张传

【摘 要】本文针对东北地区的季冻区冻土这种特殊工程地质条件下的路基冻害问题，分析了路基冻害的原因和防治路基冻害的工程措施的防治原理，在此基础上提出了一种具体的防治路基冻害的方法——加灰法，并用室内直接剪切试验和动三轴试验验证了加灰法的可行性。

【关键词】冻土特殊工程地质；路基冻害；防冻害措施；加灰法；直剪与动三轴试验

0 引言

随着我国国民经济的快速发展，需要拥有一个良好的发展环境，那么道路建设就是一个首要的基础前提。然而，在我国东北地区，由于季冻区的冻土这种特殊工程地质条件，公路建设一直被路基冻害问题困扰着。在季冻区，由于土中水冻结成冰和冻土中冰的再融化成水而使得路基发生冻融等现象，从而使路基受到一定的损伤，其损伤主要表现在冒泥翻浆、道路表面凹凸不平、路面产生较多裂缝、车辙较深类似槽沟状等。冻胀和融沉都将降低路面平整度，甚至可能破坏路面的平整度，这样就会给公路的正常运行带来安全隐患，尤其是给高速公路的正常运行。同时，公路养护费用也大大增加了不少，因此，对路基的冻害的防治以及清除其产生影响的研究是很有价值的研究，也是很有必要的。

1 道路冻害现象的原因

道路产生冻害主要包括四方面因素：

1）路基土：土体均匀与否，冻胀是否敏感以及其他一些工程特性。

2）水：包括地表水和地下水两种。地表水可以使冻土融化过程加快，同时由于地表水的渗入，道路路基土的性质会相应地改变；地下水可以使经过蠕变或者融沉之后的路基土处于湿弱状态。同时在路基冻胀过程中，埋深在1.5m以上的地下水是，水分迁移的补给水源。

3）温度：在寒冷的冬天路面可能产生收缩开裂；由于受气温影响，地温也会有一定的波动性，而地温改变就会改变路基土的一些工程特性。

4）荷载：当外荷载变化时，路基土会产生相应的蠕变和应力松弛变化，从而会冻胀性发生一定的变化。

2 防冻害措施的工程应用

在道路建设具体的实践中，对各种防冻害措施的基本原理进行分析，因地制宜，结合道路建设所在地的工程地质条件，并考虑实际气候条件和水文以及预计道路建成以后的道路交通量状况，在综合分析考虑之后，选择适合该道路的防治冻害的具体方法措施。防冻害的主要措施方法：（1）“置换法”，用非冻害材料置换冻害土；（2）“隔温法”，设置隔温层防治冻害；（3）“稳定处理法”，掺入外加剂使得土体冻结温度降低；（4）“隔水法”，采用没有毛细作用的大粒径颗粒土或者增加隔水材料。

3 “加灰法”改良路基土防冻害性能

从上面的几种方法可以分析出防冻害措施的基本原理，在掌握原理之后，提出一些改善路基防冻害的具体工程措施。当道路路基受到冻害后，可以将这些具体的措施应用到道路改建过程中。本文主要研究将石灰掺入到路基土体中的防治效果，并依托于室内试验，来验证这种方法的可行性。

3.1 含灰量对含水量的影响

接下来将探讨石灰掺入量的多少对路基冻土含水量的改变。从阜新冻胀比较明显的某路段取路基土一定量作为实验材料，试验起初先取石灰的掺入量为10%。20%，30%，进行初步确定，然后再进一步缩小范围。

首先，从化学角度分析土体的含水量因石灰的掺入的改变原因。生石灰（CaO）遇水（H2O）会发生化学反应，反应产物为熟石灰[Ca（OH）2]，反应会耗掉一些水。其方程式：

CaO（s）+H2O（l）=Ca（OH）2（s） △H<0

因△H<0，即为放热反应。水分会受其放出的热量而产生蒸发，由此可以预测含水量会随着石灰掺入量的增加而不断减少。由试验可得图1。由图1可以看出含水量确实是随着含灰量的增加而不断减小的，与事先预测的基本相符。

