季節(jié)性冰凍地區(qū)土基回彈模量影響因素分析

雷明軒，支喜蘭，毛雪松，侯仲杰，劉國田

(1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西西安710065;2.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西西安710064)

0 引言

路基頂面在應(yīng)力作用下抵抗變形的能力一定程度反映了路基抵抗外荷載的能力。土基回彈模量為路基土在彈性變形范圍內(nèi)，在豎直荷載作用下，抵抗外界變形的能力。Simonse等對凍融循環(huán)作用下，不同土質(zhì)的路基土試件進行了回彈模量試驗，發(fā)現(xiàn)不同土質(zhì)的土在凍融循環(huán)作用后，其回彈模量值都變小［1］。Maria等認為凍融作用對粘聚力有較大影響［2］。博格等認為土質(zhì)和含水率對土基回彈模量有一定程度影響，當(dāng)溫度小于-2℃，凍土回彈模量值比融土回彈模量值大2～3倍［3］。Isacsson通過凍融循環(huán)作用下土的三軸試驗，得出凍融作用影響土的彈性模量，而有側(cè)限圍壓對彈性模量無影響［4］。

現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，一般采用路基回彈模量反映路基力學(xué)性能。路基回彈模量作為國內(nèi)路面設(shè)計規(guī)范的重要力學(xué)參數(shù)，國內(nèi)外對季節(jié)性冰凍地區(qū)路基模量影響研究較少，有必要對季節(jié)性冰凍地區(qū)路基回彈模量影響因素進行研究。影響路基回彈模量的因素有土質(zhì)、含水率和壓實度，季節(jié)性冰凍地區(qū)尤其要考慮凍融作用的影響。本文通過分析季凍地區(qū)土基回彈模量的影響因素，為室內(nèi)試驗提供理論依據(jù)，為季凍區(qū)路基設(shè)計和施工提供依據(jù)和參考。

1 土質(zhì)

不同土質(zhì)土基回彈模量有較大的區(qū)別。特別對季節(jié)性冰凍地區(qū)，凍融循環(huán)過程會影響路基土顆粒間的結(jié)構(gòu)形式。細粒土尤其在粉土、粉質(zhì)粘土中，水分遷移聚集在凍結(jié)時更為強烈，因此凍脹現(xiàn)象最為嚴(yán)重。由于此類型土體具有很顯著的毛細現(xiàn)象，速度快，上升高度大，同時擁有暢通的水源補給通道，且此類土顆粒較小，表面能大，土顆粒親水性強，能持有比較多結(jié)合水，使大批結(jié)合水遷移和聚集。粘土雖具有很厚的結(jié)合水膜，由于毛細孔隙小，對水分遷移阻力較大，并且不具有足夠的水源補給，因此粘土的凍脹性比粉質(zhì)土小。

反復(fù)凍融循環(huán)作用后，細粒土中的粉土顆粒含量明顯增高，這是不同季節(jié)凍結(jié)和融化的顯著特征。土的粉粒化，使土的凍脹性大幅度增強。路基土中粉土顆粒增高是由于在凍結(jié)過程中粘性土的膠體顆粒和粘粒正進行物理、化學(xué)作用并發(fā)生凝聚，從而形成次生粉土微集合體。當(dāng)粉質(zhì)土顆粒含量增大，會增大路基土凍結(jié)層的凍脹量，并改變路基土結(jié)構(gòu)形式，從而進一步影響路基土的力學(xué)性能。

粘質(zhì)土、粉質(zhì)土、粘土質(zhì)砂、粉土質(zhì)砂和砂土為季節(jié)性冰凍地區(qū)典型五類土。規(guī)范規(guī)定:抗凍性較強的土應(yīng)填在較高層位，填筑同類土總厚度不應(yīng)低于600 mm，不同類型土的凍脹性不同，宜分層填筑［5］。

含水率變化對粘土回彈模量影響較大。在壓實度和應(yīng)力級位相同的情況下，粘土的含水率從小于最佳含水率3%增加至最佳含水率，回彈模量值最低減少至原有值的34%;粘土的含水率從小于最佳含水率3%增加至大于最佳含水率3%，回彈模量值最低減少至原有值的12%。含水率變化對粉土和砂土回彈模量的影響也較大。在應(yīng)力級位和壓實度相同的情況下，粉土的含水率由小于最佳含水率3%增加至最佳含水率，回彈模量值最低減少至原有值的61%;粉土的含水率從小于最佳含水率3%增加至大于最佳含水率3%，回彈模量值最低減少至原有值的34%。砂土的含水率從小于最佳含水率3%增加至最佳含水率，回彈模量值最小下降至原有值的65%;砂土的含水率從小于最佳含水率3%增加至大于最佳含水率3%，回彈模量值最小降低至原有值的43%［6］。

