冻土区块石夹层路基防冻胀翻浆效果试验研究

刘德仁，赖远明，董元宏，李双洋

（1. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 冻土工程国家重点实验室，兰州 730000；2. 兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070）

1 引 言

我国是世界上第三冻土大国，高海拔冻土居世界之最，冻土充分发育，其中长期处于冻结状态的多年冻土主要分布在东北大、小兴安岭、松嫩平原北部及高山地带和青藏高原上，冬季冻结、春夏季融化的季节性冻土遍及长江流域以北的广大疆域[1]。在冻土地区，伴随着土中水的冻结和融化，发生着一系列奇异而独特的冻土现象，如随着大气温度的下降，土体温度降到土中孔隙水结晶点时，土体便发生冻结，出现冰晶体，导致土体体积膨胀，引起附加的应力和变形，这就是冻胀现象。到了春季，随着气温的上升，冻结后的土体从上层开始融化，但冻土层的下层尚未消融，水分无法下渗，使土体含水率增大，导致强度降低。一旦土体中冰侵入体消融成水，而土体又未能完全排水固结，就会使上部结构发生沉陷变形及道路融沉、翻浆等现象（如图1所示）。

既然冻土区道路翻浆的主要原因是路基中水分的积聚，那么做好路基的排水和隔水设施是消除路基冻胀和翻浆的根本措施。目前较为常用的措施是换填冻胀性较小的粗颗粒土[2－4]。但现有室内外试验和实际工程均已证明，通过换填粗颗粒土的方法只能减少冻胀，不能消除水分迁移。在反复冻融的情况下，粗颗粒填土内的含水率仍会有较大的提高，仍有翻浆现象的发生[5－7]。因此，要防止冻胀翻浆最为根本和最为有效的措施是在改变路基的温度状况的同时，改善水分迁移条件。从这个出发点考虑，本文提出了一种综合利用透水土工布、块石层和防水土工布的新型防道路冻胀翻浆的路基结构，并通过室内模型试验来验证这种新型路基结构的防冻胀翻浆效果。

图1 道路冻胀翻浆病害Fig.1 Frost heave and boil diseases of road

2 试验方案

2.1 试验装置

试验装置由模型试验箱、控温系统、通风系统和数据采集系统4部分组成[8－9]（见图2）。

图2 模型设备示意图Fig.2 Sketch of model test equipments

模型试验箱尺寸为8 m×1.84 m×2.7 m的保温箱，路基模型位于其中。箱体采用10 cm厚的冷库保温板。

控温系统由7.5 kW的SANYO双头压缩机组、电脑温控器（分辨率为0.1 ℃，精度为±0.3 ℃）、氟利昂液体循环管道、蒸发器及温度传感器组成。控温过程经人工设定后，由电脑控制器自动控制，系统控温范围为-60～50 ℃。

通风系统由冷却风扇、加速风扇、风速调节装置、回流风道等组成。风向平行于箱体的长度方向。

数据采集系统由温度传感器（精度为±0.05 ℃）、水分传感器（精度为±0.005）、DT500数据采集仪和计算机组成。计算机控制数采仪每20 min采集一次数据。

2.2 试验设计

为了对比研究块石夹层路基的防冻胀翻浆效果，共设计了两种路基：防冻胀翻浆路基和普通路基（见图3）。其中，防冻胀翻浆路基高为1.6 m，路基顶面宽为0.8 m，路基底面宽为5.6 m，边坡坡度为 1∶1.5。碎石层厚为 0.6 m，碎石粒径为 8～15 cm。普通路基尺寸与防冻胀翻浆路基相同，不同之处在于普通对比路基中没有碎石层、防水土工布和透水土工布。两组路基中间用保温板隔开。两种路基填土的干密度和含水率分别为 1.86 g/cm3和9.8%。图4所示为模型试验安装过程中的照片，保温板左侧为防冻胀翻浆路基，右侧为普通路基。

图3 试验路基剖面图(单位: cm)Fig.3 Cross sections of test embankment (unit: cm)

图4 模型试验照片Fig.4 Photo of model test

本次试验共设置了两个监测断面，分别为位于两种路基的中间断面。这两个断面上的探头布置分别如图 3(a)、3(b)所示。图中用数字标示的实心点为温度探头，用字母A、B、C、D标示的空心点为水分探头。

