季節(jié)性凍土地區(qū)路基凍脹翻漿淺析【摘要】在季節(jié)性凍凍土地區(qū),為使公路減減少凍脹翻漿漿等病害,需要對路基基的設(shè)計(jì)、施施工工藝等進(jìn)進(jìn)行改進(jìn),文章結(jié)合xxx國道xx段改建工工程的實(shí)際情情況和室內(nèi)模模型試驗(yàn),對季節(jié)性凍凍土地區(qū)路基基設(shè)計(jì)和施工工提出了一些些建議。【關(guān)鍵詞】季節(jié)性凍土土;路基;凍漲;翻漿1季節(jié)性凍土土概述和工程程背景111季節(jié)性性凍土概述現(xiàn)在學(xué)術(shù)界普遍遍把凍土分為為季節(jié)性凍土土、隔年凍土土和多年凍土土。在天然條條件下冬季凍凍結(jié),夏季全部融融化的土層,,稱為季節(jié)性性凍土;冬季凍結(jié),一兩年內(nèi)不不融化的土層層,稱為隔年凍凍土。而凍結(jié)結(jié)狀態(tài)持續(xù)三三年或三年以以上的土層稱稱為多年凍土土。我國季節(jié)節(jié)凍土區(qū)面積積513177×104kkm2,約約占國土面積積的53155%,分布布在東北、華華北、川西北北及內(nèi)蒙古地地區(qū),其凍結(jié)深度度由南向北逐逐漸增厚,最大達(dá)3mm左右。在冬冬季負(fù)溫作用用下,造成地表土土層中孔隙水水結(jié)冰,致使其體積積膨脹9%左右。而而另一方面在在負(fù)溫梯度作作用下,其下部未凍凍結(jié)的水分源源源不斷地向向上遷移,并凍結(jié)成冰冰透鏡體,使得土體出出現(xiàn)大幅度膨膨脹,其總凍脹量量在011m～013mm不等。這樣樣大體積膨脹脹對工程上的的危害是不可可接受的,尤其是道路路工程。112工程背背景國道xx線xxx至xx公路改建建工程(以下簡稱xxx公路),全長225km,位于于青藏高原東東緣與川西北北高原結(jié)合部部,全線四分之之三路段位于于海拔32000～3800m的季節(jié)性性凍土地區(qū)。公公路兩側(cè)均為為草原牧區(qū),,若爾蓋濕地地位于公路右右側(cè)。該地區(qū)區(qū)由于溫差大大、強(qiáng)紫外線線等因素作用用,公路路面常常出現(xiàn)早期干干澀、老化、開開裂等現(xiàn)象。在在冬季路基發(fā)發(fā)生凍漲后會會造成路面高高低不平,路面發(fā)生龜龜裂,但車輛還可可以低速行駛駛;然而在翌年年春季,路基就會發(fā)發(fā)生融沉病害害現(xiàn)象,使得道路翻翻漿而喪失承承載能力,經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)嚴(yán)重,也造成行車車不便和很大大浪費(fèi)。2影響季節(jié)性性凍土路基凍凍脹的因素和和凍脹機(jī)理2.1季節(jié)性性凍土路基的的凍脹機(jī)理目前,包括國內(nèi)內(nèi)一些季節(jié)性性凍土的專家家也一致認(rèn)為為季節(jié)性凍土土凍脹的機(jī)理理一共有三個個,即適用于細(xì)細(xì)粒土路基的的毛細(xì)理論、適適用于黏性土土路基的第二二凍脹理論和和介于二者之之間的分凝凍凍脹理論。雖雖然這三個理理論的機(jī)理不不盡相同,但是對于影影響路基土凍凍脹的因素上上的看法是一一致的。由于于受地理環(huán)境境、取土來源源和工程造價價限制,又由于本項(xiàng)項(xiàng)目的公路路路基填土大部部分為粉質(zhì)土土和粉質(zhì)黏土土,對于防止路路基發(fā)生凍脹脹翻漿病害提提出了挑戰(zhàn)。這這里只介紹與與本文相關(guān)的的毛細(xì)凍脹理理論和第二凍凍脹理論。