重庆一三六地质队 重庆 401147
摘要：通过对南疆铁路某路段路基进行现场实地调查，借助钻探及室内试验手段，结合工程地质条件及路基冻害类型，分析了路基土冻胀的影响因素。结果表明：环境温度从冻结速率及温度梯度两方面直接影响冻胀率；当含水量达到起始冻胀含水量时，土体才开始冻结，并随着含水量的增加，冻胀变得越明显；土的分散性影响土产生冻胀以及冻胀量的大小，土的冻胀系数随着土干容重的增大而增大。该研究成果对于采用合理措施治理研究路基冻害意义重大。
关键词：冻胀；路基土；影响因素；南疆铁路
1 前言
该路段海拔2000～3000m，气候条件恶劣，处于多年冻土分布区的边缘地带，分布有零星岛状多年冻土及季节冻土，由于季节冻土的冻结影响，自线路投入运营以来，该区段线路多处发生冻胀病害，严重影响行车安全。为此，深入研究该段冻土冻胀影响因素，对于采用合理措施治理该段路基冻害有着重要意义。
2路基工程地质条件
2.1地层岩性
岩性主要为人工填土和块石或碎（卵）石土，其中人工填土厚约6.0～8.0m，填料主要为腐植质砂粘土或粘砂土。腐植质砂粘土为灰黑色，粉土含量大，含水量约16%～32%。下部填土含有约5%～15%的卵碎石或少量的块碎石，直径一般20～30cm，最大可达40cm。碎石粒径一般为4～8cm，泥质含量较高，松散、潮湿。该层持水性相对较好，干燥时，强度相对较高，潮湿或饱水时，软化、泥化现象严重，强度迅速降低。
2.2水文地质
研究路段地表水补给来源为大气降水（包括冰雪融水）。由于大气降水直接渗入路基，导致土体含水量较高。部分路段因路基基本垂直山坡，汇水面积大，强降雨时地表水丰富。另外，由于筑路取土，导致局部地带低洼，加上腐植质砂粘土也被作为填料填筑路堤，因此地表水容易在此积水下渗，沿水力坡度和冻融界面渗向路基。路堤坡脚处冻融界面为凹形，易积水，导致局部土体含水量较高。
地下水补给来源为上述地表水的下渗和季节性冻土层的层间水。雨季导致季节性冻土层的融化。路堤本身和山侧的季节融化层的融化水将沿水力坡度和冻融界面渗向路基，汇集于路堤左侧坡脚的融化槽，高处的融化槽水向低处排泄，一旦遭堵，难以排出，就成为冻土层上水，此处的含水量就较高。而路堑段一般在路基中心形成凹形的冻融界面，因此冻土层上水也聚积于此。雨季期间，易在路基土层中形成暂时性持水，并使路基融化层处于饱水状态。
3路基冻害类型
路基冻害可根据冻害的表现形式如：冻峰、冻谷以及交错冻害等进行分类，也可根据冻害发生部位分类，如基床冻害、表层冻害和深层冻害等【1】。对于该路基冻害，按上述方式分类，并不能全面反映冻害情况。为此，根据冻害产生的原因，结合现场调查情况，笔者以发生冻害路段的不同路基形态进行分类，分为：
（1）站场路基冻害：主要是车站站场路基，其汇水面积大，大气降水难以顺畅排出，受地下水及大气降水以及生活用水的影响较大，发生冻害时冻胀量及冻胀变化量都较大。
（2）高填方路基冻害：受地下水影响较小，发生冻害时局部路段冻胀量较大。
（3）低填方路基冻害：包括零断面路基或半挖半填路基，其受地下水影响较强，发生冻害时冻胀量及冻胀变化量都较大。
4路基土冻胀影响因素研究
4.1 温度对冻胀的影响
温度对土体冻胀的影响，主要是指环境温度对路基土体冻胀的影响。其作用有二：①土层内的冻结速率与冻胀的关系；②土温（包括温度梯度）与冻胀的关系【2-3】。现分述如下：
4.1.1冻结速率对冻胀的影响
正在冻结的土，其冻结速率的快慢取决于环境温度的冷却能力。在相同条件下，大自然气温逾低则冻结速率逾快，相应的温度梯度也逾小，反之亦然。冻结速率直接影响冻胀率，冻结速率快时冻胀率小，但也不是冻结速率愈慢则冻胀量愈大。对某一种特定条件的土，都有一个最适宜的冻结速率，在这个冻结速率下的冻胀率最大。
从图1中可以看出，开始阶段砂粘土的冻胀率随着冻结速率的增加亦增长，当达到临界值后，冻结速率再增长，冻胀率便下降，并最终与孔隙水冻结时的冻胀率曲线相交。主要是由于在开敞系统冻结土中，温度间隔大，迁移水流的延续时间长，土层中水分有时间进行迁移和重分布，所以冻胀率也大，只有当冻结速率快，土层中的水分来不及迁移时，水分才在土中原孔隙中冻结。可以得出，砂粘土的最大冻胀量是在冻结速率约24cm/d时产生的，为25cm/d。
4.1.2土温对冻胀的影响
土温与冻胀的关系，反映着两种情况：①反映了土温的不同对冻胀的影响；②反映着温度梯度的大小对冻胀的影响。粘性土在封闭系统条件下，冻胀系数是土温的函数，η=f（t）①。
该路段上部填土为腐植质砂粘土或粘砂土。从图2可以看出，随着温度的逐渐降低，砂粘土和粘砂土两者的冻胀系数都有增大的趋势。当温度达到-4℃时，随着温度的继续降低，粘砂土的冻胀系数保持稳定，在1.5%附近，说明粘砂土的冻结温度在-4℃附近；当温度达到-8℃时，随着温度的继续降低，砂粘土的冻胀系数保持稳定，在2.0%附近，说明砂粘土的冻结温度在-8℃附近。
