴，设定冷浴温度为1 ℃。

e.试样恒温6 h，并监测温度、水分和变形，待试样初始温度均匀达到1 ℃以后，开始试验。

f.顶面温度调节到-15 ℃并持续0.5 h，让试样顶面冻结，然后将顶面温度调节到-2 ℃，以0.2 ℃/h速度下降。同时开启温度监测系统、水分监测系统及补水系统，保持恒温箱温度均为1 ℃，每隔1 h记录变形量1次，试验持续72 h。

g.试验结束后，迅速取出试样，量测试样高度和质量。

h.结果整理。

按下式计算冻胀率：

式中：ηf为冻胀率,%，计算至0.01;Δh为试样总冻胀量,mm;Hf为冻结深度(不包括冻胀量)，mm。

3 填料冻胀特性试验研究

按照前述填料分类标准，可使分类的填料同时满足规范中规定的适用范围，本项目中采用的试样直径和高度相同，采用以前的试模，无法满足现有试验中关于试样压实度的条件。为证实前述分类的合理性，在确定路基填料分类的基础上，对各类填料采用了多种不同几何尺寸的填料的冻胀试验的进行相应试验，以确定合适使用、具有良好代表性、几何尺寸最小的试样。

3.1 冻胀试验

在完成前述工作的基础上，按照具体试验步骤方法先对细填料冻胀特性进行了实测试验。项目选取3组细填料A、B、C进行了6组实测试验，6组试样直径(100 mm)和高度(50 mm)相同，详细细冻胀试验结果见表2。

从细填料冻胀试验结果可以看出，3个原状土填料试样，《公路土工试验规程》测试冻胀率的方法主要选取小于颗径0.075 mm的颗粒进行试验，这样所测得的冻胀率数值非常大，3个原状土试样的冻胀率都超出《冻土地区建筑地基基础设计规范》[18]胀性分组表中最大冻胀率(12%)的2倍之多，不能真实反映填料的冻胀特性。

表2 细填料冻胀试验数据汇总表[12-16]Table 2 Summary of frost heave test data for fine packing[12-16]试样编号试样状态含水率/%分类名称冻胀率/%A填料原状土15.1细填料27.1B填料原状土18.6细填料29.9C填料原状土13.0细填料25.6A填料压实度93%15.1细填料13.5B填料压实度93%18.6细填料12.4C填料压实度93%13.0细填料12.9

又对3组细填料按压实度93%制样以后进行实测试验，从表2中可以看出，冻胀率虽有所降低，但却能真实反应3个填料试样为强冻胀性(冻胀率>12%)填料的这一特性。6个细填料冻胀率试验测试结果对比情况见图5。

图5 细集料冻胀率测试结果对比图Figure 5 Comparison chart of frost heave test results of fine aggregate

通过对6个细填料冻胀率试验数据进行对比分析，从图5中可以看出，在测试冻胀率的试验中增加了压实度的因素，可更符合细填料在路基中的状态，研究结果表明，采用本试验装置和方法测试填料的冻胀特性是切实可行的。

随后，按照上述方法对4组粗填料D、E、F、G冻胀特性也进行了试验。试验分别选取了3组同直径(100 mm)、不同高度(50、100、150 mm)、相同压实度(93%)进行了测试，共进行了12次粗集料冻胀率试验，详细冻胀试验结果见表3。

表3 粗填料93%压实度冻胀试验数据汇总表[12-16]Table 3 Summary table of frost heave test data of 93% compactness of coarse packing[12-16]试样最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)ϕ50 mm冻胀率/%ϕ100 mm冻胀率/%ϕ150 mm冻胀率/%D7.92.215.7110.6815.47E7.22.304.6510.5414.46F6.52.183.998.2713.29G7.92.235.059.0513.83

表3试验结果表明，在压实度93%的情况下，各种粗填料的最大干密度、最佳含水率已通过击实试验确定的情况，试样高度50 mm的粗填料冻胀率为3.99%～5.71%(冻胀等级)，试样高度100 mm的粗填料冻胀率为8.27%～10.68%(强冻胀等级)，试样高度150 mm的粗填料冻胀率为13.29%～15.47%(特强冻胀等级)，3个不同的高度试样，在试验条件相同的情况下，结果却差3个等级(冻胀、强冻胀、特强冻胀)。12组粗填料冻胀率试验测试结果对比情况见图6。

通过对12组粗填料冻胀率试验数据进行对比分析，发现50 mm高的试样高度太低，质量太少，粗填料比细填料的粒径大，需要的试件质量也多，试件质量太少就会使现大颗粒无法均匀分布，出现填不实的情况，这样和试样和不实际情况符，试验结果没有代表意义。100、150 mm高度的在试制过程中能满足试件均匀问题，但150 mm的高度试验结果偏大，和细粗料在同一冻胀等级(特强冻胀等级)，也不符合实际情况。因此，确定100 mm为粗填料冻胀特性试样最适宜的高度。

图6 粗集料冻胀率测试结果对比图Figure 6 Comparison chart of frost heave test results of coarse aggregate

经“青海省冻土与环境工程重点试验室”近几年间数百次冻胀试验后最终确定：细填料试样几何尺寸为直径×高=φ100 mm×50 mm；粗填料试样几何尺寸为直径×高=φ100 mm×100 mm。《共和至玉树公路多年冻土区路基填料试验研究》项目相关试验研究表明，对相应类别的集料采用上述试样几何尺寸可以得到最佳的、完全有代表性的试验结果。

