寒区路基抗冻害阻水改良土设计试验研究_胡峰.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202211059开放科学（资源服务）标识码（OSID）寒区路基抗冻害阻水改良土设计试验研究胡 峰1,2，朱汉华1，徐 璟1，黄 冲1（1.浙江数智交院科技股份有限公司，杭州310012；2.浙江大学建筑工程学院，杭州310058）摘要：通过在两种黏性土中分别掺入不同配合比的阻水剂，制备成试样，进行吸水率、无侧限抗压强度测试和不同次数冻融循环条件后的力学试验。结果表明：在塑性指数大于 15 的黏性土中掺入 15%的胶凝剂+配合比为 1%2%的阻水剂，改良土的吸水率是未加阻水剂的 10%20%。改良土试样的无侧限抗压强度随冻融循环次数的增加衰减较小，24 次冻融循环后的无侧限抗压强度损失率在10%以内，而未改良土强度损失率高达 50%以上。另外，含阻水剂的改良土试样受多次冻融循环后的质量变化率均小于 5%。关键词：寒区路基；阻水改良土；抗冻性能；胶凝剂+阻水剂掺量；无侧限抗压强度；吸水率；质量损失率中图分类号：U419.92文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0006 07 0 引言我国寒区面积辽阔，多年冻土面积占国土陆地面积的 22%，季节性冻土面积约占国土陆地面积的 53%1-3。位于季冻土区的公路，路基土受冻胀、融沉循环作用产生的病害突出4。随着全球气候变化，活动冻土层的深度、范围变化加剧5，路基岩土受低温冻胀、升温融化翻浆的影响越来越明显，直接导致路面开裂与变形，影响行车安全和运输效率。在青藏公路沿线，自唐古拉山到昆仑山路段处于青藏高原高含水连续冻土地区，不少路段出现明显的波浪形起伏路面及连续纵向裂隙。针对寒区路基抗冻害技术的研究一直是岩土领域的热点问题，目前已有多种路基抗冻害理论措施，如控制路基细颗粒土含量、碎石代土等路基土替换措施6-7，控制路基土的水分迁移措施8，疏干排水法9，路基阻温、控温的处置措施10-12以及旱桥代路等方式13。路基冻害的防治措施主要可分为控制路基土压实度、换填、保温控温和避让等方式。在生态环境相对脆弱的青藏高原，进行大面积粗粒碎石换填方案对周围环境影响及粗粒料来源与运输等困难难以规避。旱桥代路避让方式能有效缓解路基冻害影响，但造价相对昂贵，常用于铁路及冻害敏感路段，无法满足各级公路大面积使用需求。目前，在青藏公路沿线，公路路基冻融地段常采用路基底部设置通风构造等方式来解决控温问题7。由于自然环境温度和海拔变化，路基温度变化很难控制。路基冻融是路基结构本身或局部富水以及富含毛细孔径的路基土，因毛细作用结合温差影响导致路基区域发生水分迁移，冻结形成层片的冰透镜体，路基发生冻胀分离，同时，其融化后造成路基富水翻浆等冻融病害。青藏公路沿线季冻土的活动深度约在 4 m 以内，底部温度约3.20 14，冻融作用对路基影响明显。另外，路基水分迁移引起内部厚层冰透镜体的形成可直接挤压路基土，导致贯通裂隙的形成，当暖季冰透镜体消失后裂纹的闭合又可引起整体路基的不均匀沉陷。在实际边坡或路基中也存在大量的冰透镜体，其表面冻胀量甚至可以达到 m 级15-16，当路基温度上升后冰透镜体融化，导致路基富水翻浆。赵成江等17研究认为，道床的板结冻胀主要由路基内部含水量过高所致。研究表明：周围水迁移到冻结区域，及其冻结形成的分凝冰是引起路基冻胀的主要原因，而融化时，由于土基下层未完全溶解，上层土体排水受限，使承载力显著减低，造成翻浆冒泥，可见路基中水分的迁移是导致路基冻害的主要原因之一。以 收稿日期：2023 02 01基金项目：第二次青藏高原综合科学考察研究（2019QZKK0904）；国家自然科学基金面上项目（42277132）；浙江省重点研发计划（2021C03159，2021KCKT2011）作者简介：胡峰（1991），男，江西上饶人。博士，主要从事公 路 地 质 灾 害 防 治 方 面 的 研 究 工 作。