季冻区公路冻害试验研究

摘要：吉林省是较典型的季节性冻土区，针对季冻区特殊水文地质、工程地质条件，季冻区特殊气候和地理条件，季冻区特殊的冻害问题，作者对省内三条干线公路及多条高速公路进行了野外调查和观测，作了路基土的常规物理力学性质及冻胀性试验等大量试验。借助于扫描电镜，对路基土微观结构进行分析，为季节性冻土区公路设计、施工提供借鉴。

关键词：季冻区；路基土；冻害；

中图分类号：U213.1 文献标识码：A 文章编号：

由于高等级公路的大量兴建，随之而来的公路设计、施工、养护的工作量也越来越大，路面的耐久性研究也越来越重要。加强对季冻土的研究，准确了解其物理力学性质及冻胀特性，了解其对 路基冻害的影响，具有十分重要的意义。

吉林省是较典型的季节性冻土区，针对季冻区特殊水文地质、工程地质条件，针对季冻区特殊气候和地理条件，针对季冻区特殊的冻害问题，作者对省内三条干线公路及多条高速公路进行了野外调查和观测，作了路基土的常规物理力学性质及冻胀性试验等大量试验。借助于扫描电镜，对路基土微观结构进行分析，为季节性冻土区公路设计、施工提供借鉴[1]。

1 路基土的物质组成及物理力学性质

通过对土样进行X―射线衍射分析和扫描电子显微镜观测，路基土主要以原生矿物为主，其石英、长石含量较高，石英平均含量介于40%―49%之间，长石平均含量介于15%―18%之间，粘土矿物主要以伊蒙混层矿物和伊利石为主，平均含量介于10%―14%之间其矿物的亲水性比较强，其结合水含量较高，土层的透水性差。土样颗粒组成以0.005mm―0.075mm为主，其中，小于0.002mm的颗粒在3%―5%之间，0.002mm―0.005mm的颗粒占3.1%―12%，0.005mm―0.075mm的颗粒占70.1%―81%，0.075mm―0.1mm的颗粒占5%―16%，0.1mm―0.5mm的颗粒占3%―5.5%，土样的工程性质见表1。

表1路基土原状样的物理力学性质试验平均值

Table 1 physical mechnical parameters average value of roadbed soil original sample

2 路基土的毛细水特性

2.1卡明斯基毛管仪法

对长吉北线试件进行真空饱水，待样品达到完全饱和后采用卡明斯基毛管仪法进行毛细水试验。从测定结果可见（表2），毛细水上升高度随压实度增大而增高。

表2长吉北线室内毛细水上升高度试验过程观测成果

Table 2 test results of capillary water height experiment in chang-ji north road

2.2冻融法

为揭示在冻融状态下毛细水上升高度，采用直接冻融法进行了毛细水上升高度试验，结果见图1、2。

图1毛细水上升高度与压实度关系图 图2毛细水上升高度与密实度关系（冻融法试验）

Fig 1 curves between capillary water Fig 2 curves between capillary water

height and degree of compaction height and degree of compaction

2. 3 未冻水含量试验

冻土中的未冻水含量主要取决于三大因素：土质（包括土颗粒的矿物化学成分、分散度、含水量、密度、水溶液的成分和浓度）、外界条件（包括温度和压力）以及冻融历史[2]。当温度相同时，未冻水含量随土颗粒变细即土颗粒的比表面积增大而增大，即粘土＞粉土＞砂土[6]。由图4可见，当温度相同时，随着粘粒含量的增加未冻水含量随之增大，即未冻水含量随土颗粒变细即土颗粒的比表面积增大而增大。

表3 未水含量与温度变化表(未冻水质量含量)

Table 3 unfrozen water contents varies with temperature(unfrozen water mass contents)

2. 4路基土微观结构定量试验

土的微观结构是十分复杂的，借助于电子显微镜，将土样放大到一定倍数下进行观察分析，在获得的大量信息数据中，发现路基土的微观结构与压实度关系密切，当压实度较小（K=80%）时1―2μm的孔隙相对较多，结构相对较松散，结合水的阻力小，毛细水容易上升。随着压实度的增加，

表4 不同压实度下土样微观孔隙直径(μm)分析成果表

Table4micro-pore diameter analysis results with various degree of compaction

图3未冻水含量与温度变化关系

Fig3unfrozen water contents varies with temperature

图4不同压实度土样微观结构特征(SEM照片)

Fig 4 samples micro-fabric photos with various degree of compaction

2. 5野外实际观测试验

为了进一步分析路基土水份迁移的实质，进行了现场长期监测，主要进行的是季冻土随着环境温度的变化而引起的路基下不同深度的温度、含水量、冻深和地下水位等的变化。本文选择长春至松原一级公路为代表，分析评价在不同的温度环境条件下水份迁移的主要特征。

图5长春－松原路段冻土含水量变化图 图6长松线地温―冻深关系图

Fig 5 curves of water contents with depthFig 6 curves of underground temperature with depth in chang-song road

3 分析与结论

（1）试验路段的路基土粒度成分以粉粒为主、矿物成分以原生矿物石英、长石为主，水溶盐类和有机质也较少。这些特点使长春地区的土具有通畅的水分运输通道，便于水分的补给和聚集，是季冻区公路冻害的产生提供了先决条件[5]。

（2）在负温低于-6℃下，随着粘粒含量的增加未冻水含量随之增大，即未冻水含量随土颗粒变细即土颗粒的比表面积增大而增大，随着温度的进一步降低，三者的未冻水含量逐渐趋于相同。

（3）土样的微观孔隙含量与压实度关系密切，当压实度较小（K=80%）时1―2μm的孔隙相对较多，结构相对较松散，结合水的阻力小，毛细水容易上升。随着压实度的增加，

（4）含水量增加区段为路基0.5~1.5米位置，地温在-0.6―-8.2℃，相当于路基的路床，为水分迁移的急剧变化区，该区段对冻胀翻浆的影响至关重要。

综上所述，在季节性冰冻地区公路的建设，路基铺设尤其是路床[3]，宜优先考虑较粗颗粒的土质，采用较高的压实度，既可以降低毛细水上升高度，又可以有效阻止毛细水地上升，从而，有效地预防公路冻害地发生，建设出优质、高效及长寿命的高等级公路。

参考文献

[1] 谷宪明。季冻区路基土冻胀翻浆机理及其防治[D].中国优秀硕士学位论文全文数据库:中国知网.2007

[2] 徐学祖，王家澄，张立新. 冻土物理学[M]. 北京：科学出版社，2001.4.1~6

[3] 钟阳.路基路面工程[M]. 北京：科学出版社，2005.3~4

[4] 武民，汪双杰，章金钊.多年冻土地区公路工程[M].北京：人民交通出版社，2005.9~11

[5] 李向群.吉林省公路冻害原因分析及处理方法研究[D].中国优秀硕士学位论文全文数据库:中国知网.2006

[6] 铁道部第三勘测设计院.冻土工程[M].北京：中国铁道出版社，1994.117~118.