大兴安岭路基冻结粉质黏土融沉特性

郭润麒 刘利骄 王淼 孙剑飞 柳艳杰

摘 要：大兴安岭林区公路沿线广泛分布冻结粉质黏土，全球气候变暖导致冻结粉质黏土发生融化沉降。为探究影响大兴安岭路基冻结粉质黏土融化沉降的因素，分析含水率、干密度以及超塑含水率对路基冻结粉质黏土融沉系数的影响，提出 “融沉敏感点”的概念，且得到在“融沉敏感点”前后含水率对融沉系数的影响并不相同；在研究干密度对融沉系数的影响中发现，随着干密度越大其融沉系数以较大的斜率递减；通过分析超塑含水率对融沉系数的影响发现，超塑含水率与融沉系数呈线性增长关系，并通过数据拟合分别给出融沉系数与含水率、干密度及超塑含水率之间的函数关系。

关键词：大兴安岭林区；路基；冻土；粉质黏土；融沉；含水率

中图分类号：S773.3；TB16 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2023）06-0172-05

Thawing and Settlement Characteristics of Frozen Silty Clay in the

Greater Khingan Mountains Forest Region Subgrade

GUO Runqi， LIU Lijiao， WANG Miao， SUN Jianfei， LIU Yanjie

（1.School of Civil Engineering， Heilongjiang University， Harbin 150080， China; 2. Heilongjiang Province Hydraulic Research Institute， Harbin 150080， China）

Abstract：Frozen silty clay is widely distributed along the roads in the Greater Khingan Mountains forest region， and global warming has led to melting and settlement of frozen silty clay. In order to explore the factors affecting the thawing-settlement of frozen silty clay in the Greater Khingan Mountains subgrade， the influence of water content， dry density and superplastic water content on the thawing-settlement coefficients of frozen silty clay in the subgrade was analyzed. The concept of ‘sensitivity limit of thawing-settlement’ was proposed， and it was found that the influence of water content on the thawing-settlement coefficient was different before and after the ‘sensitivity limit of thawing-settlement’. In the study of the effect of dry density on the thawing-settlement coefficient， it was found that the thawing-settlement coefficient decreased with a larger slope as the dry density increased; by analyzing the effect of superplastic water content on the thawing-settlement coefficient， it was found that the superplastic water content and the thawing-settlement coefficient had a linear growth relationship， and by fitting the data， the functional relationships between the thawing-settlement coefficient and the water content， dry density and superplastic water content were given separately.

Keywords：Greater Khingan Mountains forest region; subgrade; permafrost; silty clay; thawing-settlement; moisture content

收稿日期：2023-02-17

基金项目：国家自然科学资金项目（41071049）；冻土工程国家重点实驗室开放基金项目（SKLFSE201802; SKLFSE201919）。

第一作者简介：郭润麒，硕士研究生。研究方向为冻土工程。E-mail： 948005554@qq.com

*通信作者：孙剑飞，硕士，讲师。研究方向为冻土工程与新材料。E-mail： 2007023@hlju.edu.cn

引文格式：郭润麒，刘利骄，王淼，等. 大兴安岭路基冻结粉质黏土融沉特性[J]. 森林工程， 2023，39（6）：172-176.

GUO R Q， LIU L J， WANG M， et al. Thawing and settlement characteristics of frozen silty clay in the Greater Khingan Mountains forest region subgrade[J]. Forest Engineering， 2023， 39（6）：172-176.