2.1.1毛毛細(xì)理論毛細(xì)理論認(rèn)為凍凍脹壓力及抽抽吸壓力是產(chǎn)產(chǎn)生冰透鏡體體的原因,并與土粒的的多孔基質(zhì)的的幾何關(guān)系有有關(guān)。對冰透透鏡體形成的的機(jī)理進(jìn)行了了研究,并提出了了判斷一個新新的冰透鏡體體的生成方法法。這里應(yīng)用用孔隙正應(yīng)力力(用σn表示)的概念來判判斷冰透鏡體體的形成。當(dāng)當(dāng):σn>p00(1)時(p0為為約束壓力)),土骨架架被擠開,新的冰透鏡鏡體形成。與與此同時,原來孔隙中中水的負(fù)壓迅迅速消失,冰的壓力即即快速下降到到約束壓力的的水平。2.1.2MMillerr第二凍脹理理論Miller第第二凍脹理論論假設(shè)路基土土自上而下凍凍結(jié),則表面部分分為凍結(jié)狀態(tài)態(tài),下部為未凍凍脹狀態(tài),中間為凍結(jié)結(jié)邊緣區(qū)。凍凍結(jié)邊緣區(qū)的的上下表面分分別為冰透鏡鏡體鋒面(或稱冰分凝凝鋒面)和冰凍鋒面面(或稱凍結(jié)鋒鋒面)。成冰與與凍脹作用發(fā)發(fā)生在凍結(jié)邊邊緣區(qū)內(nèi)。自自冰凍結(jié)鋒面面向冰透鏡體體鋒面方向,,孔隙冰含量量不斷增長,,未凍水膜逐逐漸變薄,故形成吸力力梯度,使路基內(nèi)部部土體中的水水源源不斷地地從未凍土區(qū)區(qū)向冰透鏡體體鋒面處集聚并凍結(jié)。其其遷移速度為為:Vm=kff(Pw-Pu)//d(2)式中:kf凍結(jié)邊緣區(qū)區(qū)導(dǎo)水率;Pw、Pu分別為凍凍結(jié)邊緣區(qū)上上下表面處之之土層的吸水水力;d為凍結(jié)邊緣緣區(qū)之厚度。2.2季節(jié)性性凍土路基的的凍脹影響因因素季節(jié)性凍土發(fā)生生凍脹時對其其影響的因素素很多。但是是辯證地分析析歸納起來,,其內(nèi)在因素素:包括顆粒分分布、構(gòu)造、滲滲透性、比表表面積飽和度度、含水量及及土體中的鹽鹽分組成與含含量;外在因素:包括凍結(jié)時時的孔隙水壓壓力,凍結(jié)時的約約束力、凍結(jié)結(jié)速度或溫度度梯度,以及水分補(bǔ)補(bǔ)給條件等。按按照我國現(xiàn)流流行的對季節(jié)節(jié)性凍土的研研究情況,對影響土凍凍脹的主要因因素歸納為土土、水、溫與與附加荷載等等4個方面,這從宏觀上上概括了土凍凍脹2.2.1土土基質(zhì)土質(zhì)是由大小不不等的顆粒組組成的,用土的粒徑徑和級配來表表示,即所謂土的的分散性。土土的分散性作作為決定著土土凍結(jié)時水分分遷移和凍脹脹強(qiáng)度的一個個基本因素,,早鍲_杻L已得到了普普遍認(rèn)可。在在高分散性土土中水膜相當(dāng)當(dāng)厚,足以保證水水向生長著的的冰晶體遷移移集聚。而在在低分散性土土中,水膜厚度很很小,故水分子向向這些水膜的的移動性大大大降低,所以凍脹強(qiáng)強(qiáng)度較小。2.2.2水水分條件不同的土質(zhì)其凍凍脹敏感性不不同,沒有適當(dāng)?shù)牡乃謼l件,土凍結(jié)時凍凍脹現(xiàn)象是不不可能發(fā)生的的。在自然界界與工程場地地或路基中的的水分狀態(tài)受受到降水、地地下水位、地地表流水等因因素的影響。常常用季節(jié)性凍凍土起始凍脹脹含水量Wo來判別土體體是否凍脹。當(dāng)當(dāng)路基土體內(nèi)內(nèi)部的含水量量大于Wo時,就提供了凍凍脹的必要條條件。對于同同一土樣,起始凍脹含含水量不是定定值,而是隨凍結(jié)結(jié)速率而變化化的。當(dāng)凍結(jié)結(jié)速率加大時時,起始凍脹含含水量也隨之提高高。