劉德仁，賴遠(yuǎn)明，董元宏，李雙洋

（1. 中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；2. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070）

1 引 言

我國(guó)是世界上第三凍土大國(guó)，高海拔凍土居世界之最，凍土充分發(fā)育，其中長(zhǎng)期處于凍結(jié)狀態(tài)的多年凍土主要分布在東北大、小興安嶺、松嫩平原北部及高山地帶和青藏高原上，冬季凍結(jié)、春夏季融化的季節(jié)性凍土遍及長(zhǎng)江流域以北的廣大疆域[1]。在凍土地區(qū)，伴隨著土中水的凍結(jié)和融化，發(fā)生著一系列奇異而獨(dú)特的凍土現(xiàn)象，如隨著大氣溫度的下降，土體溫度降到土中孔隙水結(jié)晶點(diǎn)時(shí)，土體便發(fā)生凍結(jié)，出現(xiàn)冰晶體，導(dǎo)致土體體積膨脹，引起附加的應(yīng)力和變形，這就是凍脹現(xiàn)象。到了春季，隨著氣溫的上升，凍結(jié)后的土體從上層開(kāi)始融化，但凍土層的下層尚未消融，水分無(wú)法下滲，使土體含水率增大，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。一旦土體中冰侵入體消融成水，而土體又未能完全排水固結(jié)，就會(huì)使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生沉陷變形及道路融沉、翻漿等現(xiàn)象（如圖1所示）。

既然凍土區(qū)道路翻漿的主要原因是路基中水分的積聚，那么做好路基的排水和隔水設(shè)施是消除路基凍脹和翻漿的根本措施。目前較為常用的措施是換填凍脹性較小的粗顆粒土[2－4]。但現(xiàn)有室內(nèi)外試驗(yàn)和實(shí)際工程均已證明，通過(guò)換填粗顆粒土的方法只能減少凍脹，不能消除水分遷移。在反復(fù)凍融的情況下，粗顆粒填土內(nèi)的含水率仍會(huì)有較大的提高，仍有翻漿現(xiàn)象的發(fā)生[5－7]。因此，要防止凍脹翻漿最為根本和最為有效的措施是在改變路基的溫度狀況的同時(shí)，改善水分遷移條件。從這個(gè)出發(fā)點(diǎn)考慮，本文提出了一種綜合利用透水土工布、塊石層和防水土工布的新型防道路凍脹翻漿的路基結(jié)構(gòu)，并通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這種新型路基結(jié)構(gòu)的防凍脹翻漿效果。

圖1 道路凍脹翻漿病害Fig.1 Frost heave and boil diseases of road

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由模型試驗(yàn)箱、控溫系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4部分組成[8－9]（見(jiàn)圖2）。

圖2 模型設(shè)備示意圖Fig.2 Sketch of model test equipments

模型試驗(yàn)箱尺寸為8 m×1.84 m×2.7 m的保溫箱，路基模型位于其中。箱體采用10 cm厚的冷庫(kù)保溫板。

控溫系統(tǒng)由7.5 kW的SANYO雙頭壓縮機(jī)組、電腦溫控器（分辨率為0.1 ℃，精度為±0.3 ℃）、氟利昂液體循環(huán)管道、蒸發(fā)器及溫度傳感器組成。控溫過(guò)程經(jīng)人工設(shè)定后，由電腦控制器自動(dòng)控制，系統(tǒng)控溫范圍為-60～50 ℃。

通風(fēng)系統(tǒng)由冷卻風(fēng)扇、加速風(fēng)扇、風(fēng)速調(diào)節(jié)裝置、回流風(fēng)道等組成。風(fēng)向平行于箱體的長(zhǎng)度方向。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由溫度傳感器（精度為±0.05 ℃）、水分傳感器（精度為±0.005）、DT500數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)組成。計(jì)算機(jī)控制數(shù)采儀每20 min采集一次數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了對(duì)比研究塊石夾層路基的防凍脹翻漿效果，共設(shè)計(jì)了兩種路基：防凍脹翻漿路基和普通路基（見(jiàn)圖3）。其中，防凍脹翻漿路基高為1.6 m，路基頂面寬為0.8 m，路基底面寬為5.6 m，邊坡坡度為 1∶1.5。碎石層厚為 0.6 m，碎石粒徑為 8～15 cm。普通路基尺寸與防凍脹翻漿路基相同，不同之處在于普通對(duì)比路基中沒(méi)有碎石層、防水土工布和透水土工布。兩組路基中間用保溫板隔開(kāi)。兩種路基填土的干密度和含水率分別為 1.86 g/cm3和9.8%。圖4所示為模型試驗(yàn)安裝過(guò)程中的照片，保溫板左側(cè)為防凍脹翻漿路基，右側(cè)為普通路基。

圖3 試驗(yàn)路基剖面圖(單位: cm)Fig.3 Cross sections of test embankment (unit: cm)

圖4 模型試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.4 Photo of model test

本次試驗(yàn)共設(shè)置了兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別為位于兩種路基的中間斷面。這兩個(gè)斷面上的探頭布置分別如圖 3(a)、3(b)所示。圖中用數(shù)字標(biāo)示的實(shí)心點(diǎn)為溫度探頭，用字母A、B、C、D標(biāo)示的空心點(diǎn)為水分探頭。

根據(jù)野外觀測(cè)資料，模型箱內(nèi)的空氣溫度T按式（1）進(jìn)行調(diào)控，即模型箱內(nèi)空氣平均溫度為-4.5 ℃，溫度周期變化幅值為30 ℃，周期15 d（如圖5所示）。

