CN101419221A - 深季节性冻土路基冻胀特性的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多年冻土区筑路工程技术领域，具体涉及一种深季节性冻土路基冻胀特性的计算方法。本发明要克服现有技术存在的对冻结过程微观机理的研究不够深入、不具有指导意义的不足。其解决方案是：一种深季节性冻土路基冻胀特性的计算方法，包括以下各因素的计算，(1)土的粒度的影响，(2)土体密度的影响，(3)温度的影响，(4)水分的影响。

Description

深季节性冻土路基冻胀特性的计算方法

所属技术领域：

本发明涉及多年冻土区筑路工程技术领域，具体涉及一种深季节性冻土路基冻胀特性的计算方法。

背景技术：

在深季节冻土区影响路基稳定的主要因素之一是路基的冻胀。路基冻胀包括路基填土冻胀和基底以下土层的冻胀，影响路基冻胀的主要因素可以分为两方面：一是内部因素，即冻结土体的岩性成分、含水量、含盐量以及盐的成分；二是外部因素，即气温、冻结速率和降水，即决定土体冻结过程特性的土、水、温度要素。

目前关于土体冻胀特性的研究主要侧重于微观过程的土冻胀机理研究和已冻土、正融土和正冻土中水分和盐分迁移机理研究。研究表明：在多年冻土中，水分和盐分可在热力梯度、化学梯度和电力梯度等的影响下，缓慢地迁移和重分布。因此，在已冻土中，仍可出现较强的水分迁移和可观的冻胀变形。含盐正冻土在水分、盐分迁移过程中，除产生冻胀外，还可能出现盐胀。饱和正冻土中，盐分的输送是由迁移水中所含盐离子的输送来完成的。在饱和度低于0.5～0.6的情况下，土中水分以汽态方式迁移为主，离子也将随水汽一起迁移，但迁移量很小。当饱和度大于上述数值时，土中水则以液态迁移为主，离子随液态水一起迁移时，其迁移量明显增大。

在工程实践中，人们侧重研究土体冻结过程的宏观冻胀规侓，来指导工程的设计。对于冻结过程微观机理的研究，目前已经得到人们越来越多地重视，这将使人们对冻胀产生机理的认识有很大的提高，将为冻胀预测预报和防治拓展新的途径。

发明内容：

本发明要提供一种深季节性冻土路基冻胀特性的计算方法，以克服现有技术存在的对冻结过程微观机理的研究不够深入、不具有指导意义的问题。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种深季节性冻土路基冻胀特性的计算方法，包括以下各因素的计算，(1)土的粒度的影响：η＝0.59e^1.7αS(式中：土的粒度成分可用土单位体积内颗粒表面积总和S来表示，α为比例常数，当αS≤0.5(1/cm)时，土不冻胀，而αS>0.5时，需根据地下水位条件综合确定之)；(2)土体密度的影响：γ′_d＝(0.8～0.9)γ_dmax(式中，γ_dmax—土体最大干密度)；(3)温度的影响：同一土质条件下，土体冻结温度是随土体含水量增大而相应地升高；(4)水分的影响：冻结后土中水分增加越多，其冻胀量则越大，η＝K(w_s-w_o)^a(式中，w_s—以秋末期间为准的土体平均总含水量，K，a—试验系数)。

本发明深入地对冻结过程微观机理进行了研究，可以有效地指导工程的设计，使路基工程质量更加稳定。

具体实施方式：

下面将结合实施例对本发明做详细的说明。

土体的冻胀，是由于土温降至冰点以下，土体原孔隙中部分水结冰体积膨胀，以及更主要的是在土壤水势梯度作用下未冻区的水分向冻结前缘迁移、聚集并冻结，体积膨胀所致。常采用冻胀量与该冻结土层厚度之比值作为土体冻胀变形的特征值，也即冻胀率η(或称冻胀强度、冻胀系数)，以百分数计。

