3 交通部西部交通科技项目 《高原湿地朗川公路修筑及环境保护
技术研究 》资助 。 宋 珲 , 男 , 硕士研究生 。
2 冻胀和融沉原因 [ 1 ] , [ 2 ] 211 冻胀
路基土开始冻结时 , 由于负温的作用 , 水分开 始由下层向冻结锋面集聚 , 形成冰晶体 、夹冰层 , 通常路面特别是黑色路面 , 其导温性较两侧路肩强 得多 , 因此路面下基土冻结速度大 , 冻结深度也 大 , 冻结线在路面下呈凹曲线 (见图 1 ) , 路基下 部和路肩土体中水分将向路基中部集聚 , 使路面下 部形成较厚的聚冰层 , 从而产生冻胀 , 造成路面不 平或产生裂缝 。
关键词 季节性冻土路基 冻胀 融沉 影响因素
1 前言
中国冻土可分为季节性冻士和多年冻土 。多年 冻土指冻结持续三年以上的土 ; 季节性冻土指地表 冬季冻结而在夏季又全部融化的土 。我国季节性冻 土 区 面 积 大 约 51317 万 km2 , 占 国 土 面 积 的 5315 % , 其南界西自云南章凤 , 向东经昆明 、贵 阳 , 绕四川盆地北缘 , 到长沙 、安庆 、杭州一带 。 季节性冻土地区的公路路基容易产生冻胀和融沉 , 严重影响行车条件 。因此 , 对其进行深入研究是非 常必要的 。
重的增大而减小 。热融下沉的实质是冻土融化过程
中土孔隙发生变化 。热融下沉量随土孔隙减小而减
小 。所以土中孔隙比越大 , 融化下沉系数也越大 。
5 结论 (1) 土体冻胀与土质 、土体密度 、荷载 、含水
将自重引起的沉降纳入压缩系数中 , 但是试验测试
很难区分这部分分量的大小 。所以在融化试验中尽
管不施加外力 , 测量的融化压缩系数的值偏大 , 就
是包含了土体自重产生的压密沉降量 。而外部荷载
的作用使得土体进一步发生压密及固结作用 , 引起
土体在融化时沉降量的增加 。
(4) 土体密度 (压实度 ) 。融沉系数随冻土容
212 融沉 春季路基开始融化 , 这时路面下土比路肩土融
化快 , 使路基形成凹形残留冻土核 (见图 2 ) , 冻 土核为一不透水层 , 使其上部已融化土中的水分不
(2) 通过使用 LS - DYNA 程序对土中爆炸成 腔进行的三维仿真是成功的 。模拟所得的结果与试 验结果基本相符 。
(3) 数值模拟所用的土介质本构模型为软件 自带模型 , 不具有普遍适用性 。下一步需通过试验 建立实际工程土的本构模型 , 对软件进行 2次开发 向 LS - DYNA 程序中添加制定有土介质材料的本 构模型 。
(4) 采用 LS - DYNA 程序进行数值模拟 , 是 研究爆炸问题的一种非常有效而且经济方便的手 段 。目前虽有其局限性 , 但随着数值计算的进一步 完善它将起到试验无可替代的作用 。
同时刻的爆腔发展历程图 。
4 结论 (1) 由于爆炸法具有经济 、方便 、快捷 、应
用广泛的优势 , 用于处理野战机场土基施工具有较 好的推广价值 。
(2) 含水 量 。朱元 林等 ( 1982 ) 、童 长江 等
(1985) 、吴紫汪等 ( 1981 ) 及陈肖柏 ( 1981 ) 的
现场及实验室试验发现 , 冻土融沉系数与含水量间
的关系非常密切 。在允许自由排水条件下 , 融沉系
数 A0 随含水量 w 的增加而急剧增加 。各种土质的 变化规律均相似 , 大部分情况下 , 当 w 小于等于
因而土体的冻胀率随着土体的温度降低而增大 。对
于不同土质的土体 , 冻胀率不同 , 但随温度变化的
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全国中文核心期刊 路基工程 2007年第 1期 (总第 130期 )
规律相似 。一般土体温度在 - 3 ℃左右 , 土体的冻 胀量值约占最大冻胀量的 70 % ～80 % , 其中未冻 水含量急剧减少 ; 土体温度在 - 3 ～ - 7 ℃范围内 时 , 冻胀量增大值约占最大冻胀量 15 % ～20 % , 期间未冻水含量处于缓慢减少的过渡状态 。土体温 度低于 - 7～ - 10 ℃以下 , 土体冻胀量占最大冻胀 量的 5 %以下 , 有些几乎不增加 , 土中未冻水含量 减少相当缓慢 。
胀量不大 。对于致密的粘土 , 颗粒粒径小于 01002
mm , 由于其导水能力很弱 , 未冻水不易向冻结区
迁移 , 因此冻胀量也不大 。唯颗粒粒径在 0105 ～
01002 mm 的土具有较大的冻胀性 。
(2) 土体密度 (压实度 ) 。一般情况下 , 三相
体系土体密度增加 , 只是缩小了土体的孔隙 , 并不
密度一定时 , 其冻结速度随着土体饱和度的减少而
增加 , 因而随着土体饱和度增大 , 冻结深度的发展
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
曲线逐渐变缓 , 这是因为 , 土中水分增加时 , 冻结
过程水的相变潜热也增大 , 降低了土体的冻结速
率 。同样 , 在饱和度一样的情况下 , 土体密度增
大 , 冻结速率加快 。这是由于密度增大使单位体积