式中：t為時(shí)間變量。

在試驗(yàn)中，模型箱內(nèi)安裝了浴霸燈泡以模擬太陽(yáng)輻射的作用。根據(jù)附面層原理的要求調(diào)節(jié)浴霸燈泡的高度，使得路基表面的溫度、碎石層表面溫度與空氣溫度之差分別保持在6.5 ℃和4.0 ℃。試驗(yàn)中模型箱內(nèi)的風(fēng)速控制為2.8 m/s。試驗(yàn)路基全部安裝完畢后，在室溫下放置72 h，使得路基內(nèi)的溫度達(dá)到穩(wěn)定且兩組路基處于相同的初始溫度。然后開(kāi)始試驗(yàn)，按式（1）調(diào)節(jié)模型箱內(nèi)氣溫。

圖5 試驗(yàn)溫度控制曲線Fig.5 Test temperature controlling curves

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 溫度分析

本次試驗(yàn)進(jìn)行了3個(gè)周期，總共45 d（1080 h），每20 min采集一次數(shù)據(jù)，因而數(shù)據(jù)較多，不能一一列出，僅給出了第3個(gè)周期內(nèi)氣溫最高和最低時(shí)刻的溫度分布圖，如圖6、7所示。

圖6為第3個(gè)周期氣溫最低時(shí)的溫度場(chǎng)。此時(shí)試驗(yàn)進(jìn)行了 33.75 d（即第 810 h），環(huán)境氣溫為-19.5 ℃。兩種路基內(nèi)均出現(xiàn)一個(gè)融化盤，但防凍脹翻漿路基內(nèi)的融化核較小，并且整體溫度較低。此外，防凍脹翻漿路基內(nèi)溫度梯度大，而且在路基表面附近區(qū)域的溫度遠(yuǎn)低于普通對(duì)比路基，因而防凍脹翻漿在環(huán)境溫度較低時(shí)，具有較好的降溫效果。

圖7為第3個(gè)周期氣溫最高時(shí)的溫度場(chǎng)，試驗(yàn)進(jìn)行了41.25 d（即第990 h）。此時(shí)，盡管兩種路基內(nèi)均有一個(gè)明顯的凍土核，但與普通對(duì)比路基相比，防凍脹翻漿路基內(nèi)的凍土核面積較大，整體溫度偏低。其中，兩種路基中心的最低溫度分別為-10.4 ℃和-5.8 ℃，溫差為-4.2 ℃。由此可見(jiàn)，防凍脹翻漿路基的降溫效果明顯。

通過(guò)圖6、7對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，不論環(huán)境氣溫是最高還是最低時(shí)，防凍脹翻漿路基均能有效地降低路基內(nèi)的溫度，具有良好的降溫效果。

圖6 第3個(gè)氣溫最低時(shí)的溫度分布Fig.6 Temperature distributions with the third minimum air temperature period

圖7 第3個(gè)氣溫最高時(shí)的溫度分布Fig.7 Temperature distributions with the third maximum air temperature period

3.2 水分分析

由于水分遷移和積聚是引起道路凍脹翻漿的主要原因，那么，只要能阻斷路基內(nèi)的水分遷移路徑、降低路基土的含水率，將會(huì)有效地防止凍脹翻漿病害的發(fā)生及發(fā)展。

圖8給出了兩種路基的水分變化曲線，字母A、B、C、D對(duì)應(yīng)圖3中的水分探頭。對(duì)于普通路基結(jié)構(gòu)而言，隨著環(huán)境溫度周期變化，路基中的含水率始終較大，維持在25%左右。而防凍脹翻漿路基中的含水率隨著環(huán)境溫度變化明顯降低。例如，在翻漿易發(fā)生季節(jié)（春融期），與普通對(duì)比路基相比，3個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)分別平均減小了14%（7.5 d）、22.6%（22.5 d）和32.3%（37.5 d）。顯而易見(jiàn)，本文提出的綜合利用透水土工布、塊碎石層和防水土工布的新型防路基凍脹翻漿的路基結(jié)構(gòu)能有效地減小路基內(nèi)的水分含量，并且隨著周期循環(huán)的增加還有線性增大的趨勢(shì)（如圖9所示）。

圖8 路基內(nèi)水分變化曲線Fig.8 Variation curves of water content in embankment

圖9 路基內(nèi)含水率減小率變化曲線Fig.9 Variation curves of water content reduction in embankment

4 結(jié) 論

（1）不論環(huán)境氣溫是最高還是最低時(shí)，本文所提出的新型綜合防凍脹翻漿路基均能有效地降低路基內(nèi)的溫度，具有良好的降溫效果，這對(duì)保護(hù)路基的穩(wěn)定是非常有利的。

（2）在本試驗(yàn)條件下，與普通路基相比，新型綜合防凍脹翻漿路基能大幅度地減小路基內(nèi)的含水率。特別在翻漿易發(fā)期（春融季節(jié)），含水率最大減小了 32.3%。而且，隨著周期循環(huán)的增加還有線性增大的趨勢(shì)，這對(duì)防止凍脹翻漿病害的發(fā)生和發(fā)展是極其有利的。

（3）本文設(shè)計(jì)的綜合利用透水土工布、塊碎石層和防水土工布的新型防凍脹翻漿的路基結(jié)構(gòu)，材料普遍、成本低廉、易于施工，防凍脹翻漿效果明顯，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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