高速公路黄土路基冻胀性试验分析

柴帅停

【摘要】季节冻土区高速公路修建必然面临着路基冻胀问题，威胁公路建设与运营安全。本文首先围绕高速公路黄土路基展开分析，探讨了黄土路基冻融循环机理，并围绕具体试验具体分析了高速公路黄土路基冻胀性。掌握黄土路基冻胀变化情况，可为高速公路施工中防冻胀加强措施与运营维护提供参考依据。

【关键词】高速公路;黄土路基;冻融循环机理;冻胀性试验

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

22.140

1、引言

黄土在世界范围内分布较为广泛，约为世界陆地面积的10%左右。在我国，黄土分布面积可达44万km2，且在黄河中游所占面积约为27.3万km2。我国部分地区处于季节性冻土区域，同时也处于黄土地区，局部冻土区域受昼夜温差大因素的影响，导致黄土冻融循环作用影响加剧，不利于高速公路路基施工，对此本文针对高速公路黄土路基冻胀性试验展开分析。

2、黄土路基冻融循环机理

冻融循环的机理即为土体反复冻胀、融沉的过程。土体处于冻胀过程时，土体的部分水分遇冷凝结为固体，造成土体体积增长，相关研究表明冻结后的土体强度略微增强;而土体处于融沉过程时，土体中的冰晶逐步融化，反复的冻胀、融沉过程对土体的结构性造成了破坏，导致土体强度降低。

因此，季节性冻土区域高速公路黄土路基施工面临较大的安全风险，路基土会因为冻胀、融沉的影响物理力学性能发生变化同时夏季较为充沛的雨水和冬季冻结的土体水分，都会诱发土体含水率增高的风险，从而导致路基土抗剪强度降低，造成路基不均匀沉降、路面开裂等災害的发生。对此，加强高速公路黄土路基冻胀性研究具有重要意义。

3、高速公路黄土路基冻胀性试验方法

3.1试验方案

本次试验所用土样取自某高速公路项目，针对黄土冻胀特性开展试验，试验中主要变化因素包括环境温度与含水率。试验中的冻结环境温度设定了三个基准，分别为-10℃、-15℃、-20℃，试验土体含水率分别设置为14%、16%、18%。土体压实度设置为0.9，在土体的四周填充适量的保温棉，达到绝热效果。

3.2试验步骤

本次试验平坦黄土冻结情况，具体试验步骤如下：

（1）制作模型箱、环境箱，两者之间充填保温棉，模拟一维冻胀状态，导热系数为0.03～0.035W/（m·K），相对土体导热系数设定范围为1.0～1.6W/（m·K），经监测保温棉导热系数是土体的2%～3.5%。

（2）模型箱的底部，铺设一层厚度为5cm的中粗砂，模拟边界条件，以接近自然环境状态。

（3）均匀拌和土分层，后填充至模型箱中，反复夯击至规定压实度。填土时，在指定位置安装温度传感器与土压力盒，填筑结束后添加一定量的水，静置土体3d，保证土体含水率均衡。

（4）安装位移传感器。将土分层装至试验箱中静置，在适当位置加装位移监测设备（位移传感器）。因机电百分表接触土体的面积相对较小，为弱化刺入土体动作对测量结果的负面影响，确保测量数据准确，可在土体表层放置有机玻璃板，尺寸为100mm×100mm。在完成机电百分表的安装后，调试初始读数。

（5）正式开始试验前，需将土样放置在指定位置静置8h以上，以保证土体含水率均衡。若最底层温度<6℃，表明冻结阶段结束。此时，需调试恒温液浴循环设备，将温度设置为正温，实现环境温度的快速回升。环境箱的温度到达20℃时，温度恒定，表明试验进入融化阶段。

3.3试验数据采集

当采集设备工作状态趋于稳定，即可开展试验内容。首先，启动环境箱的温度控制系统，将温度调试至对应温度水平。每间隔10min即采集一次数据，后对模型实施降温冻结处理，对采集的所有数据进行梳理与检查。若土体温度接近试验方案中的设计值，或试验持续时间达规定时间，则表明土体已经完成冻结。在土体融化阶段，需设置适宜的温度，模拟自然环境中土体的融化过程，采集数据，整理成文档。

4、高速公路黄土路基冻胀性试验结果分析

该工程单位对黄土路基段进行封闭处理，后开展下一维冻胀试验，测算出不同冻结环境温度、含水率条件下土体的温度变化、冻胀量及水平冻胀力。

4.1土体温度场时空分布

土体不同深度，降温趋势不同，可总结如下：冻结初期，不同深度的土体降温速率均较快;-0.4℃前后，各深度土体的降温速率曲线逐渐开始平行于横坐标中的平稳段;-0.4℃末段，土体温度持续降低，下降速率较降温冻结初期相较有所减缓，同时含水率越高时，此种现象就越加明显;在冻结后期，各深度土体降温速率减缓，同时经分析发现基于不同含水率情况下的土体，起始冻胀温度保持一致。

4.2土体冻胀变形量

不同含水率条件下土体冻胀量变化趋势。在不同含水率条件下，土体冻胀量变化情况大致相同，只有数值略有差异。含水率越大，则土体冻胀量越大。依据土体的冻胀量变化规律可将其变化过程分为三大阶段，即微冻缩、快速发展以及拟稳定阶段。

（1）土体含水率存在差异时，土体冻胀量的变化规律：土体冻胀变形量会因含水率不同而不同。试验中含水率设定为三个水平，即14%、16%、18%，经测算土体的冻胀变形量均值为3.52mm、5.2mm 、8.23 mm。可见土体冻胀变形量增大，含水率就会提高。在整个降温过程中，环境冻结温度与冻胀变形量呈线性关系，温度越低，相应的冻胀变形量就越小。

（2）不同冻结环境下土体冻胀量的变化规律：若土质与温度条件相同，则冻胀力的初始温度一致，在0.6℃左右。当土体的含水率存在差异时，最大冻胀力温度也有所不同。基于不同的工况下，土体物理状态不同，相应的水平冻胀力变化规律存在较大差异，试验数据显示最大冻胀力温度数值不同。

4.3最大水平冻胀力

最大水平冻胀力会随着土体深度的变化而变化，变化规律为稳定数值变化幅度小，先增大至最大值，后逐渐减小，最大值出现在相对深度 0.6～0.8 处。

结语：

综上所述，随着我国高速公路网的不断完善，越来越多的道路建设将面临冻胀和融沉病害问题，例如水平冻胀力会引发桥台、支挡结构的损坏，直接造成路基的不均匀沉降，此类问题都是冻土地区工程建设需注意的问题，应提前编制应对策略，做好控制措施。文章围绕黄土路基开展冻胀性试验，分析了土体冻胀变形、最大水平冻胀力情况，为保证公路运营安全，路基防冻胀设计应坚持填料防冻胀为主、多种措施相配合的综合防冻胀思路，路基的表层应选用透水性好、细颗粒少的级配碎石，路堑和低路堤表层和换填底部应设置隔水层防止水分在路基本体上下迁移，同时需完善排水系统，防止积水和汇水产生冻胀。

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