季节性冻土区粉砂土路基变形特性研究

杨 智

(同济大学建筑设计研究院(集团)公司，上海 200092)

1 引言

在季节性冻土的分布地区，土体的冻胀和融沉是造成路基病害的主要原因[1]。而导致土体冻胀的主要原因之一便是水分迁移[2，3]，此外，影响土体冻胀、融沉的重要因素还包括土体的土质[4，5]。早在半个多世纪前，相关研究人员便针对季节性冻土中土体的冻胀、融沉等因素与土体冻融循环之间的关系展开一系列的研究[4]。Everett[6]提出的毛细理论，即第一冻胀理论，开启了对土体冻胀的认识。由于Everett[6]提出的毛细理论不完善、存在缺陷，Miller[7]提出了冻结缘理论，即第二冻胀理论。冻结缘理论克服了毛细理论中对于土体冻胀边界条件论证不充分的不足，并借以第一理论的相关内容进行补充。关于土体的融沉，其原理与冻胀相似，同样受外部各种因素影响。其中，影响融沉系数变化的重要因素之一便是粉粘粒的含量[1]。在土体融沉方面的相关研究中，国外学者Morgenstern等[8]提出了关于土体融沉与其影响因子之间关系变化的计算模型。此外，还有Klinova等[9]通过室内试验，研究了融沉与压实度、融沉与含水率之间的联系；Tanaka Toshiya等[10]利用建模及室内试验，对土体融沉时的相关特性展开了一系列研究。

在道路建设过程中，路基阴坡与阳坡的存在，也会造成路基的差异沉降。丑亚玲等[11，12]通过现场监测青康公路阴阳坡效应明显路段路基的地温、变形，发现道路路基的阳坡面达到最大沉降的时间与阴坡相比，明显滞后于道路路基的阴坡面。且变形差异随时间增加而加剧，极大影响了道路路基的稳定性。王威娜等[13，14]为研究路基阴阳坡坡面温度差异，对公路路基变形发育过程产生的影响，对季节冻土地区道路路基温度场的变化进行了相关模拟分析，并揭示了路基破坏机理，提出在道路设计与养护过程中，路基的阴坡面、阳坡面需采取不同的措施以减轻阴阳坡温度差异，保证路基稳定性[15，16]。为避免以往试验环境单一，本文采用多组土体在不同冻融循环次数作用、不同压实度作用及不同含水率作用下进行室内压缩试验，将不同环境下得出的试验结论，作为有限元模拟的边界条件，通过Abaqus仿真分析筛选出不同场景、多种边界条件组合作用下的最不利影响，即选取不同的冻土深度值模拟路基阴、阳坡面导致的横向差异沉降，以克服以往仅在冻融循环单一因素作用下产生的影响，造成仿真及运用效果不一致的缺陷。同时，为解决实际工程中边坡防护形式单一等问题，提出对路基两侧边坡设置通风管、采用粘性土掺入泥炭包边以及绿化覆盖等复合防护措施，结合工程实例运用的效果，分析总结了粉砂土路基在不同的温度场、冻深差作用下产生的沉降变化。

2 试验设计

2.1 土样性质

试验土样取自吉林省松原市石化大街工程中不同路段的路基填土，取土深度为3～6m，对取回的土样在实验室进行天然含水率测定试验、土的击实试验、液塑限试验以及土粒相对密度等试验，测得如下土的物理性质，详见表1。

表1 土样的基本物理力学指标

2.2 土样制备以及试验方案

依据土样的基本物理力学性质可知，土样的最优含水率为13%，为了更加接近路基工作时的实际情况，本次试验设定的含水率分别为10%、13%、16%三种；压实度为0.85、0.9、0.95三种；将土样放入环刀中进行制备，本次试验的冻结温度为-20℃、融化温度为20℃；冻结融化时间分别为6小时，为了更加接近外界的冻融环境，本次试验对土样施加冷源的方式为单面冻结。将制备好的三种含水率、三种压实度共九种土样分别进行0、3、5、10、15次的冻融循环试验。再将完成冻融循环试验后的土样，放至土体固结仪内进行土体固结压缩试验。

