长春地区公路路基土冻胀敏感性因素分析

2012-03-19赵安平李方慧石桂梅

黑龙江大学工程学报 2012年2期

赵安平，王清，李方慧，石桂梅

（1.黑龙江大学建筑工程学院，哈尔滨150080；2.吉林大学建设工程学院，长春130026）

0 引言

东北地区是我国最大的商品粮生产基地和重工业基地，交通运输车辆多，负荷大，运输任务繁重。为保障粮食及时外运及国家振兴东北老工业基地项目的不断深化，势必要求在该地区修建数量更多、等级更高的公路。然而路基土冻胀引起的冻害一直是困扰该地区公路建设的突出问题，公路管理部门统计表明，公路病害约70%以上是冻胀造成的［1］。

而我国现有寒区道路工程方面的研究多针对多年冻土区，季节冻土区冻害研究相对薄弱［2－3］，对高速公路来说，更为少见［4］。因此，研究季冻区路基土冻胀具有十分重要的工程意义。本文以吉林省内干线公路（长春－四平一级公路、长春－松原线、长春－吉林北线）为研究对象，通过室内试验和野外调查观测，从宏、微观方面分析路基土冻胀的敏感性因素，以期对该地区道路冻害防治工作有所裨益。

1 路基土冻胀的产生

东北地区冬季寒冷，细颗粒土（粉土、黏土）路基温度降至0℃以下时，土中孔隙水原位冻结，以及外界水源（冻结面以下的水分）向上迁移到冻结面集聚成冰（分凝冻胀），引起路基冻胀，使路面产生不均匀变形或过量变形。春季路基解冻，集聚的冰晶体融化，而下部仍处于冻结状态，水分不能及时排出，路基土处于饱和或过饱和状态，承载力极低，在交通车辆作用下发生路面鼓包、裂缝和翻浆冒泡等病害［5］，严重危害交通安全。

从工程角度讲，原位冻结产生的冻胀量可忽略，冻胀主要是水分迁移引起的分凝冻胀，水分迁移发生在地表浅层非饱和带中，冻胀实质是毛细水和薄膜水迁移。

随着路基土表层温度下降，水中的杂质在负温下形成结晶中心，使土中水结晶成冰。冰晶体周围活动性较强的薄膜水分子受结晶力作用，逐渐迁移至冰晶体冰峰上冻结形成冰晶格架，土颗粒成为冰结晶的结晶核。水分的迁移使结合水膜变薄，打破了原有土粒电子吸引力平衡状态，同时使土中阳离子浓度增加，产生渗透压力。在不平衡力、渗透压力及温度梯度等力场作用下，下卧土层未冻区水膜较厚的薄膜水被上吸至水膜较薄的冻结区参与冻结，冰晶体逐渐生长。若未冻区存在水源（地下水位距冻结深度很近）及适当的水源补给通道，水分连续不断补充到冻结区来，冰晶体不断扩大，最后形成冰夹层或聚冰层，冻胀由此产生。

2 路基土冻胀敏感性因素分析

2.1 土

2.1.1 土的粒度成分

颗粒大小反映土粒表面力场的差异性，这种表面效应指标是比表面积。颗粒由大变小，比表面积由小变大，与水相互作用的能量越高，直接影响水分迁移能力，导致冻胀变形特征不同。根据以往研究成果，土中粒径在0.05～0.005mm之间的粒组含量高时，冻胀性最强［6］。

研究区路基土颗粒分析结果见表1。

表1 粒度成分分析表Table 1 Analysis of granularity component

由表1可见，研究区路基土0.075～0.005 mm的粒组占优势，具备冻胀的优势条件。

2.1.2 土的矿物成分

原生矿物化学稳定性较好，对冻胀影响较小，但随着矿物（如石英）颗粒变小，表面能增大，未冻水含量增加，水分迁移量增大。次生矿物化学稳定性较差，对冻胀影响较大，不可溶次生矿物中黏土矿物对水分迁移的影响最大。其中，蒙脱石晶胞间以O－与O－连结，结晶格架活动性大，亲水性强，对水分迁移影响最大。伊利石结晶格架的活动性比蒙脱石小，亲水性也相应较低。高岭石结晶晶胞以O－与OH－连结，连结力强，水分子无法进入晶胞内，亲水性较小，对水分迁移影响小。

以X粉晶衍射为测试手段，测得土样矿物成分分析结果，见表2。

表2 X射线矿物衍射分析测试成果表Table 2 Analysis of mineral component by X－ray diffraction

由表2可见，3个土样中黏土矿物主要为伊利石和伊蒙混层矿物，均具有较好的持水性和较强的亲水性，能形成较厚的弱结合水膜。而未冻水含量测试结果发现，在一定温度范围内（0～10℃），长吉北线未冻水含量＞长四线＞长松线，温度越低，差值越小，见图1。