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\Δh}}{h}\×100(\%)$

式中：h—冻结土体厚度，mm；

      △h—冻胀增量值，mm。

导致土体冻胀的因素甚多，包括土质、水分状态、负温环境、水和土的含盐量、土层上部压力等等。这些因素综合地决定并影响着某地区土的冻胀性。归纳起来主要有三个方面，即土、水和温三大要素。对受荷载作用的地基土，其冻胀性的大小也和所受荷载有关。土层的冻胀是随着冻结过程而发生、发展的，并随土层的融化而消失。各层土的冻胀强度随不同冻结深度范围内的水分、温度及冻结速度的变化而有所差异。

本发明通过下述的计算方法来探讨深季节性冻土路基冻胀特性：

(1)土的粒度组成对冻胀的影响

土的粒度组成是指固体颗粒的形状、大小以及它们之间的相互组合关系。这些组合关系决定着土体的结构特征。根据土颗粒同水相互作用关系来确定各类土的冻胀变形能力与特征。

至今，国际上土冻胀敏感性评价中，粒度成分仍然是个主要依据之一。我国科技工作者着重研究粗粒土中粉粘粒含量对其冻胀的影响。冰川冻土所的早期工作中曾提出12％粉粘粒含量是使粗粒土在饱水条件下冻胀率产生飞跃的临界条件，并建议以此作为分类界限(吴紫汪等，1981)。

通过砂砾石的试验表明：砂砾石土在粉粘粒含量为零时，其冻胀性是不敏感的。在相同的水分及补给条件下以及相近的冻结速率条件下，其结果是：砾石和砂砾土当粉粘粒(<0.05mm)含量大于8％时，冻胀率明显剧增，反之冻胀量都很小，一般冻胀率(η)都在1％以下，砾石冻胀性仅砂砾的一半；粗砂在粉粘粒含量大于6％时，冻胀开始剧增，反之则很小，冻胀率(η)都在0.5％以下；细砂则不同，当粉粒含量在20％时，其冻胀率(η)已接近2％。

哈建院对细砂土的研究提出(王正秋，1983)，土的粒度成分可用土单位体积内颗粒表面积总和S来表示，并得到：

η＝0.59e^1.7αS

式中：α为比例常数，当αS≤0.5(1/cm)时，土不冻胀，而αS>0.5时，需根据地下水位条件综合确定之。并提出粒径三角坐标图进行细砂土冻胀分类。在后续的工作中，该院又进一步提出以<0.05mm的粉粘粒含量来判别细砂土冻胀与否(王正秋，1986)

(2)土体密度对冻胀的影响

在同一土质、含水量条件下，土体密度越大，其冻胀性越强，当土体达到某个密度时，其冻胀性才会减小。对于粘性土来说，在最适宜的饱和条件下冻结，相应产生最大冻胀强度的密度γ′_d，一般可用下式表示：

γ′_d＝(0.8～0.9)γ_dmax

式中，γ_dmax—土体最大干密度。

如果土体密度达到γ′_d时继续压密，土体颗粒间距继续减小，冻胀系数则随着土中水份迁移量减少而相应降低。达到临界密度时的含水程度已接近于该密度下土体起始冻胀含水量(w_o)。

土体密度同样影响着土体的冻结速度。在饱和度一定的条件下，土体密度增大，冻结速度加快。这是由于密度增大使单位体积内骨架颗粒数量增加，孔隙减小，导热系数增大所致。当土体密度一定时，其冻结速度随着土体饱和度减小而增加。这是因为，土中水份增加时，冻结过程水的相变潜热也增大，降低了土体的冻结速率。

(3)温度对冻胀的影响

土体的冻结过程，实际上是土中温度的变化过程。土体的冻胀起始于某个温度，又终止于某个温度。土体的冻结温度取决于土体的粒度、密度、含水量、矿物成分和水溶液的浓度。同一土质条件下，土体冻结温度是随土体含水量增大而相应地升高。