3 数据处理

3.1 冻胀与融沉

冻胀与融沉分别用冻胀率与融化下沉系数表示，图1分别为冻融循环对冻胀率与融化下沉系数的影响。

图1 冻融循环作用对冻胀率的影响产生的变化关系

图1反映的是土样经过冻融循环作用，对冻胀率的影响产生的变化关系，从图中看出冻胀率随冻融循环次数的增加，先增加后减少再趋于稳定。反复多次的循环冻融将改变土体原始的性状，使土体发展成为一个新的、稳定的平衡动态，反复冻融的过程亦是土体密实的过程[15]。冻融循环3次时，土样由于是单面冻结，水分会向冻结锋面迁移，融化时也会有部分水分蒸发。历经3次冻融循环后，土样内部的水分逐渐产生不均匀分布，孔隙间距随之加大，同时冻胀率达到最大值。反复多次的冻融循环作用将使土体变得更加密实，冻胀率大小的变化逐渐趋于稳定。因此，结合试验结果分析出：在循环冻融3次时冻胀率最大，循环冻融10次后冻胀率值的变化将趋于稳定。图1(a)反映了含水率值固定时，冻融循环作用及压实度的大小与冻胀率之间的关系。即：含水率值不变，冻胀率随着压实度的增大而增大；同时，压实度越大，单位体积土样内的土颗粒含量越多，导致单位体积土体经过冻融循环作用后产生的冻胀现象越明显，冻胀率也越大。图1(b)反映了压实度值固定时，冻融循环作用及含水率与冻胀率之间的关系。即：压实度值不变，冻胀率随着含水率的增大而增大；同时，压实度不变，单位体积土样内的土颗粒含量相同时，含水率越高，导致单位体积土样经过冻融循环作用后产生的冻胀现象越明显，冻胀率也越大。

图2反映的是土样经过冻融循环作用，对融化下沉系数的影响产生的变化关系。图2(a)反映了，含水率值固定时，融化下沉系数的大小，随着试验土样压实度的增大而减小。图2(b)反映了，压实度值固定时，融化下沉系数的大小，随着试验土样含水率的增大而增大。此外，从上图中整理的试验结果可以看出，试验土样经历的冻融循环次数逐渐增多时，融化下沉系数随之逐渐减小。当试验土样在经历3次冻融循环后，试验土样的融化下沉系数达到最大值；当试验土样在经历5次冻融循环后，试验土样的融化下沉系数逐渐趋于稳定。由于，试验土样经历3次冻融循环后，导致土样内部颗粒进行重新排列，土颗粒间的孔隙随之增大，土体变得稀疏，冻胀量也较大。尤其在升温后，试验土样融化的现象会更加明显，融化下沉系数会达到最大值。由于土样经历反复多次的冻融循环过程，该过程亦是土体被压密实的过程。因此，多次冻融后试验土样颗粒的位置相对稳定，融化下沉系数亦逐渐趋于稳定。

图2 冻融循环作用对融化下沉系数的影响产生的变化关系

3.2 冻融循环对压缩系数的影响

图3中的关系曲线反映了含水率分别为10%和16%时，冻融循环作用的次数与压缩系数间的关系。从图3(a)、图3(b)得出，冻融循环作用的次数越多，压缩系数先增大后减小。在冻融循环作用3次的时候，试验土样的压缩系数达到最大值。压缩系数是判别土压缩性的指标，冻融循环3次后压缩系数最高，说明此时土的孔隙最大，土体最疏松，最容易压缩，10次后趋于稳定。试验土样经历3次冻融循环作用时，由于土体内部水分反复进行迁移，使得土体内部土颗粒之间的孔隙增大。经历10次冻融循环作用后，反复作用在试验土样内的冻融循环过程，使土体更密实，所以冻融循环10次与15次时的压缩系数相近。

图3 冻融循环次数与压缩系数关系曲线

4 仿真研究

本次试验针对吉林省松原市石化大街路段路基建立路基结构模型，并采用Abaqus有限元分析软件以不同冻深值模拟路基阴、阳坡作用下产生的沉降进行分析。首先，将填方段路基结构分为上、下两层。上层为冻土层，下层为非冻土层，下层上部采用砂砾土回填，下层底部采用碎石回填。通过变换上层路基土的冻土深度，模拟的冻深为0.8m、1.0m、1.2m。在有限元分析中，应力分析模型采用摩尔—库伦模型，并作出如下基于一维固结的假设：