内骨架颗粒数量增加 , 孔隙减少 , 导热系数增大
所致 。
(3) 荷载 。当增加土体外部附加荷载时就会
对土体冻胀产生显著的抑制作用 。土体外部压力增
加 , 增大颗粒间接触应力 , 降低了土体冻结点 , 影
响着土中水分相态转化 。在外荷载作用的同时会减
少未冻土中水分向冻结锋面的迁移量 , 这就是说会
影响水分迁移的抽吸力 。这种抽吸力是土粒中冰与
过程中产生冻胀的重要因素之一 。水分的多寡及其
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的结果 , 使
冻土中水分出现重分布 。一般冻结后 , 土体上部含
水量增加而下部含水量减少 。
(5) 温度 。土体冻结过程 , 实际上是土中温
度变化的过程 。土体的冻结温度取决于土体的颗粒
冻结速度是温度从另一方面来影响土体冻胀性 的大小 。冻结锋面在土体中的移动速度反应了土中 某一瞬间冻结锋面的热平衡状态 。当冻结锋面通过 己冻区向上传递的热量大于未冻区通过热传导传递 上来的热量和在冻结锋面上水的相变潜热时 , 说明 某时刻内冻结锋面上冰析出量少 , 冻结速度快 , 冻 胀量小 。相反 , 则冻胀量大 。在同一温度条件下 , 土体的冻结速度取决于土中含水量和冰析出率 , 以 及土体的密度 、导热系数等 。
铁路规范中按各类土的冻胀变形强弱 (冻胀系 数 )η分为四个等级 : ①非冻胀性土 , η≤1 % ; ② 弱冻胀性土 , 1 % <η≤ 3 % ; ③冻胀性土 , 3 %
<η≤6 % ; ④强冻胀性土 , η > 6 %。
A0 一般小于 3 % ～4 % , 相反 , 则随粉粘粒含量增 加而急剧增大 。
通常用冻胀量和冻胀率来表征土体的冻胀特
性 。冻胀量是指土体冻结时引起地表总的上升量 ; 冻胀率 (也称冻胀强度或冻胀系数 ) 是一相对值 , 用冻胀量与冻结土层厚度之比来计算 , 通常用百分 数计 , 如式 (1) 。
η = h ×100 %
(1)
H
式中 η———冻胀率 , % ;
h———冻胀量 , mm;
对于路基而言 , 冻胀量大小和冻结线向土基推 进速度与气温下降速度有直接关系 。入冬时 , 如果 气温骤降 , 冻结线迅速向下推移 , 土体中水分就地 冻结 , 析冰充填了土孔隙 , 整个土基冻胀量极小 , 若气温下降缓慢 , 未冻区水分可以充分地向锋面迁 移 , 则会在冻结锋面形成较厚的聚冰层 。
收稿日期 : 2005 - 11 - 14
宋 珲等 : 季节性冻土地区路基的冻胀与融沉
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能排出 , 从而造成翻浆 。
3 冻胀影响因素及评价 土的冻胀 , 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 , 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 [ 3 ] , [ 4 ] 。由于地基土往往不 均一 , 而且地基土的冻结程度不一样 , 因而地基土 的冻胀变形也是不均一的 , 再加上路基本体由于各 种原因冻胀也不均匀 , 这就使得路基各部分被抬升 的程度不同 , 于是产生了不均匀变形 。一旦这种不 均匀变形超过允许值 , 路基就产生破坏 。
改变土体的水分含量 , 但却改变着土体的饱和程
度 。它们之间的关系如式 (2)
w =Sr
( Gsγw
-
γ d
)
Gsγd
(2)
式中 w ———土体含水量 , % ;
Sr ———饱和度 , % ; γd ———土的干容重 , g / cm3 ; Gs ———土颗粒的重度 ; γw ———水的容重 , g / cm3。 土体密度同样影响着土体的冻结速度 。当土体
水之间的界面力 。饱和土中冰生长的理论公式为式
(3) 。
ΔPi
+ΔPw
= 2σiw
ri
(3)
式中 σiw ———冰水间的界面能量 , J /m2 ;
ri ———有效孔隙半径 , μm;
ΔPw ———水中的抽吸力 , N /m2 ;
ΔPi ———冰上的压力 , N /m2。
(4) 含水量 。土中水分的存在是构成土冻结
参考文献
[ 1 ] 顾强康 , 刘伟. 爆夯加固法在机场地基处理中的应用 [ J ]. 空 军工程大学学报 (自然科学版 ) , 2004, 5 (2) : 20～22. [ 2 ] John O. Hallquist. LS - DYNA KEYWORD USER ’ S MANUAL (Versi0n 970) [M ]. USA: LSTC, Ap ril 2003. [ 3 ] John O. Hallquist. LS - DYNA THEORETICAL MANUAL [M ]. USA: LSTC, May 1998. [ 4 ] 顾文彬 , 叶序双等. 球形装药半无限土介质中爆炸动力学分 析 [ J ]. 工程爆破 , 1999, 5 (1) : 5～10.