土的冷却强度和冻胀强度之间的关系是受温度梯度变化量和变化周期所控制。当冻土内温度梯度增加到临界值时，不仅能促使冻结速度的增长，而且能使冻土在不同点上薄膜弱结合水含量差加大，同时也提高了水分向冻结锋面迁移的速度，这时水分迁移速度超过土的冻结速度。当温度梯度值高于或低于这一临界值时，冻胀强度都要降低[4-5]。
4.2 含水量对冻胀的影响
4.2.1土起始冻胀含水量对冻胀的影响
若土粒之间尚有足够的空间供冰晶自由生长，则没有冻胀的反映，只有当含水量达到某一程度后，土中水的冻结才造成土的冻胀，这一含水量值称为起始冻胀含水量。只有当土体含水量超过土的起始冻胀含水量（见表1）时，土体才出现明显的冻胀[6]。
4.2.2土含水量对冻胀的影响
当土中的含水量大于起始冻胀含水量时，土即开始冻胀；当含水量继续逐步增大时，冻胀便明显起来。在封闭系统条件下，冻胀系数随土中含水量的增加而增大，最后趋于定值η＝9％③。粘性土（砂粘土）冻胀系数与含水量的关系为非线性关系；粗颗粒土冻胀系数与含水量的关系为较好的线性关系（图3）。
4.2.3 地下水影响
地下水位距冻结进程线的远近直接关系到冻胀值的大小。初步认为：粘土、重砂粘土和砂粘土在地下水位深度大于2.0m时，含水量小于20～25%。地下水的补给来源为地表水的下渗和季节性冻土层的层间水，在雨季时冻胀量较大。由于该路段的地下水位在4.0m附近，所以其土体的含水量应小于20～25%，这与前面所提及的土体的含水量大致相符。
4.3 土质条件对冻胀的影响
4.3.1 土的分散性对冻胀的影响
土的分散性是冻胀的一个重要物理指标，即表示土的矿物成分、形状、粒度成分及结构特性的土的离散性强度。根据土颗粒同水相互作用的主动性，土具有不同的冻结变形能力，土骨架场对水分的迁移薄膜机构有明显的作用【6】。
通过大量的观测得知：在粒径为0.1～0.05mm的土产生冻胀；粒径为0.05～0.005mm（粉粒）的土冻胀量大；在0.005～0.002mm（粘土颗粒范围）内时，其颗粒分散程度增大，对水分迁移的流速及流量减小，相应的冻胀量反而减小（如图4）。由于本段路基土为砂粘土及粘砂土，其粒径范围为0.002～0.1mm，在这个粒径范围内，土体开始产生冻胀，并有最大冻胀量以及达到最大冻胀量后又出现冻胀量逐渐减少的情况。
4.3.2 土的密实度对冻胀的影响
由图5可以看到，在同一含水量下（即含水量为W1或W2时），因干容重的不同，冻胀系数可相差很大。随干容重的增大，冻胀系数逐渐增大。
该段路基土处于三相体系，冻胀强度随土的密度增大而增大，但土的密度受含水量控制。在图6中，曲线1的上升段（到A点为止）表示砂粘土的冻胀强度在土孔隙未被水完全充满时，随密度增大而增长，而在土完全饱和时，可见到相反的关系，这种关系由曲线1的下降段和曲线2表示。图中曲线1是含水量为24％的重粉质砂粘土，曲线2为完全饱和时的粘性土。同样，冻胀系数与孔隙比间也有较好的关系，如图7，在粘性土e≤1范围内，其冻胀系数随孔隙比的增加是较快的；过了此点后，冻胀系数增加相对变缓。前者是因为水分分布形成冰透镜体，以及水分在孔隙中冻结成冰，这两个因素同时引起体积增加的缘故；而后者则主要是由水冻结成冰这个因素引起体积增加【7-9】。
5结论
（1）在相同条件下，气温越低，冻结速率越快；砂粘土的最大冻胀量是在冻结速率约24cm/d时产生的；砂粘土和粘砂土的冻胀系数随温度的降低而增大；粘砂土冻结温度为-4℃，而砂粘土的冻结温度为-8℃。
（2）当土体含水量超过土的起始冻胀含水量时，土体才出现明显的冻胀；砂粘土的起始冻胀含水量为10~15%，而粘砂土为11~15%；粘性土（砂粘土）冻胀系数与含水量为非线性关系；本段路基土在0.002～0.1mm粒径范围内开始产生冻胀，并产生最大冻胀量以及随后冻胀量逐渐减少；随干容重的增大，冻胀系数逐渐增大；在相同条件下，粘砂土的冻胀系数随含水量的增大而增大。
（3）不同结构形式的路基，高路堤、路堑、半挖半填路基、低挖低填路基对冻胀的影响主要是由于路基土体本身的渗水性以及进入其中的水不能及时排除，而导致路基土长期处于富水或饱水状态，从而加剧了冻胀病害对路基的破坏。
参考文献：
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[9]刘建坤，童长江，房建宏.寒区岩土工程引论[M].北京：中国铁道出版社，2005.
注释：
①据中国科学院冰川冻土研究所研究成果
②据中国科学院冰川冻土研究所对几种典型的土做过的试验成果
③据中国科学院冰川冻土研究所实验成果
论文作者:宋文燕
论文发表刊物:《基层建设》2017年第12期
论文发表时间:2017/8/16
标签：路基论文; 冻害论文; 含水量论文; 粘土论文; 系数论文; 速率论文; 砂土论文; 《基层建设》2017年第12期论文;