寒区交通事业快速发展，大兴安岭地区公路建设越来越多，由于人类工程活动及全球变暖的原因，导致大、小兴安岭公路路基区冻土退化，在饱冰、富冰冻土区，冻土退化使得土体发生融沉破坏，从而导致公路以及建筑物的地基发生沉降，严重威胁了工程的安全。特别是在高温富冰冻土区路基发生地面沉降尤为明显，仅在2011—2017年，部分地区的高温富冰冻土沉降速率就达到0.35 m/a左右。针对于冻土融沉方面，国内外学者也做过大量的研究，何平等将冻土分为非饱和、饱和以及过饱和3种状态，分别给出了融沉系数的计算方法，用以预测和评估无详细地质资料区域冻土的融沉性；Dashjamts等在研究中给出了蒙古哈特高（Khatgal）、乌兰巴托（Ulaanbaatar）和纳赖（Nalaikh）地区的粗粒黏性土和砂质土的融沉变形量与黏土含量、施加初始压力和加热强度的关系；Hazirbaba在冻融循环实验中，发现重塑土的沉降与循环加载过程中产生的超孔隙压力之间存在着很强的正相关性；王效宾等采用BP（Back Propagation）人工神经网络方法建立人工冻土融沉系数的预测模型，并分析了由人工冻土融沉引起的地层位移，提出人工冻土解冻对地层位移场影响的变化规律；Wang等采用探地雷达（ground-penetrating radar，GPR）对多年冻土区管道地基土的冻融状态进行了检测，分析并预测其融沉趋势; Zhang等在估算富冰多年冻土河岸的热状态演变和沉降时提出渗流也是影响融沉的一个因素。科研以及工程人员对冻土的融沉开展了大量研究，但是针对于特定区域的土体研究还需进一步研究。基于大兴安岭地区路基广布粉质黏土这一特性，从含水率、干密度以及超塑含水率三因子分析三者与冻结粉质黏土融沉系数之间的关系，并分析融沉系数与承受荷载对于该区域冻结粉质黏土沉降量的影响。

1 工程概况

加格达奇—漠河公路（加漠公路），南起大兴安岭地区加格达奇，北至中国最北端的漠河市漠河乡，全长574 km，是黑龙江省内一次性建成的里程最长的公路，加漠公路是黑龙江省20条省道之一，也是贯穿大兴安岭地区南北的一条重要的干线公路。研究区位于大兴安岭地区，该地区于寒温带季风性气候，气候较为湿润，夏季炎热潮湿且短暂，冬季寒冷漫长且降水量较少；年平均气温普遍低于0 ℃。研究区有大量的小型河流及沼泽地，其相互交错构成了研究区复杂的地表水系统；冻土中冻结层上水、冻结层中水以及冻结层下水构成了研究区内丰富的地下水系统。研究区工程地质背景复杂多变，第四纪沉积层较厚，浅层地表以黑色黏性土或粉质黏土为主，部分区域地表以砾石、碎石等粗颗粒物组成，下伏基岩为强风化花岗岩坡残积物，少数区域地以强风化花岗岩为主。研究区域风粉质黏土分布广泛，成为科研工作者及工程人员研究的热点话题。

2 试验材料及方案

2.1 试验材料

以大兴安岭林区的加格达奇—漠河公路沿线冻结粉质黏土为研究对象，根据《冻土工程地质勘查规范》（GB 50324—2014）的要求对松散地层和高含冰量土体分别采用低速干钻和高速干钻的方法获取未经扰动的冻结粉质黏土。通过前期地质勘查与实地调研，研究区域内冻结粉质黏土的物理指标见表1。

2.2 试验方案

根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019），在负温环境下通过原状冻土取样器以及刮刀对野外获取的冻结粉质黏土进行切样，采用融化压缩仪进行融化压缩试验，以获得各组冻结土体的融沉系数；将钻样剩余的冻土通过烘干法和环刀法测定含水率和干密度；对试验后的土体进行烘干后利用液塑限联合测定仪获取土体的液塑限。

2.3 数据处理方法

融沉系数通过融化压缩试验中获得的冻结土体融化下沉量和试样初始高度获得。

式中：a為融沉系数，%；Δh为融化下沉量，mm；h为试样初始高度，mm。

对于整体状构造的冻结土体，含水率按照公式（2）计算。

式中：ω为冻土含水率，%，；m为冻土试样质量，g；m为干土质量，g。

对于层状和网状构造的冻结土体，总含水率采用平均式样法测定。

式中：mf1为调成糊状土样质量，g；ω为平均试样含水率，%。

冻土干密度表示如下。

式中：ρfd为冻土干密度，g/cm；ρf为冻土密度，g/cm；Vf为环刀体积，cm。

3 试验结果和讨论

3.1 含水率对融沉系数的影响

选取加漠公路路基附近未扰动的天然冻结粉质黏土，测量其总含水率（ω）（包括冰与未冻水的含量）与其融沉系数（a），并得到两者之间的关系，如图1所示。以含水率为自变量研究冻结粉质黏土的融沉系数时，存在一个突变的转折点（定义这个点为“融沉敏感点”），在融沉敏感点以前，含水率对冻结粉质黏土的融沉系数影响不显著，此时随着含水量的增加，冻结粉质黏土融沉系数的增长幅度较小；当含水率大于融沉敏感点时，冻结粉质黏土的融沉系数受含水率的影响变得十分显著，此时随着含水量的增加，冻结粉质黏土融沉系数也随之增加。