图1 未冻水含量与温度变化关系图Fig.1 Relation between temperature and unfrozen water content

由表2和图1可见，土中未冻水含量与黏土矿物含量有关，长松线路基土伊利石和伊蒙混层矿物含量较高，具有较好持水性和较强亲水性，形成较厚的弱结合水膜，未冻水含量低，供迁移的水分少，长吉线正好相反。总体上，随亲水性强黏土矿物含量增加，未冻水含量减少，水分迁移量减小。

2.1.3 土的化学成分

主要针对盐类（如NaCL，Na2SO4及CaCL2等）对冻胀的影响，研究普遍认为高水化能的盐类有助于抑制冻胀。本研究3个路段易溶盐总含量均＜0.1%，盐胀影响较小。但含有较多Na＋，这使分散性较差的粉质亚黏土结合水膜增厚，利于毛细水通过，从而使毛细水上升高度增大。

2.1.4 土体微观结构

土冻胀影响的微观因素，主要考虑粒度大小、结构单元体、微观孔隙及微观结构类型的影响。本研究选择了2个层次：对黏土、粉质黏土采用放大倍数为800～2 000，粉土为400～2 000。

经WD－5图片分析系统分析SEM图片（图2），土结构单元体大小分布见表3。

图2 电镜图片（A：粉质黏土，B：黏土）Fig.2 Various soil SEM photos in test roads

表3 结构单元体直径大小百分含量Table 3 Analysis of diameter of units of structure／%

经SEM图片分析，土结构单元体主要粒径分布在2～5μm和5～10μm两段，无＞20μm和＜1μm的，1～2μm和10～20μm的也较少。可见颗粒团聚性较强，主要发育为团聚状结构单元体。

微观孔隙定量分析结果见图3，＞10μm几乎为零，5～10μm的中孔隙不发育，＜1μm和1～2μm的微孔隙发育，有利于毛细水迁移。观察SEM图片见颗粒间多以边－面形式接触，孔隙连通性较好，毛细性强，为水分迁移提供较好的通道，在有外界水分补给的情况下容易发生冻胀。

图3 微观孔隙定量分析图Fig.3 Analysis of diameter of micro pores

同时，SEM图像显示，研究区土多呈絮凝状结构。伊利石和伊－蒙混层矿物为主的片状黏土矿物以絮凝体和团聚体形式存在于土体中，以 “桥”的形式胶结颗粒，接触连结和结合水连结为主，连结较牢固，产生的结构强度较大。由于团聚结构及结构单元体排列的不定向性，颗粒之间微孔隙发育，提供了毛细水上升的通道，也使大量结合水具有赋存空间。因此，黏粒提供了结合水及水分迁移的物质条件，团聚体中的孔隙提供了水分迁移的空间条件，这样即使在地下水位较低的情况下，土中仍存在可供迁移的水，仍能产生较大的冻胀。

2.1.5 土体密度

研究发现，压实度对冻胀影响有一个敏感值，在此值之下，冻胀率随压实度增加而增加，此值之上，冻胀率随压实度增大而降低，见图4，研究区敏感值推荐为95%左右。笔者认为，在敏感值之下冻胀率随压实度增大而增加，是因为形成有利于水分迁移的毛细孔隙，敏感值之上压实度进一步增大，土颗粒之间形成较强的结合水膜连结，阻塞了水分迁移通道。

2.2 水

在一定土质条件下，土中水分多少是引起土体冻胀强弱的基本因素之一。路基土体水分来源一般有3个方面：大气降水、地下水补给和各种给排水工程［7］。

当地下水饱水带处于冻结线以上，土体冻结时孔隙被体积膨胀的冰完全充填，下部未冻结土体中水虽然有向冻土段迁移的趋势，但迁移通道（孔隙）完全被堵塞，迁移基本不发生。

图4 黏性土冻胀率与密度关系Fig.4 Relation of frost heaving and density of clay

而包气带内土为非饱和土，土颗粒表面吸附结合水，未被液态水占据的空隙中有空气及气态水，这为水分流动提供了必要的通道。当冻结深度达到毛细水上升范围时，上部毛细水受影响向上迁移，下部饱水带的水通过毛细通道源源不断地向上运动，从而使地下水位以上土含水率显著增大，冻胀性强。但是受土颗粒引力和孔隙的约束，毛细水上升高度有限。除了毛细水，弱结合水和气态水（迁移量少可忽略）也发生迁移。

本次调查的土样均以粉、黏粒为主［1，8］，毛细上升高度3m左右。但地下水埋深均在7m以下，土层冻结深度为1～1.5m，地下水不通过毛细通道为冻结层提供水分，水分迁移以薄膜水为主。

但是并非所有含水土体都会产生冻胀，只有当土中水分超过一定界限值后才会产生。这个界限值称为起始冻胀含水率。本研究发现，相同土样起始冻胀含水率随压实度增大而减小。压实度相同时，粉质黏土起始冻胀含水率大于黏土，见表4。