3.2 含灰量对密度的影响

由于含水量随着含灰量的增多不断减少，从而土体密度也会产生一定的变化。具体的几个因素：

（1）CaO（s）+H2O（l）=Ca（OH）2（s）△H<0；土体中水分会因反应放出的热量而蒸发，从而水分减少导致土体质量也减少；（2）空气中的CO2可以与其反应产物熟石灰（Ca（OH）2）反应：Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O，反应产物CaCO3为沉淀物，H2O也留在土中，土体质量就会增加。现假设土体体积未发生变化，由上可知土体质量是不确定的，因此其密度的增减也很难定性。另外本身石灰和土体的各自密度就有一定的不确定性，因此掺入石灰后的土体密度就需要用室内实验进一步确定。首先取含灰量为10%。20%，30%，然后再进一步确定。

初步确定得不出二者的具体关系，只能暂时知道密度并不是随着含灰量增多而一直减小或者增多的。为了进一步确定密度与含灰量的关系，在把含灰量增加5%，15%，25%，35%。由试验可得（图2）：

由试验可以看出，含灰量5%时，密度达到此时的最大值，而10%时密度达到波谷，但并不是最小值，从15%一直到35%，密度一直在减少。因此密度确实不是随着含灰量的增加而不断增加或者减少的，具有一定的不确定性。

3.3 直剪试验和动三轴试验

（1）首先以含灰量10%的路基土做直接剪切试验，以剪切位移为横坐标，剪应力为纵坐标绘制剪应力与剪切位移关系曲线（见图3）。

（2）确定各级压力下的抗剪强度：有峰值以峰值点剪应力作为该级压力下的抗剪强度，无峰值以剪切位移4mm处剪应力作为该级压力下的抗剪强度，由图3可得（表1）：

（3）其中横坐标为垂直压力，纵坐标为抗剪强度，以此绘制二者的具体关系曲线，并用曲线求得土的抗剪强度指标粘聚力c、摩擦角？渍值，如图4所示。

由公式？子f =？滓tg？渍+c，易得粘聚力c=2.26kPa，摩擦角？渍满足tg？渍=0.4639，从而进一步可求得？渍=24.90°。

（4）同理，对其他含灰量的路基土做直接剪切试验，可以求出含灰量15%，20%，25%，30%时所对应的抗剪强度指标粘聚力c、摩擦角？渍值。如表2：

由上可知，含灰量一定的条件下，垂直压力的增大，会使得土体的抗剪强度也增大。同时当土体的含灰量增加时，土体的粘聚力值c值也会随之增加，但摩擦角？椎值变化不大。接下来对不同含灰量做动三轴试验，可得到不同含灰量养护前后单轴抗压强度的对比。

由图5可知，在土体中掺入石灰，随着含灰量的增加土的抗压强度并不是一直增加的，大约在25%左右达到最大值。但是养护前后，在含灰量相同的情况下，养护后的掺入石灰的路基土抗压强度明显增大。

4 结语

在我国东北地区，公路路基建设一直受季冻区冻害的困扰。在冻土这种特殊工程地质条件下，由于土中水冻结成冰和冻土中冰的再变成水而产生路基的冻胀和融沉现象。当道路受冻胀或融沉破坏时，道路的正常运行就会有一定的不便甚至安全隐患问题。针对阜新地区路基冻胀问题，本文提出一个比较具体的治理方法，即“加灰法”。对此方法的探讨，本文进行了室内试验的探索，得到了比较理想的结果，但仍需进行现场试验探讨，以期得到更加理想的结果，并希望此方法能最终运用于实践。

【参考文献】

[1]徐学祖，王家澄，张立新.冻土物理学[M].北京：科学出版社，2001.

[2]周幼吾，邱国庆，程国栋，郭东信.中国冻土[M].北京：科学出版社，2000.

[3]郭奕清.冻土地区路基的主要病害分析与防治措施[J].山西建筑，2007，33（27）：309-310.

[4]张晓军，何志平，张淑艳.道路的冻胀与防治措施[J].哈尔滨：黑龙江交通科技，2002，7：20-21.

[5]武憼民，汪双杰，章金钊.多年冻土地区公路工程[M].北京：人民交通出版社，2005.

[责任编辑：王楠]