乌市头区地基冻害与土体粒度成分相关分析＊

曹小红，张俊敏，孟 和，曹远远，艾比拜尔·买买提

（1.新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023；2.新疆地质灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830023）

我国多年冻土的面积约占世界第三,主要分布在青藏高原、帕米尔西部高山,东北大小兴安岭及东部地区一些高山顶部,其分布具有明显的地带性。多年冻土对工程的影响主要是冻融作用产生的融陷、冻胀导致的土体稳定性降低（苗祺，2019）。触发多年冻土冻融作用的因素主要有气候（温度）变化、土体含水率变化、工程扰动等（杨胜波，2018），这些因素的改变使多年冻土的赋存状态和赋存环境发生变化，从而触发多年冻土的冻融作用（叶万军，2018）。不受冻融作用影响的多年冻土类似于完整岩体，强度高、完整性好，具有优良的工程性能。所以，工程上对于多年冻土的工程利用，重点在于保护多年冻土的赋存状态和赋存环境免于工程扰动和气候变化的影响（铁永波，2015）。国内外对多年冻土保护的工程措施可分为被动和主动降温两类（乔国文，2015），通过技术手段维持冻土的状态或减缓冻土的退化速度，从而保持冻土土体的稳定性（胡田飞，2017）。在冻土研究中，冻胀问题一直受到高度重视，冻胀的发育机理及其控制对策始终是土体冻结研究中的一个核心问题（董晓强，2017）。将现场测试、试验与冻土地质条件相结合是冻土研究中新的发展方向（牛笑笛，2020）。冻土粒度组成分常是粗细混杂的，当粉、粘粒含量高于5%时,便具有冻胀性（王来贵，2018）。常见的黏土矿物中，高岭土的冻胀量最大,水云母次之，蒙脱石最小。土体颗粒级配、含水率、含冰量、力学强度等直接影响冻胀、融沉特征。

乌鲁木齐市头屯河区高教园工程开挖形成了大量路堑边坡，路基冻融破坏点较多。路基土体冬季冻胀、春夏季融沉表现尤为明显，未支护的道路边坡土体冻融破坏失稳对区内行车和人员安全构成了威胁。以往对头屯河区土体土质土力学性质的研究较少，本文研究可以为今后的校园建设及周边公路规划提供参考依据。

1 研究区工程地质条件

1.1 地形地貌

新疆工程学院新校区位于乌鲁木齐市头屯河区王家沟东岸第四系阶地上，海拔高程840～870m。地势总体为南高北低、微倾向西。研究区内微地貌呈波状起伏的低山丘陵形态，山体总体走向近东西向，山顶平缓，有低矮牧草生长。取土样点坐标：N 43°50′20.2″、E 87°24′42.6″，此次现场勘察地段如图1 所示。

图1 研究区地质简图及取样点

1.2 地层岩性

由现场勘察资料可知，该场区地层出露有含砾粉土、砂砾石、粉质亚砂土、黄土状土、圆砾层、强风化泥质砂岩组成。含砾粉土为土黄色、灰黄色，干燥、松散-稍密，层厚0.3～3m。新疆工程学院头屯河校区图书馆周边土层较薄，最大厚度约1.3m。肉眼观察可见，含砾粉土主要由粉土及少量砾石组成，土体中含大量植物根系，摇振反应中等、无光泽，干土强度低、韧性低，人工挖掘较容易，局部粉土弱胶结，偶见红褐色钙质结核、人工铁锹挖掘稍有困难。

1.3 地下水

据建筑场地岩土工程勘察报告，研究地段地下水埋深约12m。在新疆工程学院南大门东侧、门外东南侧约200m 处可见草塘，常年有水。土体中地下水水位深度对于土体的冻融作用有较大的控制作用。