各國學(xué)者均研究表明:土凍脹性與土的粒徑和級配有重要聯(lián)系，當(dāng)粉粒組成占主要比例時，凍脹性最大;當(dāng)粘粒含量占主要比例時，水與土粒發(fā)生作用，土體滲透性大幅度降低，從而影響正凍水分的遷移積聚，故凍脹性下降。

通過調(diào)查研究顯示，路基土中顆粒粒徑越小，受凍融作用影響越大。粘性土中粘土顆粒粒徑較小，土的塑性指數(shù)(Ip)是粘性土重要的物理指標(biāo)之一，土的塑性指數(shù)隨粘粒含量的增大而增大。季節(jié)性凍土東北地區(qū)，路基基層多為粉質(zhì)粘土［7］。

2 含水率

若干密度不變，含水率每增加1%，路基回彈模量平均下降5.6%～11%，同時考慮到含水率增加，干密度會隨之降低，則回彈模量平均降低大于5.6%～11%。盡管低含水率土強度高，但隨著含水率逐漸增加，土體的回彈模量下降速度較快。土基回彈模量降低幅度與土體含水率降低幅度成正比，含水率越低，土體穩(wěn)定性越差。因此，一般要求路基土在最佳含水率附近時壓實，可達到最大干密度值［8］。根據(jù)相關(guān)資料和調(diào)查顯示，公路竣工初期含水率變化范圍為10%～20%，通車運營幾年后路基土含水率變化范圍普遍為15%～35%，比公路竣工初期增長5%～10%［9］。在相同壓實度和土質(zhì)的條件下，路基回彈模量與含水率成反比，含水率平均每增加1%，路基回彈模量降低2 MPa［10］。Pnig對美國南部佛羅里達州5種路基土，分別進行最佳含水率、土體飽水狀態(tài)、土體疏干狀態(tài)下的路基土回彈模量試驗研究。結(jié)果表明從土體飽和狀態(tài)到疏干狀態(tài)，路基回彈模量受含水率影響較大，回彈模量增加了3～5倍。根據(jù)以上國內(nèi)外研究表明，試件回彈模量受含水率影響較大，因此含水率是影響路基回彈模量的最重要因素［6］。

在季節(jié)性冰凍地區(qū)，路基土中含水率起到土顆粒間潤滑劑作用，而在凍融循環(huán)作用下，土顆粒間聯(lián)接力和土體孔隙率均受到含水率的影響，含水率較高時，水分充滿于土顆粒間孔隙，但在凍結(jié)過程中，首先土顆粒間孔隙水分凍結(jié)膨脹導(dǎo)致孔隙體積增大并損壞原有土顆粒間的聯(lián)結(jié)形式;其次未凍結(jié)區(qū)中水分遷移至凍結(jié)區(qū)并凍結(jié)成冰，會更增強凍脹作用對土強度的影響。

路基含水率是隨一年四季降雨量、蒸發(fā)量和氣溫的周期性變化而發(fā)生變化。自然界的水分采用不同途徑浸入路基中，這些水分在路基中不斷地進行規(guī)律性的遷移，最終在自然狀態(tài)下竣工后的路基土含水率形成一個新的平衡。路基施工通常在最佳含水率正負2%之間進行壓實，但公路運營通車多年后路基土的含水率會較竣工時有較大增長，即路基濕度大幅度增大。因此，根據(jù)以上分析得到路基土含水率變化大約在8%～25%［11］。

3 壓實度

路基變形引起道路破壞占到所有道路損壞的80%，而影響路基變形的關(guān)鍵因素是路基強度的大小，因此路基土的壓實為路基施工中的一個關(guān)鍵工序，同時也是提高路基穩(wěn)定性與強度的根本技術(shù)手段。充分壓實能夠使路基的密實度大幅度提高，對提高公路整體強度有非常重大的意義。有相關(guān)資料表明，壓實度從99.5%減少至89.6%，路基回彈模量減少了67.8%，壓實度平均每降低一個百分點，路基回彈模量值降低6.8%。在最佳含水率條件下，壓實度水平大致范圍為90%～100%，比如黃土回彈模量與試件干密度成正比，隨著干密度的增大而增大;壓實度在變化范圍為95%～98%時，土基回彈模量隨壓實度增長而增長幅度較大速度較快［8］。