2.2.3溫溫度條件顯然,只有當(dāng)大大氣溫度降低低到負(fù)溫并低低于土體中水水的凍結(jié)溫度度時,才可能出現(xiàn)現(xiàn)冰晶體析出出現(xiàn)象。對于于表征溫度條條件對土體凍凍脹過程影響響的特征指標(biāo)標(biāo)是凍脹鋒面面的前進(jìn)速度度,即凍結(jié)速率率Vf。由于土體體凍結(jié)時的凍凍結(jié)面發(fā)展的的快慢差異,,決定著土凍凍結(jié)時是否只只有原孔隙中中水凍結(jié)或形形成厚薄不同同的冰透鏡體體,從而形成冰冰夾層的所謂謂層狀凍土構(gòu)構(gòu)造,直接改變著著季節(jié)性凍土土的物理和力力學(xué)性質(zhì),特別是凍融融循環(huán)中產(chǎn)生生的不均勻凍脹與融融化下沉變形形及強(qiáng)度弱化化。凍結(jié)速率率Vf越快冰透透鏡體形成越越慢或不形成成,反之則凍脹脹強(qiáng)度加大。2.2.4附附加荷載土層上部的附加加荷載,使土層脫水水壓縮固結(jié),,增加相應(yīng)的的密實(shí)度,路基內(nèi)部孔孔隙率減小,,從而影響水水分遷移速率率。當(dāng)附加荷荷載較小時,,土體內(nèi)部孔孔隙較大(當(dāng)然必須小小于保證毛細(xì)細(xì)水分遷移的的最大孔隙))水分遷移的的速率較快,,冰透鏡體發(fā)發(fā)展完整,路基凍脹嚴(yán)嚴(yán)重。3試驗(yàn)結(jié)果分分析筆者在室內(nèi)內(nèi)通過大比例例模型試驗(yàn)((1:100),對國國道xxxx段季節(jié)性性凍土路基穩(wěn)穩(wěn)定性進(jìn)行了了分析。本組組試驗(yàn)共為五五個小模型。模型一:路基高高度為2mm,隔離層厚厚度為0122m且隔離離層的底面至至地基表面距距離為0144m。(以上數(shù)據(jù)為為原型值,下同)模型二:路基高高度為2mm,未設(shè)置隔隔離層。模型三:路基高高度為2mm,隔離層厚厚度為0.2m且隔離離層的底面至至地基表面距距離為0.2m。模型四:路基高高度為1mm,未設(shè)置隔隔離層。模型五:路基高高度為1m,,隔離層厚度度為0.2m且隔離離層的底面至地基表表面距離為00.2m。本試驗(yàn)通過冷凍凍箱冷凍來模模擬冬季冷溫溫凍結(jié),采用反力梁梁-千斤頂加加載系統(tǒng)(圖1)。用百百分表來量測測豎向位移。下下面通過試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果得出的的荷載-位移曲線線(圖2～圖4)來分析隔隔離層對路基基整體穩(wěn)定性性的影響。從圖2可以得出出本試驗(yàn)在荷荷載作用下模模型二的沉降降量最大,模型一居中中,模型三最小小,即同一路基基高度下經(jīng)過過凍融循環(huán)和和荷載共同作作用,沒有設(shè)置隔隔離層的模型型二的穩(wěn)定性性最差,模型三最好好、模型一居居中。模型一一比模型三的的沉降量大,,說明在本試試驗(yàn)條件下隔隔離層設(shè)置位位置靠近地面面比距地面遠(yuǎn)遠(yuǎn)的穩(wěn)定性要要好。前面已已經(jīng)說明,該路段地下下水位高,當(dāng)發(fā)生水分分遷移時,越早阻斷毛毛細(xì)水的上升升對路基穩(wěn)定定性的影響就就越小。圖3中也也可以說明隔隔離層的阻斷斷毛細(xì)水上升升作用及對于于增強(qiáng)路基整整體強(qiáng)度和穩(wěn)穩(wěn)定性的效果果。模型二與與模型四的路路基模型均未未設(shè)置隔離層層,模型二的原原型路基高度度為2m,,模型四的原原型路基高度度為1m。