高寒地区路基填土冻融循环后的强度研究

2011-07-13尚云飞

黑龙江交通科技 2011年12期

关键词：冻融循环冻土碎石

尚云飞

(1.北黑高速公路建设指挥部;2.黑龙江省公路勘察设计院)

高寒地区路基填土冻融循环后的强度研究

尚云飞1，2

(1.北黑高速公路建设指挥部;2.黑龙江省公路勘察设计院)

在高寒地区较为理想的路基填土是碎石土，为进一步了解碎石土在冻融循环后的强度变化规律，在不同试验路段选取具有代表性的土样，在最佳含水率、不同压实度的条件下进行了不同冻融循环次数的室内CBR试验，试验结果表明:各标路基土在经过冻融循环作用后CBR强度均有所降低，压实度是影响路基填土强度的主要因素。研究可为今后高寒地区碎石土路基及类似土质路基的施工和设计提供理论支撑。

路基;碎石土;冻融循环;CBR值

0 引言

高寒地区的冬季气温较低，且负温持续时间较长，地表冻结深度普遍在2.5 m左右。路基冻害一直是困扰我国北方地区特别是中、重度冻土地区公路建设的一个难题。路基中的温度和含水率在一年之内随着外界温度季节性的改变而发生着有规律的变化，冬季在负温的影响下，路基中的水分在温差的作用下向冻结锋面迁移积聚并最终产生冻结，春季冻结的路基土又随着大气温度的升高而融化，经过冻融循环后土体强度的降低对路基和路面的稳定性都会带来严重的影响，它不仅降低道路的使用质量，而且减少道路的使用寿命。

冻土广泛分布在世界各大洲，我国冻土占国土面积的62.7%。冻土的研究越来越受到广大专家和学者的关注，目前国内研究成果大都是针对冻土的冻胀因素及防治措施，而对高寒地区路基土经过冻融循环后的强度变化规律只是零星的研究，许多方面还是空白。

填入工程概况，在本项目中选择具有代表性的土样，研究碎石土在经过不同冻融循环次数后CBR值的变化，对今后高寒地区碎石土路基及类似土质路基的施工和道路冻害防治具有一定指导作用。

1 碎石土的物理性质

按我国《公路土工试验规程》JTG E40－2007中关于土体分类，天然碎石土是指粒径大于2 mm的颗粒含量超过总质量的50% 的土，根据颗粒形状以及大小，由大到小，包括:漂石(块石)、卵石(碎石)、圆砾(角砾)。试验用土选用的是具有代表性的北黑公路A11、A12标段路基土，各标段土样的物理力学性能指标见表1。

表1 各标路基土的基本物理性质试验结果

2 冻融循环试验

CBR 即加州承载比，起源于美国加利福尼亚州，是一种以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征其承载能力的试验方法。本试验模拟了碎石土在满足不同压实度的条件下，经过不同冻融循环后次数后，处于受水浸泡土颗粒间孔隙被水充填等最不利环境下，填料联结强度降低的实际情况。

本试验制备了在最佳含量率条件下三种不同压实度的试件，不同压实度的试件每层击实变数不同，分别为30次、50次和98次，对应的压实度为93%、96%和100%。各个标段每种压实度共配制12个试件，每组三个平行试件，第1组制件后泡水4 d进行CBR试验，第2组、第3组和第4组制件后则要分别经过1、2和3个冻融循环作用的处理(即根据前期采集的路基中的最低温度为－21.9℃，因此将低温试验箱的温度调至－22℃待温度稳定后将试件放入其中进行冻结，冻结16 h后取出，在室温下融化8 h，按照相同的冻融方法完成相应的冻融循环次数。每次冻融作用前后都要称取试件质量，如果质量损失率超过5%则停止试验补做试件)，待试件完全融化后泡入水中，浸水4 d后再进行CBR的试验，以此来对比分析不同压实度的试件在经过不同冻融循环作用后的强度变化规律。

试验不能用烘干土样，是因为烘干土样会破坏土中有机质。将碾碎的风干土过5 mm筛，取筛下土供做试验。测定风干土含水率，估算所需风干土质量，按预定含水率计算用水量，按计算结果称取所需土和水的质量，将其均匀拌和装入塑料袋内密封闷料一夜备用。制件时，将土分三层装入击实筒内，每层的装入量应使击实后的试件高度等于或高于筒高的1/3，第一层击实后，将土体层面“拉毛”然后在装入套筒，重复上述方法进行其余各层的击实，最后用修土刀齐筒顶削平试样，将配置好的试件第1组泡入水中，其他组则放入低温箱中按着不同冻融循环次数进行冻结。

做CBR试验时，将泡水试验终了的试件放到CBR试验仪升降台，整平并使贯入杆与试件顶面完全接触，在贯入杆周围放置4块荷载板。先在贯入杆上施加45 N荷载，然后将测力和测变形的百分表指针均调整至整数。加荷使贯入杆以1～1.25 mm/min的速度压入试件，同时测记三个百分表的数，计算出贯入量为2.5 mm和5 mm时的CBR值，如果贯入量为5 mm的承载比大于贯入量2.5 mm的承载比，则采用5 mm时的承载比。根据三个平行试件的CBR值计算变异系数，如果小于12%取三个值的平均值，如果大于12%则去掉一个偏离最大值，取其余两个值的平均值。

3 试验数据分析

CBR值在一定程度上反映了压密土体的局部抗剪强度，而饱水4 d是该试验的一个重要条件，饱水程度(即土体中的含水率)对于其抗剪强度有着重要的影响。在高寒冻区，通过CBR试验可以有效地反映出路基融化后浸泡在水中时，土体结构是否还有足够的强度和稳定性。各标试件的试验结果如图1、图2所示。图中A、B、C分别代表每层击实次数为30次、50次、98次不同压实度下的CBR值变化程度。

图1 A11标CBR变化曲线

图2 A12标CBR变化曲线

由以上两个图分析可知，在冻融作用次数相同的条件下，击实功越大土体的CBR值就越大，这主要是因为被压实土体的颗粒在欠密实的状态下存在许多大小不等的孔隙，在击实的作用下，土颗粒间的位置发生变化出现了相互填充现象，即较大颗粒形成的间隙由较小颗粒来填充，较小颗粒的间隙由水分来填充，被压实土体中空气的含量也在击实过程中减少了。土体颗粒间孔隙的减小，密实度增大，被压实土体之间间隙减小使其颗粒间接触面积增大，导致被压实土体间的粘聚力和内摩擦阻力增大，其强度也有所提高。

从上图也可以看出各标的碎石土试件在经过冻融循环后CBR强度均有所降低，这是由于土颗粒表面的结合水膜在冻结时产生了膨胀，加大了土颗粒间的距离，而融化后又浸泡在水中，土颗粒间产生的距离则被自由水填充，进一步降低了土颗粒间的作用力，同时由于碎石土本身所含粘性颗粒就比较少，粘聚力也比较小，因此经过冻融循环后其强度也就越低。在第1个冻融循环的作用后CBR的衰减程度较大，经过第2、第3个冻融循环后CBR虽然有所衰减但衰减程度相对较小，这是由于土样在第一个冻结过程中产生的冻胀量是最大的，融化后土颗粒间的间距变化量也是最大的，因此在浸水4 d后CBR的衰减程度也是最大的。通过以上分析可以看出冻融循环作用对碎石土的强度影响还是比较显著的。