土体冻胀过程具有两个特征温度，即冻胀过程开始温度和冻胀停止温度。由于土温降低，土颗粒的冷缩，土中水结晶尚未充满孔隙引起土颗粒移动。相关资料表明，从土体起始冻结温度至土体冻胀开始温度阶段，是土体处于冻而未胀的冻缩阶段。土体起始冻结温度高于土体起始冻胀温度。

土体的冻结速率是温度从另一个方面来影响土体的冻胀性大小。土体的冻结速率主要取决于土中含水量和冰析速率，以及土体的密度、导热系数、土的比热等等。

(4)水分对冻胀的影响

土中水分的存在是构成土冻结过程中产生冻胀的重要因素。水分的多少及其补给是造成相同条件下具有不同冻胀量的基础。冻结过程中由于水分向着冻结锋面迁移，使冻土中的水分出现重分布现象。冻土中水分的重分布，引起各层深度土体冻胀的不均匀性。冻结后土中水分增加越多，其冻胀量则越大。

试验与工程实践表明，并非所有含水的土体冻结时都会产生冻胀，只有当土中的含水量超过一定界限值(起始冻胀含水量)之后才会产生冻胀。起始冻胀含水量(w_o)与土体塑限含水量(w_p)之间存在如下关系，

W_o＝αW_p

式中，α—当干容重为1.5～1.6g/cm³时，α可取0.8。

按实际工程的观测，η≤1％时，对建筑物稳定性不会产生明显的影响，以此作为界限的土体含水量，称之为安全冻胀含水量(w_c)：

w_c＝αw_p+4

在封闭体系中，干容重为1.5～1.6g/cm³的条件下，当土体含水量达到起始冻胀含水量之后，细颗粒土的冻胀系数则随含水量增加而增大，最终趋于一个稳定数值。冻胀系数与有效冻胀水分(w_s-w_o)之间有一定的拟合关系，大致可用下列经验公式表示：

η＝K(w_s-w_o)^a

式中，w_s—以秋末期间为准的土体平均总含水量，％

K，a—试验系数

粗颗粒土冻胀性与含水量关系也很明显，土体的冻胀系数随着土体饱和度(S_r)增大而增加。当Sr<0.6时，η<1.5％，此后冻胀系数增加较快。Sr>0.9时，粗颗粒土的冻胀性取决于土中粉粘粒含量，当含量大于12％时，则η≥4％；含量小于12％时，则η≤2％。

冰川冻土所的早期工作(吴紫汪等，1981)，曾提出起始冻胀含水量W₀对冻胀率的影响，并通过试验数据相关分析，得到

W₀＝0.84W_p

式中：W_p为土之塑限含水量。

申请人选取青藏铁路DK1610+800～DK1611+200长400米的路段进行试验研究。该地段内，地层特性为：淤泥质粉土、粉质粘土以及透镜状分布的中粗砂和圆砾土。通过对上面冻胀因素的计算，再结合相关因素，在设计上路基路基采用粗颗粒土填筑，路基基底淤泥质粉土用渗水土换填。根据现场实测资料，路基坡脚冻胀率为0.21％～4.50％。因此，路基变形较小，路基工程相对稳定。

Claims (1)

1、一种深季节性冻土路基冻胀特性的计算方法，包括以下各因素的计算：(1)土的粒度的影响：η＝0.59e^1.7αS(式中：土的粒度成分可用土单位体积内颗粒表面积总和S来表示，α为比例常数，当αS≤0.5(1/cm)时，土不冻胀，而αS>0.5时，需根据地下水位条件综合确定之)；(2)土体密度的影响：γ′_d＝(0.8～0.9)γ_dmax(式中，γ_dmax—土体最大干密度)；(3)温度的影响：同一土质条件下，土体冻结温度是随土体含水量增大而相应地升高；(4)水分的影响：冻结后土中水分增加越多，其冻胀量则越大，η＝K(w_s-w_o)^a(式中，w_s—以秋末期间为准的土体平均总含水量，K，a—试验系数)。