根据野外观测资料，模型箱内的空气温度T按式（1）进行调控，即模型箱内空气平均温度为-4.5 ℃，温度周期变化幅值为30 ℃，周期15 d（如图5所示）。

式中：t为时间变量。

在试验中，模型箱内安装了浴霸灯泡以模拟太阳辐射的作用。根据附面层原理的要求调节浴霸灯泡的高度，使得路基表面的温度、碎石层表面温度与空气温度之差分别保持在6.5 ℃和4.0 ℃。试验中模型箱内的风速控制为2.8 m/s。试验路基全部安装完毕后，在室温下放置72 h，使得路基内的温度达到稳定且两组路基处于相同的初始温度。然后开始试验，按式（1）调节模型箱内气温。

图5 试验温度控制曲线Fig.5 Test temperature controlling curves

3 试验结果与分析

3.1 温度分析

本次试验进行了3个周期，总共45 d（1080 h），每20 min采集一次数据，因而数据较多，不能一一列出，仅给出了第3个周期内气温最高和最低时刻的温度分布图，如图6、7所示。

图6为第3个周期气温最低时的温度场。此时试验进行了 33.75 d（即第 810 h），环境气温为-19.5 ℃。两种路基内均出现一个融化盘，但防冻胀翻浆路基内的融化核较小，并且整体温度较低。此外，防冻胀翻浆路基内温度梯度大，而且在路基表面附近区域的温度远低于普通对比路基，因而防冻胀翻浆在环境温度较低时，具有较好的降温效果。

图7为第3个周期气温最高时的温度场，试验进行了41.25 d（即第990 h）。此时，尽管两种路基内均有一个明显的冻土核，但与普通对比路基相比，防冻胀翻浆路基内的冻土核面积较大，整体温度偏低。其中，两种路基中心的最低温度分别为-10.4 ℃和-5.8 ℃，温差为-4.2 ℃。由此可见，防冻胀翻浆路基的降温效果明显。

通过图6、7对比分析发现，不论环境气温是最高还是最低时，防冻胀翻浆路基均能有效地降低路基内的温度，具有良好的降温效果。

图6 第3个气温最低时的温度分布Fig.6 Temperature distributions with the third minimum air temperature period

图7 第3个气温最高时的温度分布Fig.7 Temperature distributions with the third maximum air temperature period

3.2 水分分析

由于水分迁移和积聚是引起道路冻胀翻浆的主要原因，那么，只要能阻断路基内的水分迁移路径、降低路基土的含水率，将会有效地防止冻胀翻浆病害的发生及发展。

图8给出了两种路基的水分变化曲线，字母A、B、C、D对应图3中的水分探头。对于普通路基结构而言，随着环境温度周期变化，路基中的含水率始终较大，维持在25%左右。而防冻胀翻浆路基中的含水率随着环境温度变化明显降低。例如，在翻浆易发生季节（春融期），与普通对比路基相比，3个试验周期内分别平均减小了14%（7.5 d）、22.6%（22.5 d）和32.3%（37.5 d）。显而易见，本文提出的综合利用透水土工布、块碎石层和防水土工布的新型防路基冻胀翻浆的路基结构能有效地减小路基内的水分含量，并且随着周期循环的增加还有线性增大的趋势（如图9所示）。

图8 路基内水分变化曲线Fig.8 Variation curves of water content in embankment

图9 路基内含水率减小率变化曲线Fig.9 Variation curves of water content reduction in embankment

4 结 论

（1）不论环境气温是最高还是最低时，本文所提出的新型综合防冻胀翻浆路基均能有效地降低路基内的温度，具有良好的降温效果，这对保护路基的稳定是非常有利的。

（2）在本试验条件下，与普通路基相比，新型综合防冻胀翻浆路基能大幅度地减小路基内的含水率。特别在翻浆易发期（春融季节），含水率最大减小了 32.3%。而且，随着周期循环的增加还有线性增大的趋势，这对防止冻胀翻浆病害的发生和发展是极其有利的。

（3）本文设计的综合利用透水土工布、块碎石层和防水土工布的新型防冻胀翻浆的路基结构，材料普遍、成本低廉、易于施工，防冻胀翻浆效果明显，具有广阔的应用前景。

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