E-mail：。路基工程 6 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）往为减小路基冻害，常采用增大路基土压实度、路基控温和低冻胀材料替换等方式，例如，路基土块石置换、填筑、片石气能护坡、路基控温和增设通风设施等措施，在一定程度上能减小路基冻胀量，被得到广泛应用7,18-20。然而，近年来气候变化加剧，最显著的影响是多年冻土上限下降和活动层增厚，浅表层多年冻土及其中的地下冰逐渐融化，活动冻土层扩大14，非常不利于路基控温。气候变化也加剧了冰川活动和地下水的运移复杂程度7,21-22，仅通过增大路基的压实度并不能完全解决路基冻害23。19982018 年青藏高原地区降雨量增大、土壤的含水量也呈现显著增大趋势14,24，气温变化加剧将导致更复杂的水环境，从路基阻水、疏排水角度开展冻害方面的控制研究逐渐受到关注9。尹霄等25研究冰透镜体的形成和分层机理认为，只要形成隔水层阻断水分迁移至冻土区，就能有效减少冰透镜体的形成。基于以上分析，在青藏高原修筑路基缺少料石等材料情况下，从路基阻水方面探讨减小路基冻害方法具有实质性意义。本文结合西藏地区实际路基修筑的案例，从路基阻水角度，通过控制路基内外水分迁移量的方法，介绍寒区路基抗冻害技术措施、施工工艺，以期对寒区公路设计施工方案提供一定的参考。1 路基阻水改良土抗冻害思路提出寒区抗冻害阻水路基结构示意，见图 1。路基外水分受阻水层的作用无法有效进入路基内，降雨也很难透过阻水层，达到切断路基内外的水分迁移，控制路基内水含量，从而阻断路基内层状冰透镜体的形成。水泥改良土能明显提高土体的冻结强度26，但其受多次冻融循环后强度将受到较大的损失，可在水泥土中掺入外加剂，通过改变水泥土空隙结构和密实性来增加水泥土的抗冻性能27。水泥土中虽然颗粒的胶结强度有所提高，土体内微孔隙较少28，孔隙水原位结冰体积膨胀导致的冻胀有所减弱，但联通的孔隙结构依然存在，在温差应力作用下，依然存在水分迁移活动，形成冰透镜体。如何在水泥土的基础上减少水分迁移量，依然是提高路基土抗冻害的关键。王丹等29研究发现：在水泥浆液中掺入少量的阻水剂后水化凝胶晶体更多，水泥水化程度加大，试样密实度有所提高，改善了其抗渗透性能。路床阻水路基层路面外界水分迁移路径普通路基路面结构层图1寒区抗冻害阻水路基结构示意 下文将在水泥土的基础上提出一种外加阻水剂的方式，讨论其掺量变化对路基改良土抗冻害阻水层抗冻害力学特征的影响。路基层阻水抗冻害思路：在粉质黏土中掺入胶凝剂和阻水剂，与水充分搅拌混合成改良土，在路基下部，根据地下水情况和活动冻土层厚度，通常作为底基层或者以下部分铺设一道一定厚度的阻水层，从而阻断向路基内迁移的水分，进而减小路基冻害。2 试验材料及方法 2.1 试验材料土样中的粉黏粒含量越高，土体的冻胀性越明显，对公路路基造成的破坏越大6。试验选取两种不同黏粒含量的土样，其基本物理参数，见表 1。试验选用 42.5 级硅酸盐水泥；阻水剂为一种由3 种物质混合形成的粉末，主要起到促进结晶物的产生、填充作用和憎水作用；水为纯净水。表1试验土样的基本物理参数编号液限wL/%塑限wP/%塑性指数IP比重Gs/（gcm3）颗粒组成/%0.0752 mm0.0050.075 mm0.005 mm土样一31.315.515.82.7747.339.113.6土样二28.918.610.32.719.580.410.1 2.2 试验方案与方法试验制定不同水泥和阻水剂掺量的改良土。根据不同水泥掺量对改良土抗冻害性质进行研究26-27，30，从经济角度选定水泥掺量 13%15%。阻水剂的含量超过 2%时，反而易导致基体孔隙变多31，故试验阻水剂掺量控制在 0%2%。共配制 6 组掺入不同配合比阻水剂和胶凝剂的试样，其中1、2、3 组选用土样一，4、5、6 组选用土样二。制样材料质量配合比，见表 2。