1.4 不良地质作用

研究区处于哈萨克斯坦-准噶尔板块（Ⅰ）、准噶尔地块（Ⅱ）二级构造单元南侧，是新构造运动强烈和复杂地区，隐伏断裂为八钢-石化、王家沟断裂。崩塌、滑坡、地面沉降、地面塌陷及地裂缝均有发育，但地质灾害危险性低。新校区校园内冲沟发育，区内冲沟由南向北蜿蜒。研究区内发育的冲沟为降水（降雨、融雪水等）的汇集提供了条件，冲沟附近的土体更易于得到水体入渗，从而更容易发生土体的冻融作用。

2 研究区土体颗粒分析试验

在研究区，选取现场勘察有冻害及有工程建设的场地，采用四分法取样，各处经过多组平行试验选出最接近平均值的土样A、B、C、D 取样点如图1（b）所示，进行土体颗粒分析试验，绘制颗粒级配曲线，计算不均匀系数及曲率系数，判定土体粒度和级配，对岩土样初步定名。

2.1 土样A 颗粒分析试验

现场勘察土体为红褐色含砾粉砂土和含砾粉土，含有一定量粉土，颗粒粒径相对小，砂砾石含量较少，工程开挖的露头如图2a 所示土体，存在冻胀现象。在土体中取土样A 进行颗粒分析试验。颗粒分析试验结果所得的各组粒径见表1 和如图3 所示。

表1 土样A 颗粒分析结果

图2 采样点岩土体宏观照片

采用四分法取样筛分试验，各盘剩余累计质量292.1g，误差300-292.1/300=2.63%＜3%，满足《土工试验规程》试验要求。如图4 所示的颗粒分析结果（颗粒级配曲线）可知，土体颗粒有效粒径d10 约为0.1mm,累积含量30%对应的粒径d30 约为0.8mm，平均粒径d50 约为1.5mm，限制粒径d60约为2.5mm；估算得不均匀系数Cu=25，曲率系数Cc=1.06，工程上一般判定为不均匀土、级配良好。现场勘察及肉眼观察，该土样为紫红色含细砾砂土。

2.2 土样B 颗分试验

B 处地层岩性比较复杂，水动力较强，砂砾石混杂，磨圆度较好，分选性较差，上部有卵砾石层，基本为砂砾石土，如图2b 所示。水平层理发育，略有分层。颗粒分析试验结果见表2 和如图3 所示。圆砾层埋深0.3～9m，重型动力触探N63.5 试验修正后平均锤击数10.9 击。

表2 土样B 颗粒分析试验结果

采用四分法取样筛分试验，各盘剩余累计质量432.2g，误差440-432.2/440=1.77%＜3%，满足《土工试验规程》试验要求。结合现场及颗粒分析试验测定结果，由图4 判定土体颗粒有效粒径d10 约0.1mm，限制粒径d60 约为4.5mm，累积含量30%对应的粒径d30 约为0.5mm，平均粒径d50 约为2mm；估算得不均匀系数Cu=45，曲率系数Cc=0.56，工程上一般判定为不均匀土、级配不良。现场勘察及肉眼观察，该土样细砾含量过半，次之为砂粒，含少量粉土，初步定名为含粉砂砾石。

2.3 土样C 颗粒分析试验

如图5 所示，现场勘察土样C 处岩层为泥质砂岩强风化形成的，土体结构疏松，夹有细砾石，砾石分选性较差，局部偶见钙质结核，砾砂分层不明显，有含砾石的粗砂土，含细砂透镜体。取土样C 做颗粒分析试验，结果见表3 和如图2c 所示。

表3 土样C 颗粒分析试验结果

采用四分法取样筛分试验，各盘剩余累计质量320.7g，误差323.8-320.7/323.8=0.96%＜3%，满足《土工试验规程》试验要求。结合现场及颗粒分析试验测定结果，由图4 判定土体颗粒有效粒径d10 约0.13mm,累积含量30%对应的粒径d30 约为0.9mm，平均粒径d50 约1.3mm，限制粒径d60 约2.3mm；估算得不均匀系数Cu=17.69，曲率系数Cc=2.71，工程上判定土样C 为不均匀土、级配良好。现场勘察及肉眼观察，判定为强风化泥质砂岩。取样实验过程中细粒粉土、黏土附着于砾砂石表面，在振筛的过程中部分以扬尘的形式损失，还有一部分每层筛子上残留了，是造成试验结果细砂及粉土含量低于与现场测定。