3.2 测试填料冻胀特性的试模

根据项目研究结果，在确定路基填料冻胀试验试样尺寸的基础上，设计出了“一种测试填料冻胀特性的试模”(ZL201520184871.3)。

试模用刚性材料制成，采用不锈钢材料，试模由的顶板(见图7a)、管状模(见图7b)和平板形的底板(见图7c)组成，其中：管状模为一个管端设置有法兰、使其呈T型的外形管状物。管状模壁厚要求满足承压规定，管壁厚度为10 mm，细填料的管状模高度为50 mm，粗填料的管状模高度则为100 mm，这样可以保证细填料试样的高度为50 mm，粗填料试样高度为100 mm。细、粗填料的管状模内直径和顶板的外直径都为100 mm，顶板为一直径略小于上、下轴的内径圆柱体，顶板圆柱体部分(即在进行压制作业时进入管状模内径的部分)与管状模内径的配合精度为H11/C10(间隙定位适用经常装拆的设施)，其直径略小于管状模的内径，可以在试验的压制作业中很方便地使其进入管状模的内径中，使试模内的受试填料得以压实。顶板的一端也设置有顶面，顶面高20 mm，顶面外直径都为120 mm，使其同样呈T型，细填料顶板圆柱体部高50 mm，粗填料顶板圆柱体部高100 mm，两顶板顶面尺寸一致。所有高度直径尺寸误差要求±0.1 mm。底板可以是一个平面的板状物，其厚度必须符合承压要求。

(a)顶板 (b)管状模

(c)底板

Figure 7 Top plate,pipe die,floor schematic diagram in test model

在具体进行试验时是采用2个管状模，将底板置于压力机的砧板上，将1个管状模不带有法兰的一端放置于底板上，再将第2个管状模的法兰放置于第1个管状模的法兰上，2个管状模的T型法兰横端相互接触，在管状模的管内放置受试填料，然后将顶板不带有T型的一端置于第2个管状模内的受试填料上，并通过压力机将压力施加于顶板和底板间，以对受试填料进行压实作业，试模在使用状态中的立体示意见图8，图中两箭头表示施压时力的方向。

图8 试模在使用状态中的立体示意图Figure8 Stereo schematic diagram of test die in use

管状试模上设置的法兰既可在压制作业时便于定位，又可在压制作业时传递试模壁所受到的力，同时还可避免受试样品损坏。

使用2个相互连接的管状模，在最大干密度和最佳含水率确定的情况下，制备试样时，可使试样质量不受损失。在试样制备完成后，上顶板圆柱外径和上管状模内径尺寸相同，高度也相同，这样在压制过程中刚好可以把试样压入到下管状模内，在体积一定的情况下，把不同质量的试样压入相同体积，就可以很准确的确保试样的压实度。

《公路路基设计规范》对各种等级的公路提出了压实度的标准要求，使用这种结构的试模，可以针对不同压实度的要求制备出相同尺寸的试样。试模采用上、下管状模设计，这种结构的试样制备过程中，试样可以一次压制成型，保证试样的受力均匀，试样不会出现中间断裂的情况，试验环节可以完全保证试样的代表性，试模推荐采用不锈钢材质，这样能保证模具的精准度，不易变形，能保证制作出的试样的精确度，达到测试填料冻胀特性的目的。

本试模可根据多年冻土区路基设计文件制备各种不同压实度条件下的试样。使用该试模制备试样能充分和现场实际情况相结合，在充分保证试样高度和直径规范规定的尺寸外，还可以精确的确定试样的压实度，真实反应试样的受试的客观状况，使试样可以更接近实际状况，以达到研究路基填料冻胀特征的目的。

4 结论

本文以共玉高速公路多年冻土路基填料为研究对象，通过现场调查和室内试验研究相结合的方法，得出主要结论如下：

a.根据填料冻胀特性测试要求，将路基填料按照粒径进行了分类：①细填料：颗粒最大粒径不超过4.75 mm，粒径不大于2.36 mm的占总质量的50%以上，包括各种黏质土、粉质土、砂和屑确定为细填料；②粗填料：颗粒最大粒径不超过26.5 mm，粒径大于2.36 mm且不大于19.0 mm的质量占总质量的50%以上，包括砂砾土、碎石土、级配砂砾、级配碎石确定为粗填料。

b.根据多次冻胀试验结果，得出了最适宜的粗填料冻胀特性试样高度。确定出细填料试样几何尺寸为直径×高=φ100 mm×50 mm，粗填料试样几何尺寸为直径×高=φ100 mm×100 mm。

c.根据确定的路基填料冻胀试验的最小的试样几何尺寸数据，设计并试制出了用于测试路基细、粗填料冻胀试验制备试样的两类试模，解决了冻胀试验的技术难题。

d.在对寒区高速公路路基填料冻胀特性的测试中，通过本方法对不同填料进行科学分类，根据分类的结果确定试样高度，使用本文设计的试模进行制样，以及采用这种试模对填料冻胀特性进行测试的试验装置及试验方法，同时在试验中引入压实度的因素使试验与实际更为吻合，解决了现阶段无法解决的冻土区填料冻胀试验的难题，为以后在多年冻土区修建高速公路提供了基础数据。