图4 路基计算模型

1)路基填料为均质、各向同性；

2)土体的压缩与固结仅仅在竖向发生，即一维固结；

3)整个固结过程中，渗透系数、压缩模量定义为常值；

4)考虑行车荷载的影响，在土体表面作用着连续均布荷载，并且是一次施加的。

阴阳坡的温差导致冻深值的不同，继而导致路基横向差异沉降。因此，本次模拟通过分析不同冻深时路基沉降特征，可以在一定程度上反映冻深不同的阴阳坡的路基横向差异沉降大小。对于路基差异沉降方面的研究，吴紫汪等[13]通过对冻土路基的监测和研究认为路基差异沉降年变化幅度小于1cm时能保证路基稳定；差异沉降在3cm～4cm时，路基则会失稳破坏。向一鸣[14]提出，将季节性冻土地区1.5cm路基差异沉降作为沉降差控制标准，所对应的容许变坡率为0.12%。

4.1 材料所需参数

表2 各参数具体值

4.2 沉降等值线云图

图5、图6、图7为含水率16%、压实度0.85时模拟冻深为1.2m、1.0m、0.8m路基顶部沉降量等值线云图。从路基沉降等值线云图中可以看出，随着外界温度的降低，当路基阴、阳坡坡面冻深差值为0.3m时，有限元仿真模拟路基的横向差异沉降量为0.37cm、0.797cm，变坡率为0.062%、0.133%，横向差异沉降量均在容许范围内，但变坡率0.133%(0.8m和1.0m)超过容许变坡率0.12%。当路基阴、阳坡坡面冻深差值为0.6m时，有限元仿真模拟路基的横向差异沉降量为0.821cm，变坡率为0.1368%，变坡率超过容许变坡率0.12%。因此，当阴阳坡冻深相差0.2m(1.0m和1.2m)和0.4m时，路面会由于路基横向差异沉降发生破坏。

图5 冻深为1.2m路基沉降等值线云图

图6 冻深为1m路基沉降等值线云图

图7 冻深为0.8m路基沉降等值线云图

5 工程实例

吉林省松原市石化大街道路全长3km，规划红线50m宽，按一级公路标准建设，在石化大街建设过程中，提出如下路基处理方案：清除0.5m杂填土后，对路基原槽进行处理，换填50cm碎石后，采用砾石砂分层回填至路床顶部。路基两侧采用1.5m粘性土包边，并在包边土中掺入泥炭进行保温，坡面铺筑草皮并结合塔头草种植，对路基边坡进行防护。沿道路纵向，每隔30m左右设置一处通风管进行温度调控，以减小路基阴阳坡的横向差异沉降。工程完工6个月后，选取其中1km路段进行沉降观测，在道路中心线及两侧边坡(阴阳坡)坡顶每隔50m设置一处监测点，共计20处。将监测的数据整理后，得到如下路基阴、阳坡的横向差异沉降曲线。

从图8看出，对路基的阴、阳坡采取一定保温及通风措施后，产生的横向差异沉降最大值为1.07cm，最小值为0.48cm，均可控制在1.5cm范围内，允许变坡率也在容许值0.12%范围内。

图8 阴阳坡横向差异沉降曲线

6 结论

1) 土体的含水率、压实度及冻融循环作用次数等指标对冻胀率的影响：冻融循环作用5次时的冻胀率最大；冻融循环作用3次时的冻胀率次之；冻融循环作用10次后，冻胀率值的变化趋于稳定。即：当冻融循环作用次数增加，冻胀率值的变化为，先增大后减小，最后趋于稳定。此外，含水率、压实度两种指标与冻胀率呈正相关关系。

2) 土体的含水率、压实度及冻融循环作用次数等指标对融化下沉系数的影响：融化下沉系数曲线的大体呈下降趋势，冻融循环3次时的融化下沉系数最大，冻融循环5次后融化下沉系数趋于稳定。土体压实度的增加导致融化下沉系数减小，二者呈反相关关系；土体含水率的增加导致融化下沉系数也增大，二者呈正相关关系。

3) 冻融循环对压缩系数的影响：压缩系数是土体压缩性重要的的判别指标之一。土体冻融循环作用次数的增加，土的压缩系数将先增大再减小。在历经3次冻融循环作用时的压缩系数值达到最大。

4) 当路基阴、阳坡坡面的冻深差为0.2m(1.0m和1.2m)、0.4m时，含水率值为16%、压实度值为0.85时的路基填土的横向差异沉降均较大，相对应的变坡率值分别为0.133%和0.1368%，均大于容许变坡率，路基发生失稳，导致路面发生破坏。

5) 对路基的阴、阳坡采取泥炭保温、草皮护坡及通风措施后，产生的横向差异沉降均可控制在1.5cm范围内，允许变坡率也在容许值范围内，对防止路基阴、阳坡产生的横向差异沉降是合理有效的。