從圖圖4中可以得出出在本試驗(yàn)條條件下的結(jié)論論:路基在都未未設(shè)置隔離層層的情況下,,高度為2mm的路基比高高度為1mm的路基強(qiáng)度度和穩(wěn)定性都都要好。究其其原因,兩路基同為為未設(shè)置隔離離層,在冬季都會會遇到毛細(xì)水水侵蝕路基內(nèi)內(nèi)部土體等病病害,但是隨著路路基高度的增增加,毛細(xì)水對于于路基的侵害害會減弱。從圖5中可以看看出,在本對比試試驗(yàn)中雖然隔隔離層的位置置相同,但是原始路路基高度為22m的模型型要比原始高高度為1mm的路基模型型在荷載相同同時豎向位移移小。這也同同實(shí)際情況相相符,路基高度增增加一定數(shù)值值在不至于影影響其邊坡穩(wěn)穩(wěn)定性的情況況下,其強(qiáng)度比矮矮路基大。但但是要靠提高高路基高度增增加強(qiáng)度和穩(wěn)穩(wěn)定性是不可可取的,因?yàn)橥瑫r工工程造價會大大幅度提高。4工程措施鑒于xx路路所處的地理理環(huán)境和考慮慮工程造價,,防治路基發(fā)發(fā)生凍脹的工工程措施可以以采用設(shè)置隔隔離層的辦法法。隔離層包包括隔溫層和和隔水層兩種種,下面分別介介紹之。4.1隔溫層層的設(shè)置在xx地區(qū)修筑筑的公路中,,可采用鋪設(shè)設(shè)高效隔溫層層的方法,減小路基凍凍結(jié)深度或使使路基不凍結(jié)結(jié),以防治凍脹脹,從而也防治治翻漿。在本本路段可以用用聚乙烯泡沫沫塑料板作為為隔熱層材料料[3]]。試驗(yàn)證明明采用厚度為為5cm的聚聚乙烯泡沫塑塑料板作為隔隔熱層材料要要比厚度為110cm的的聚乙烯泡沫沫塑料板的隔隔熱效果要好好得多。隔熱熱層厚度的確確定還可以根根據(jù)路基填土土的性質(zhì)確定定:式中:Z1為從道床頂頂面算起隔熱熱層材料的埋埋置深度,ccm;Z為未設(shè)置隔隔熱層時路基基土的凍結(jié)深深度,cmm;λ1、λ2為隔熱層層材料與土的的導(dǎo)熱系數(shù),,W/((m·K);C1、C2分別為隔隔熱層材料與與土的質(zhì)量熱熱容,J/(kkg·k)。對于于埋置深度,,宜在距路基基表面0155m處,厚度不要大大于0.05mm為宜。4.2隔水層層的設(shè)置為防止路基地下下水通過毛細(xì)細(xì)作用進(jìn)入路路基上部,保持路基上上層土體干燥燥,防止翻漿,常在路基中中設(shè)置隔水層層。隔水層分分透水性和非非透水性兩種種[4]]。4.2.1透透水性隔離層層透水性隔離層一一般用砂礫、碎碎石、爐渣等等做成,厚度一般為為0.10～0.15m,,這些材料孔孔隙較大,可切斷毛細(xì)細(xì)孔,使地下水不不能補(bǔ)給到上上層。4.2.2不不透水隔離層層可用各種不透水水材料做成,,通常采用的的不透水隔水水層有以下幾幾種。(1)兩層油氈氈紙中間夾瀝瀝青;(2)瀝青和土土拌合或渣油油和土拌合;;(3)用噴灑的的辦法鋪一層層瀝青或渣油油;(4)各種不透透水膜料,如塑料薄膜膜、瀝青玻璃璃布、瀝青橡橡膠布等等。不透水隔水層的的鋪設(shè)方式分分開敞式(圖6)和封閉式式(圖7)兩種。封封閉式隔水層層不但能隔斷斷毛細(xì)水,而且還可隔隔斷兩側(cè)路旁旁進(jìn)水。在開開敞式隔離層層還可以分為為貫通式和非非貫通式兩種種情況。當(dāng)路路基較寬時,,隔離層稍許許延出路面0015～018mm,此種形式式稱為非貫通通式。而隔離層的深度度h=(3～215)DD(D為為標(biāo)準(zhǔn)軸載的的輪跡直徑))。對于本本項(xiàng)目的xxx公路來講,隔離層宜設(shè)設(shè)置在距路面面以下1.0～1.5m處,即路基表面面以下0.5～1.0m處。5結(jié)束語對于xx國國道xx段這樣以以粉土和粉性性黏土為路基基填料的季節(jié)節(jié)性凍土路