在最佳含水率、同等應(yīng)力情況下，壓實度對砂土回彈模量的影響較小，對粘土和粉土回彈模量影響較大，例如當(dāng)壓實度從96%降低至90%，粘土的回彈模量最小減小至原來的65%，粉土的回彈模量最小減小至原來的70%［6］。尤其對季節(jié)性冰凍土，壓實度是引起回彈模量變化的重要因素，其直接影響土顆粒間的聯(lián)結(jié)形式，較大的壓實度可以減小土顆粒間孔隙體積，進一步加強土顆粒間的固—固連接型式，使凍脹能力在凍融循環(huán)作用中能力增強。路基設(shè)計規(guī)范中規(guī)定:高速、一級公路0～80 cm范圍內(nèi)路基，其路基壓實度要求達到96%以上［12］。

相關(guān)資料表明，未飽和的細粒土中有個對凍脹性異常敏感的密度值，在這個密度值下繼續(xù)進行壓實試驗，凍脹性成比例地下降，當(dāng)達到室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗的最大干密度時凍脹下降為零;試驗顯示:壓實度范圍為80%～90%的土體凍脹率最大，表明路基壓實度越高其抵抗凍結(jié)能力越高，同時考慮土質(zhì)、含水率、凍結(jié)深度、技術(shù)經(jīng)濟及限制條件等因素，可從上層向下壓實度逐漸降低，高速、一級公路在凍深范圍內(nèi)路基最底層不應(yīng)小于90%，個別困難路段路基壓實度可相應(yīng)降低1%～2%［13］。

4 凍融循環(huán)作用

路基土的凍融循環(huán)作用是凍土力學(xué)和實際工程運用中的重要研究方向。在季節(jié)性明顯的凍土區(qū)，凍融循環(huán)作用對路基有較大的破壞作用。正凍土中水分由上而下，從地表開始逐漸向下凍結(jié)，未凍土中的水分從未凍土區(qū)域向凍融臨界面和冰凍區(qū)遷移聚集并凍結(jié)，并土顆粒間水分從結(jié)合水狀態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)冰，其體積膨脹引起結(jié)構(gòu)疏松，這將增大土顆粒間的間距，凍融作用后土體狀態(tài)如圖1。

圖1 凍融作用后土體狀態(tài)

固態(tài)冰沿豎直方向排列膠結(jié)，因而路基土基模量較高。但季節(jié)性凍土隨著溫度回升逐漸融化，并隨大氣溫度的變化，從地表垂直向下逐漸融化，同時路基上部正融土中的水分不斷地向下遷移聚集，而下部路基基層仍處于凍結(jié)狀態(tài);當(dāng)凍土膠結(jié)物從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時，凍脹力同時也消失殆盡，水分在凍結(jié)過程中朝地表方向逐漸遷移;而在融解過程中逆向遷移，土顆粒間重新進行排列組合［14，15］，這使路基土的孔隙特征發(fā)生較大的變化［16］，土體的孔隙特征變化又必然引起土體的骨架特征相應(yīng)發(fā)生改變，導(dǎo)致傳力骨架發(fā)生內(nèi)部位移，并造成其結(jié)構(gòu)性的變化，從而使土體力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生改變。土顆粒以自重條件下下降、土顆粒間產(chǎn)生豎向壓力、結(jié)合水作用下，土顆粒間產(chǎn)生的膠結(jié)力互相靠近等不同的下降組合形式如:重新進行組合［17］。而已融土要恢復(fù)為土體凍結(jié)前的回彈模量不易，由于凍融循環(huán)作用是個不可逆轉(zhuǎn)的過程。因此季節(jié)性冰凍區(qū)道路設(shè)計時，要在充分考慮凍融作用前后土體物理特性和其力學(xué)性質(zhì)變化的基礎(chǔ)上，確定路基土承載力及其強度設(shè)計。