2.4 土样D 颗粒分析试验

某工程场地地表如图2d 所示，开挖基坑后如图2e 所示，取土样D 颗粒分析试验，结果见表4 和如图3 所示。

图3 土样A、B、C、D 颗粒分析对比图

表4 土样D 颗粒分析实验结果

四分法取500g 土样进行3 组试验，各盘剩余累计质量498.9g，误差（500-498.9）/500=0.22%＜3%，满足《土工试验规程》试验要求。结合现场勘测，由图3 及图4 判定土体颗粒有效粒径d10 约0.26mm,累积含量30%对应的粒径d30 约为0.83mm，平均粒径d50 约2.03mm，限制粒径d60 约2.6mm；估算得不均匀系数Cu=10，曲率系数Cc=1.019，工程上判定为不均匀土、级配良好。试验过程发现，该土样底盘留土量高于土样A、B、C，手搓感觉细滑，初步定名为弱胶结含砾粉土。

图4 颗粒分析试验结果（依次为孔径10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.075mm、底盘留土）

3 现场勘察冻融病害与土体粒度成分的相关性

3.1 现场勘察土体冻害特征

现场勘察发现冻胀通常发生在细粒土中，其中粉质黏土和粉质砂土中的水分迁移最为强烈，冻胀性最强，在研究区东北侧出露。在黏土粒间孔隙小、水分迁移阻力大的情况下，冻胀特征不显著。细砂冻结时，水产生反向（即向未冻土方向）转移，出现排水现象，也不具冻胀性。砂砾，尤其是粗砂和砾石，颗粒粗、表面能小，冻结时水分迁移现象不明显，所以不具冻胀性。现场勘察土中砂粒、粉粒含量高时表现出明显的土体毛细性，且冻胀现象明显。

土样A 处公路两侧边坡有冻土分布，由此说明路基病害问题与土体颗粒级配、含水率相关极大。结合图3、图6 及现场勘察，对比分析发现，土样A、D 处前期冻融现象明显，每年11 月～次年3 月表现为土体冻胀隆升，每年4～5 月随着气温回升该区融沉地面出现塌陷、裂缝等。

3.2 冻害与土体粒度成分相关分析

如图5（a）所示，对四处不同取样点土颗粒分析结果表明，土样A 的土颗粒粒径均小于20mm，以砂粒为主；土样B 含各粒径范围内的颗粒；土样C 粗砾含量低于土样B；土样D 颗粒粒径小于10mm，以砂、粉土为主。由图5（b）可见，各组土样颗粒粒径小于0.5mm 的粒组含量较为接近，土样A、B 中粒径为0.2～0.5mm 的粒组含量相近，而土样A 中粒径为0.2～0.5mm 的粒组含量大于土样B、C、D，土样A 中粒径为0.2～0.5mm 的粒组含量增幅大于土样B、C、D 的增幅，而土样A、B 两组土样的增幅相同；粒径为0.1～0.25mm 颗粒含量A、B 组土样相近，而D 土样0.1～0.25mm 颗粒含量高于C 土样，D 土样小于0.15mm 颗粒含量最高，土样A、B 0.1～0.25mm 颗粒含量增幅大、土样C 和D 等幅增大，且D 土样小于0.5mm 土样含量高于C 土样，D 土样大于0.2mm 粒径累计含量低于A、B 土样但高于C 土样。图5（c）表明，在A、B、C、D 四组土样中粒径为0.1～1mm 的粒组含量；土样A 增幅最大，粒径为0.5～1mm 的粒组含量土样C 增幅最小，土样A 和D 粒径大于0.5mm后的粒组含量等幅增大、土样B 和C 等幅增大，且土样A 和D 增幅大于B 和C 土样。图5（d）后半段折线表明A、B、C、D 四组土样中粒径为1～2mm 的粒组含量均随粒径变大而增大，土样A、D 近似等幅度增大，土样B、C 近似等幅度增大，土样C 增幅最小、土样A 增幅最大；且土样D、A、C、B 1～2mm 粒组含量增幅依次增大。图5（e）表明四种土样粒径为2～5mm 范围内颗粒含量均增大，土样A 和C 中粒径为2～5mm 的粒组含量增幅相同，土样B 的增幅较小，土样C 中粒径为2.5mm 的累积含量最小；土样D 增幅最大，粒径约大于2.5mm 粒组后土样B 颗粒累计含量低于土样C，粒径约大于3mm 粒组后土样A 颗粒累计含量低于土样D。图5（f）表明，粒径为5～10mm 的粒组含量土样A、B 增幅相近，土样C 增幅较大，土样D 增幅略有降低。

