路基土冰冻稳定性试验研究
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作者: 许永吉 栾海 王彩霞
摘 要： 本次研究主要利用所研制的冷冻环境箱，对不同初始密实状态和湿度状态下的土样进行不同温度环境、不同加荷和不同补水条件的多因素不同组合下的冻融试验，以获得土样在几个主要冰冻影响因素作用下其物理力学性质的变化规律。
关键词： 冰冻稳定性； 压实度； 试验方法； 回弹模量； 薄膜水迁移
中图分类号： TU9 文献标识码： A 文章编号：1009-8631（2010）07-0071-02
引言
由于路基所处的自然环境极其复杂，尤其在冰冻地区，因路基土冻结过程中内部的水分发生迁移和积聚，使路基土的密实状态和湿度分布发生改变，而这种迁移和积聚又受路基土内湿度场、温度场和应力场等多因素耦合作用的影响。因此，按照要求的施工工艺和施工控制标准修筑好的路基，其内部结构总是会随着道路所在环境的变化而变化的。
本次研究主要是针对冰冻地区常用的路基土，研究其在冰冻的自然环境中密实度、湿度状况和承载能力变化的规律，力求将环境与路基承载能力的变化之间有一个量化的对应关系，使得土基模量的确定更有区域的针对性，为野外现场测试提供有价值的指导。
一、试验条件和相关的准备工作
（一）土样的确定
冰冻的影响主要是针对细颗粒土，本研究的土样共3种。分别为长吉北K21+200、长吉北K39+700、图乌K615+800（长农）。对土样进行了基本性质的测试，测试结果见表1。
对以上三种土进行分析表明，三种土均为低液限的粉质土ML，K39+700（黄土）粘土粒比其它两种土稍多，略显粘性；其它两种土中含有一定的砂土颗粒，所以塑性指数较K39+700（黄土）稍低。
（二）冷冻试验箱介绍
为了研究的需要，自行开发了具有国内先进水平的“TLD-70土壤冷冻试验箱”。本试验箱可以在一定程度上模拟路基土在一定温度、湿度和受外荷载作用下的冻融环境。并实施监测土样的温度场、冻胀变形、融沉变形，可以实现土样不同的给水条件，可以在规定的实验温度范围内任意设定土样温度梯度，人为调控降温和融化的速度，以及保持恒温的时间。设备的构成和主要功能如下：
1. 两个环境工作箱可实现单独的补水和控温，而且可制造试件上下不同的温度环境。
2. 具有供水补给系统并可监测补水的进程和补水量。
3. 两个环境工作箱独立控温温度调控系统。
4. 数据自动采集系统
5. 为模拟真实的路基土在冻融过程中有上覆路面结构层材料重压的作用，试验中可根据加荷需要调整试样顶面的荷载块。
（三）试件的成型条件
为了保证所成型的Φ100mm，高度300mm的整个试件土质均匀、成型的密实度和含水量均匀性，尽量减小试模侧壁的影响，在试件成型时采取了如下处理措施：
1. 保证土的均匀性措施
对拟试验的每一组试件，制备试件前要将多于9个试件的土放在一个大的容器内整体拌合闷料，最大限度地保证试件初始状态一致。
2. 减小侧壁摩擦的措施
为了减小玻璃试模与土样之间的摩阻力，采用较为光滑且自身有很好韧性的地板地膜作侧壁垫膜，地膜有光滑薄膜一侧与试筒壁接触，放置前在薄膜上刷油。同时地膜还能起到很好的保温作用，保证土样是单向冻结。
为更进一步减小侧壁摩阻，还将静压成型的试件在试模内来回脱动2次，使土样与试筒壁之间摩擦降至最低。
（四）试验条件的研究确定
土的冻胀过程中受土、水、温、压几个综合因素的影响，为了了解实际路基土的冰冻稳定性，使所得研究结论更好地指导工程实际，所以室内试验的条件应尽可能接近真实的自然环境。
1. 土的初始状态的确定
本试验研究主要是为了了解按路基施工规程和控制标准完成的路基在不同的冰冻条件下其物理力学性质的变化情况。所以，考虑新的路基压实控制标准，制件的条件定为最佳含水量下成型，压实度分别取96%，94%，93%。
2. 预浸条件的确定
按照施工规程控制压实的路基，初期未受不良的水温条件影响的路基土一般是不会产生太大的冻融破坏。所以要通过预浸过程模拟制造路基在入冬前是经过了其所在环境的水温条件的影响，入冬前路基的湿度状态不同其冻融的结果就不同。
3. 预浸温度