候恩創(chuàng)通過研究得出:路基土顆粒之間的聯(lián)結(jié)力會隨凍融循環(huán)作用而被逐步削弱，從而土的密度降低，土顆粒間粘聚力和土基回彈模量減小，同時含水率增大、壓實度減小使回彈模量下降幅度增大。土顆粒間粘聚力和土基回彈模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小，但在三個凍融循環(huán)期后逐漸趨于穩(wěn)定［18］。有調(diào)查研究顯示，土體的剪切強度在反復(fù)凍融作用下有大幅度地降低，同時得出一次凍融循環(huán)后強度下降程度較為明顯，之后凍融循環(huán)隨次數(shù)增加其強度下降程度逐漸減少［7］。通過研究發(fā)現(xiàn)，試件通過較慢的凍結(jié)過程，水分凝結(jié)成冰后的體積驟增，土顆粒間粘聚力被破壞，試件體積急劇增加，試件內(nèi)部有細小裂隙，這均是導(dǎo)致凍融循環(huán)后試件回彈模量下降的原因。因此凍融作用周期對土的力學(xué)性質(zhì)有一定程度弱化作用。

尤其對季節(jié)性地區(qū)凍土，存在凍結(jié)和融化的過程，而回彈模量受反復(fù)凍融作用的影響較大，同時凍融土的力學(xué)性質(zhì)也有較大的變化;凍融循環(huán)作用對土體結(jié)構(gòu)有弱化作用，土樣回彈模量在凍融后有不同程度地降低［19］。

我國北方地區(qū)大多屬于季節(jié)性凍土區(qū)，如西北、華北、東北等季節(jié)性冰凍地區(qū)。西北季凍區(qū)全年四季分明，多為半濕潤半干旱季風(fēng)氣候;華北季凍區(qū)多為季風(fēng)型大陸性氣候，四季分明，季風(fēng)明顯，春季多風(fēng)、干燥，夏季多雨溫?zé)?，秋季溫度適中，冬季嚴(yán)寒少雪;東北季節(jié)性凍土區(qū)，春季多干旱、大風(fēng)，夏季多雨炎熱，秋季涼爽，冬季酷寒，年平均氣溫范圍為8～10℃，歷史最高日氣溫為34℃，歷史最低日氣溫為-22℃，最大凍深為1.2 m，年平均降雨量為550～650 mm，降雨集中于7、8月。新疆季凍區(qū)空氣干燥、晝夜溫差較大、日照充沛、植被稀少、蒸發(fā)量大、降雨量少。通過相關(guān)調(diào)查研究顯示，凍融循環(huán)作用大于10次后，除含水率較大的試件融沉量未收斂外，其余均已逐漸趨于穩(wěn)定值［7］。

5 結(jié)論

本文針對季凍區(qū)回彈模量，在前人調(diào)查研究基礎(chǔ)上，分析了季凍區(qū)土質(zhì)、含水率、壓實度、凍融作用對土強度的影響及變化范圍，提出了季節(jié)性冰凍地區(qū)凍融循環(huán)作用下，室內(nèi)試驗凍融循環(huán)次數(shù)，為季節(jié)性冰凍地區(qū)凍融循環(huán)作用下路基土回彈模量的合理確定及下一步進行大量室內(nèi)小型試件試驗提供了理論依據(jù)，并為季節(jié)性冰凍地區(qū)路基設(shè)計提供參考和依據(jù)。結(jié)合我國季凍區(qū)實際情況，得出如下結(jié)論:

1)在季凍區(qū)，土粒徑越小，受凍融作用影響越大。當(dāng)粉粒含量占主要比例時，土的凍脹性最大。因此建議室內(nèi)試件凍融循環(huán)試驗塑性指數(shù)為小于17的粉質(zhì)粘土與大于17的粘土。

2)土的回彈模量受含水率影響較大。土樣回彈模量與含水率成反比，即土含水率越低對應(yīng)土的回彈模量越高。運營通車一段時間后路基土含水率約為15%～35%，比初期增長5%～10%。

3)土的回彈模量受壓實度影響也較大。在季凍區(qū)土質(zhì)在壓實度為80%～90%時凍脹率最大。表明路基抗凍性與壓實度成正比，即壓實度越高抗凍性越好，同時考慮諸多因素，可從上層開始壓實度逐層降低。

4)針對季凍土，回彈模量受反復(fù)凍融作用影響較大，且反復(fù)凍融循環(huán)作用對凍融土的性質(zhì)亦有較大影響。通過本文分析得到三、四次凍融作用后土強度衰減不強烈，而凍融循環(huán)超過10次以后，土強度趨于穩(wěn)定狀態(tài)。因此建議室內(nèi)試件凍融循環(huán)試驗次數(shù)為12～15次。

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