在室内用改良土配制和制备直径 100 mm，高度 70 mm 的圆柱体试样进行力学试验，制备边长 150 mm 的立方体试块进行冻融吸水率和质量损胡 峰，等：寒区路基抗冻害阻水改良土设计试验研究 7 失率等试验，每组试样配制 3 块。改良土试样和试块，见图 2。改良土样配制过程中，先将土样和水泥、阻水剂充分混合干拌均匀，随后加入干拌混合物总质量 18%的纯水再次搅拌，搅拌均匀后马上进行试样的制备。在模具内涂一层薄凡士林，按照控制试样体积的方式，采用马歇尔击实仪分 2 层击实成样，层间进行拉毛处理。试件成型 1 天后进行脱模，用自封袋密封包裹，放入 20 的养护箱中进行养护 7 天和 28 天，养护结束后进行干密度、吸水率、冻融质量损失量和抗压强度测试。表2制样材料质量配合比%组别土类别土胶凝剂阻水剂1土样一851502土样一85141.03土样一85132.04土样二851505土样二85141.06土样二85132.0 5 cm a 圆柱体试样 b 试块图2改良土试样和试块 将养护好的圆柱体试样密封移入18 的低温环境箱中，进行低温冻结 6 小时，随后取出试样进行融化。融化方式为水溶法，即将试样裸样直接浸入温度为 202 的恒温纯净水中静置大于 6 小时，具体时间以试样完全解冻为准。浸泡时水面淹没试样顶面 2030 mm。圆柱体试块冻融循环次数分别为 0、12、24，立方体试块冻融循环次数分别为 0、6、12、24，一次循环结束沥干试样后进行称重。达到循环次数后取出试样，采用 HYE-300/10 型加载试验机进行无侧限加载试验，加载应变率为 1.67104。无侧限加载试验，见图 3。吸水率和质量损失率按照式（1）、式（2）计算。a 加载过程 b 试样破坏断面图3无侧限加载试验=(W1W0)/W0（1）=(m1m0)/m0（2）3 试验结果及分析 3.1 无侧限抗压强度两种土样不同掺量阻水剂的试样在 7 天和28 天标准养护条件下的无侧限抗压强度，见图 4。少量阻水剂对试样无侧限抗压强度基本无影响，试样强度主要受控于水泥掺量的大小和原基质土土性的影响。分析认为：由于阻水剂含量很低，不足以改变试样内部的受力支撑结构，且阻水剂本身不具备类似水泥明显的胶结作用；根据前人研究认为：对于易达到软塑或流塑状态的土，在掺入相同的水泥浆比例时对水泥土的强化作用要小于不易达到软塑或流塑状态的原土32。也有研究认为，原土颗粒黏粒越多，黏土矿物参与到水泥水化反应越充分，形成的连续骨架越多，水泥改良后的强度越大，这与本文中得出的塑性指数更低的土样一的强度要高于土样二的结论一致。234567800.51.01.52.0阻水剂配合比7天抗压强度 土样一 28天抗压强度 土样一 7天抗压强度 土样二 28天抗压强度 土样二 无侧限抗压强度/MPa图4阻水剂配合比与无侧限抗压强度的关系 3.2 吸水率28 天养护改良土试样中阻水剂配合比与吸水率的关系，见图 5。012340.51.01.52.0吸水率/%阻水剂配合比土样一土样二图528 天养护改良土试样中阻水剂配合比与吸水率的关系 吸水率随阻水剂的加入快速下降，当阻水剂配合比从 1 增加到 2 后，试样吸水率的变化不明显。分析认为：土中掺入一定量的水泥后，在水泥水化反应的作用下土体中的大部分孔隙、裂隙已经被水化胶凝物填充或者封闭，再加入阻水剂对试样内孔隙的填充并不明显，而阻水剂的憎水性质发挥主要路基工程 8 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）作用。鉴于试样尺寸的影响，阻水剂配合比为 1 时的试样表层基本达到憎水效果的上限，阻水剂掺量从 1 提升到 2 后对试样表层憎水作用的进一步提升有限，反而会影响试样的强度。3.3 冻融循环试样在多次冻融后的质量变化情况，见图 6。改良土试样在多次冻融循环后质量表现出先减小而后略有增加，试验采用裸样浸泡的方式进行融化，试块存在吸水增重情况，表明改良土结构受冻融作用后出现一定疏松、表层局部吸水剥落、裂隙增多等冻融损伤行为，但并不严重。另外，试块的阻水剂含量越高，冻融后试样吸水增重越小。随着冻融循环次数增大到