在本次选取的路基冻结粉质黏土试验中，含水率影响融沉系数的“融沉敏感点”，为ω=26.3%，即在本工程区，当冻结粉质黏土的含水率小于26.3%时，含水率对冻结粉质黏土融沉系数的影响不显著；但当冻结粉质黏土的含水率大于26.3%时，含水率对冻结粉质黏土融沉系数的影响开始显著，且含水率ω≥26.3%时，其含水率与其融沉系数呈对数正相关。

土体是一种由土骨架、气体以及水等组成的三维实体，而冻土为四相体（包含冰相）。基于土体是一种多孔隙结构，当含水率低于“融沉敏感點”时，土骨架间的孔隙未被水以及冰大量填充，此时土骨架孔隙中的冰以及未冻水较少，且结合水所占比例较高，因此当温度升高，冻土中的冰融化，无论是自重荷载还是受到外界荷载作用，土体变形较小，产生的融沉也较小，试验所体现出来的融沉系数也较小。当含水率高于“融沉敏感点”时，随着粉质黏土的含水率增加，土骨架之间的孔隙绝大部分被水或冰填充，土颗粒甚至呈现出高分散性，土体达到软塑甚至是流塑状态，此时土体中的结合水所占比例较小，冻土在温度升高后，土体中的冰融化，由于土体自重荷载以及外部荷载作用，土骨架之间的冰融化变成液态水被排出，土体产生大量沉降变形，在这种情况下，该土体试验所得到的融沉系数也很大，并且融沉系数的大小受土体中总含水率的影响亦十分显著。

3.2 干密度对融沉系数的影响

土体的干密度（ρ）与含水量呈负相关性，因此冻结粉质黏土的干密度与其融沉系数之间的关系（图2）也侧面印证了含水率对于冻结粉质黏土融沉系数的影响方式。随着粉质黏土干密度的增加，此时土体的含水率也随之下降，冻结粉质黏土的融沉系数也以较大的斜率递减；当冻结粉质黏土的干密度持续增加时，其融沉系数受干密度的影响的显著性也在降低，其融沉系数的递减频率也随之下降。

根据拟合的结果可以得出，选取的部分冻结粉质黏土中，融沉系数与干密度呈现出一种对数递减的关系，伴随着冻结粉质黏土干密度的持续增加，干密度对于冻结粉质黏土融沉系数的显著性持续减弱。

3.3 超塑限含水率对融沉系数的影响

在研究冻结粉质黏土融沉系数与含水率的基础上，引入塑限含水率（ω）这一因素，含水率减去塑限含水率得到土体的超塑含水率（ω-ω），通过研究超塑含水率与冻结粉质黏土之间的关系（图3），更能体现出冻结粉质黏土的融沉系数与土体中自由水之间的关系。

根据拟合冻结粉质黏土的超塑含水率与融沉系数之间的关系可以得出，伴随着冻结粉质黏土的超塑含水率（土体中的自由水含量）的增加，其融沉系数随之增加。在研究区内所取冻结粉质黏土土样，融沉系数与超塑含水率呈线性增长关系。

4 结论

粉质黏土在大兴安岭路基是一种常见的坡残积土，本研究对路基冻结粉质黏土总含水率、干密度以及超塑含水率与融沉系数的关系进行研究。得到结论如下。

1） 含水率对冻结粉质黏土的影响存在一个融沉敏感点（本研究的ω26.3%），当研究区内冻结粉质黏土含水率低于“融沉敏感点”含水率时，含水率对研究区内冻结粉质黏土融沉系数的影响并不显著；当含水率高于“融沉敏感点”时，冻结粉质黏土的融沉系数随着含水率的增加呈对数递增趋势。

2） 土体的干密度是影响粉质黏土融沉系数的一个重要因素，在选取的研究范围内，随着干密度的增加冻结粉质黏土的融沉系数呈现出对数递减趋势。且干密度影响土体融沉系数的显著性持续减弱。

3）超塑含水率体现了土体含水率与塑限含水率之间的差值，能更好地反映土体中水分与融沉系数之间的关系；研究表明冻结粉质黏土的融沉系数与超塑含水率体现出显著的线性正相关。

【参 考 文 献】

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