未冻的路基土入冬前其温度在较低的一个正温度范围变化，此时的液态水和气态水的转移受温度影响不大，因此将预浸室的温度设定为5℃，和冻融试验的起始温度一致保持，也方便浸润后冻融试验的衔接。
4. 加荷条件的确定
为模拟土基上方路面结构材料的静荷载作用，浸润试验和冻融试验的土样上方均放置荷载块。为了了解不同的加荷条件对土样冻融特性的影响，我们预订了三个加荷级位。参考CBR试验，CBR试验中所加荷载为5Kg（试件直径为Φ150mm），本试验试件直径为Φ100mm，保持一样的单位压强，应施加2.5 Kg的荷载块。因此，根据试验研究的目的，将试验加荷级位定为0 Kg、2.5 Kg、6.5 Kg三级。
5. 冻融试验条件的确定
（1）冻结速率的确定
土的冻结理论表明：土中冻结速度越慢则冰冻线在相应的位置处停留的时间越长，冻结线在某个位置停留的时间越长则未冻水向此冻结锋面迁移积聚的量就越多。查气象资料可知，吉林省平均的冻结速率为1.2cm/d，这将意味着冻深1.2cm需要一天的时间。考虑以上因素，又考虑有限的研究时间的要求，为冻融环境箱确定了2个降温速度，即从0℃降至-10℃分别用2小时和4小时完成，以实现土样的两种冻结速度。
（2）温度梯度的确定
查阅了吉林省几条公路的冻融实测资料可知，冬季路面下路基顶面最低温度在-10~-12℃左右，因此将试件顶面的温度定为-10℃；为制造试件在冻融过程中底部保持水分补给的条件，底面温度要保持正温度，为防止温度过低造成局部结冰，也防止冻坏水箱，最后确定试件底面为恒定5℃。
（3）融化温度和融化时间的确定
考虑路基土在融化后水分未来得及转移的时候承载能力是最低的，因此，融化温度定在25℃恒温，实测结果知将近2h冻结试件内部即可完全解冻，所以融化时间定为2h。
三、分析
（一）试件模量的分析
从试验数据可以看出在一定的荷载作用下，模量在试件经过一次冻融循环后就会衰减一半以上，随着冻融循环次数的增加越来越低，但经过2次冻融循环以后初始压实度的差别对冻融后模量的影响就不大了。同时，初始压实度越大的第一次冻融模量衰减幅度越大。
（二）荷载和冻速对回弹模量的影响
1. 荷载对冻融后模量衰减的影响
①在压实度不变的情况下，荷载对冻融后模量的变化影响比较大。
②初始密实状态一样的试件，加荷级位越大其冻融后的残留强度越低；且荷载级位大的第一次冻融后模量降低幅度大；
2. 冻速对冻融后模量衰减的影响
整体试验结果明显看出，降温速度2小时的残留冻融模量普遍较冻融次数4小时的高，说明冻融速度越慢对土内部的结构破坏越严重，只是冻融时间不够长，差别表现的不够大，但规律是有的。
（三）吸水量的分析
1. 总体看冻融过程是在吸水，且第一次冻融吸水能力强些；
2. 荷载一定的情况下，初始压实度96%的土样吸水量小；93%、94%土样的吸水能力差异不分明；主要的问题是：93～96%的粘质土密实度较大，吸水过程是极其缓慢的，本试验确定的浸润时间和冻融速度不足以反映出土样明显的吸水差异。
四、结论
1. 对于冰冻试验，浸润时间和冻结时间对试验结果影响很大，时间长，不同土之间吸水特性、薄膜水迁移和土内部结构的变化规律才体现的更为明显。
2. 试验结果显示，土的粘性越突出，其吸水稳定性和冻融稳定性越好。所分析的三种土，K39+700的土冰冻稳定性好于其它两种土，K615+800的土又稍好于K21+200的土。
3. 冻结速度越慢对土的结构破坏越严重。试验中达到预定温度梯度设定为4小时的冻融破坏作用明显强于设定2小时的情况。
4. 冰冻地区，冰冻作用对路基土的破坏作用主要表现在竣工后的第一次受冻经历上，其第一次冰冻后的残余模量严重者仅为初始状态的1/3。而且，初始的密实程度越好冰冻的破坏力越强，模量的降低幅度越大；冻结速度越快的模量减低的幅度也越大。第二次和第三次的破坏力就小了很多。
5. 试验结果表明，路基土的冻胀是在其含水量超过其起始冻胀含水量的情况下才发生的。
6. 经冻融作用模量虽然下降很多，但同样的冰冻环境下，初始密实性好的冰冻作用后的模量仍比初始密实性差的高。
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