现场勘察发现冻融作用下，土样A 和D 取土处路基土冻胀、融沉明显强于土样B 的取土处，土样C的取土处无冻胀、融沉特征，结合图3，说明细粒含量高则土体更易冻胀、融沉。现场勘测与颗粒分析试验结果图5（c）、（d）表明粒径为0.5～1mm 的粒组含量越大冻胀和融沉破坏强度越高，对区域内多组土样颗粒分析试验发现小于1mm 颗粒含量大于35%表现出冻胀、融沉破坏。

通过对4 个不同取样点土颗粒分析试验及现场勘查表明，土样B 含各粒径范围内的颗粒、土样A 颗粒粒径小于20mm，以砂粒为主，C 土样粗砾含量低于B 土样，D 土样细粒含量高；粒径为10～20mm 的粒组含量C 土样增幅最大、B 土样次之、A土样增幅较小、D 土样增幅最小。此外，综合2013 年取样A 处边坡、路基沉降（如图6a、6b 所示）原因及土体颗粒分析试验可知，边坡冻融后失稳、路基融沉破坏与岩土体性质、颗粒级配、孔隙率、含水量、裂隙发育程度等因素有关，边坡开挖为冻融作用发生提供了更为有利的边界条件。

图6 路基冻融破坏现象

与土样B、C 对比土样A、D 细粒含量高，土中砂粒、粉粒、黏粒含量明显偏高，冻胀、融沉特征明显。粒径为0.1～2mm 粒组含量控制冻融程度，粒径为0.5～1mm 粒组是影响冻胀、融沉破坏的主要粒径，这与现场勘察粉细砂、粉土、黏土分布区冻融特征明显较为吻合，也说明细粒含量高则发生冻融破坏的可能越大。

4 讨论与结论

在后期的研究中应考虑不同颗粒成分土体中水分随冻融作用的变化，水的赋存状态、土颗粒粒间力、冻胀力等饱和、非饱和及粗粒、细粒土粒度成分与冻融病害的相关性。本文研究中所取土样A、B、C 均为地表土样，存在其中细粒被吹扬及地表径流裹挟带到地势低洼处，土样D 为基坑开挖是取土样试验，取样深度大于2m。今后可在排除地表、地下水径流的条件下，考虑土层冻深以下范围内取土样试验，进一步揭示冻害与土体粒度成分的关联性。

结合现场勘察及土体颗粒分析试验得出，细粒含量高则发生冻融破坏的可能性越大，粒径为0.5～1mm 粒组是影响冻胀、融沉破坏的主要粒径，现场勘察多为细砂、粉土、粉质黏土、黏土分布区。文中土样A（紫红色含细砾砂土）、土样D（弱胶结含砾粉土）粒径小于1mm 的粒组含量大于35%，冻胀、融沉破坏特征明显；土样B（含粉砂砾石）、土样C（强风化泥质砂岩）颗粒不均匀，土样B 砾石含量高于其他土样、级配不良，土样C 中粒径小于1mm 的粒组含量约为25%，低于其他土样，级配良好，且粗砂及细砾含量高，冻融特征相对弱。

致谢：感谢新疆工程学院“天山学者”——中国地质大学（北京）孙进忠教授对本文的指导及提出宝贵的意见和建议，在此表示谢忱。