冻融循环下路基土冻胀率与塑性指数相关性研究

第２９卷第１期　吉林建筑工程学院　学报　Ｖｏｌ＿２９　Ｎｏ．　２０１２年２月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｊｉｌｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｆｅｂ．２Ｏｌ２　冻融循环下路基土冻胀率与塑性指数相关性研究　曲肖龙　王　静　吴春利。　（１：吉林省交通规划设计院，长春１３００２１；２：吉林建筑工程学院交通科学与工程学院，长春１３０１１８　３：吉林大学交通学院，长春１３００２１）　摘要：取季节性冻土区３种不同塑性指数路基土，通过对室内制备的试样在经历０—８次完整冻融循环过程后，统　计试件体积冻胀率及高度冻胀率，得出如下结论：冻胀率随冻融循环次数增加而增大，相同冻融循环次数条件下，　冻胀率随塑性指数增加而增大．对试验数据进行多元非线性拟合，建立不同塑性路基土冻胀率与塑性指数及冻融　循环次数关系，拟合效果理想，可为缺乏冻胀率资料的季冻区路基设计及施工提供参考．　关键词：季节性冻土区；冻融循环；不同塑性指数；冻胀率　中图分类号：Ｕ　４１６．０３　文献标志码：Ａ　文章编号：１００９—０１８５（２０１２）０１～００２４—０３　Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｕｂｇｒａｄｅ　Ｓｏｉｌ　Ｆｒｏｓｔ　Ｈｅａｖｉｎｇ　Ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　Ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ　Ｉｎｄｅｘ　ｕｎｄｅｒ　Ｆｒｅｅｚｅ—．ｔｈａｗ　Ｃｙｃｌｅｓ　Ｑｕ　Ｘｉａｏ—ｌｏｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｊｉｎｇ　，ｗＵ　Ｃｈｕｎ—ｌｉ　（１：Ｊｉｌｉｎ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｃｈｉｎａ　１３００２１；　２：Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｃｈｉｎａ　１３０１　１８；　３：Ｓｃｈｏｏｚ　ｏｆ　Ｔｒａｆｉｆｃ，Ｊｉｌｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｃｈｉｎａ　１３００２２）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｅｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ｉｎｄｅｘ　ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｓｏｉｌｓ　ｗｅｒｅ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｓｅａｓｏｎａｌ　ｆｒｏｚｅｎ　ｓｏｉｌ　ｒｅｇｉｏｎ．Ｆｒｏｓｔ　ｈｅａｒ—　ｉｎｇ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｖｏｌｕｍｅ　ａｎｄ　ｈｅｉｇｈｔ　ｗａｓ　ｇｏｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｅｘｐｏｓｅｄ　ｔｏ　０　ｔｏ　８　ｔｉｍｅｓ　ｃｌｏｓｅｄ—ｓｙｓｔｅｍ　ｆｒｅｅｚｅ—ｔｈａｗ　ｃｙｃｌｅｓ．　Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｓｏｉｌ，ｔｈｅ　ｆｒｏｓｔ　ｈｅａｖｉｎｇ　ｒａｔｉｏ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｆｒｅｅｚｅ—ｔｈａｗ　ｃｙｃｌｅｓ；Ｆｒｏｓｔ　ｈｅａｖｉｎｇ　ｒａｔｉｏ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ｉｎｄｅｘ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｒｆｅｅｚｅ—ｔｈａｗ　ｃｙｃｌｅｓ．Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｆｉｔｔｉｎｇ　ｗａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｆｏｒ　ｔｅｓｔ　ｄａｔａ．Ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｆｒｏｓｔ　ｈｅａｖｉｎｇ　ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ｉｎｄｅｘ，ｆｒｅｅｚｅ　—ｔｈａｗ　ｃｙｃｌｅｓ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ａｎｄ　ｓｈｏｗｅｄ　ａ　ｇｏｏｄ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｇｏｔ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｄｅ—　ｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｓｅａｓｏｎａｌｌｙ　ｆｒｏｚｅｎ　ｓｏｉｌ　ｒｅｇｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅａｓｏｎａｌｌｙ　ｆｒｏｚｅｎ　ｓｏｉｌ　ｒｅｇｉｏｎ；ｆｒｅｅｚｅ——ｔｈａｗ　ｃｙｃｌｅｓ；ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ｉｎｄｅｘ；ｆｒｏｓｔ　ｈｅａｖｉｎｇ　ｒａｔｉｏ　在我国，季节性冻土分布面积为５．１３７　Ｘ　１０。ｋｍ　，约占全国国土面积的５４％…．随着我国大规模基础建　设的开展，大批公路建设投入运营，然而，通过调查发现，在季节性冻土区，路基冻害一直是困扰道路建设的　一个重要问题．由于冬季冻胀，春季融化，在交通车辆作用下路面容易发生鼓包、弹簧、断裂和翻浆冒泥等现　象　ｊ，给交通运输和经济建设带来极大的危害，严重影响整个交通运输事业的发展．公路部门针对公路路　面冬胀春融，在行车作用下发生翻浆的问题，从２Ｏ世纪５０年代末就开始试验研究，也取得了一些成果，如翻　浆原因与分类、防治翻浆的一般原则和防治翻浆的工程措施等，对预防与根治翻浆起了一定作用　．这些道　路灾害主要是由于路基土在冻融过程中土中水的冻结和融化改变了土颗粒间的结构联接及排列方式，土的　力学性质也因此发生改变　．　以往对路基土的研究一般仅限于某一地区某一种土，缺乏代表性，难以推广至所有路基土．为使实验结　果更具代表性，本文选取３种不同塑性指数路基土，基本涵盖能直接应用于路基建设（无需改良）的所有土．　收稿口期：２０１１—０５—０９．　作者简介：曲肖龙（１９８１～），男，吉林省长存市人，工程师　第１期　曲肖龙，王静，吴春利：冻融循环下路基土冻胀率与塑性指数相关性研究　２５　通过对试验土样进行几何尺寸统计，得到不同塑性指数路基土在不同冻融循环次数后的冻胀率，并对试验数　据进行分析处理，得到冻胀率依塑性指数及冻融循环次数的变化关系，充分了解季冻区路基土在冻融循环后　的冻胀情况，给路基设计提供准确的数据支持，对于减少季冻区道路病害有很重要的意义．　１　试验土样和试验方案　１．１试验土样　本试验选取３种不同塑性指数的路基土，　＝ｌ０．７，１５．９８，２１．９３，分别定义为１，２，３号土．根据《公路土　工试验规程》（］ＴＧ　Ｅ４０—２００７）进行路基土材料的颗粒分析试验及基本物性指标试验，结果见表ｌ和表２．　表１试验土样颗粒分析结果　１．２试验方法　首先，取３种土经过烘干后，配置不同含水率，通过室内击实试验，得出３种土样对应最大压实度的最佳　含水率及最大干密度．根据最大干密度计算试验所需用土量，配置最佳含水率，充分搅拌至均匀，然后分层装　入模具，经过分层击实形成最大压实度的试件，试件直径３９．１　ｍｍ，试件高８０　ｍｍ．将脱模后的３种土样试件　放人可控温型冰柜，设置温度为一ｌＯｎＧ，将试件置于冰柜中２４　ｈ，模拟１次冻胀，再将冰柜温度调至１０ｑＣ，将　试件置于冰柜中２４　ｈ，模拟１次融化，如此便是１次冻融循环．进行８次冻融循环（以往研究表明，经６—７次　冻融循环后，路基土物理参数趋于稳定　），对初始状态及每次冻融循环后的土样进行几何参数的测量，测　量采用游标卡尺，精度为０．０２　ｍｍ，测量试件直径及高度．试件高度ｈ，直径测取试件上、中、下３处，分别为：　试件上部直径Ｄ，、中部直径Ｄ　及下部直径　．　２试验结果分析　３种不同塑性指数路基土在每次冻融循环选取５～６个试件，对所有试件的冻后几何参数数据进行处　理，测量其几何尺寸，取平均值进行统计分析，平均直径取用３处直径之加权平均值：　Ｄ＝　（Ｄｌ＋２×Ｄ２＋Ｄ３）　４　Ｓ：　４　式中，＿Ｄ为平均直径；．ｓ为截面面积．　试件纵向高度的增量与原始高度的比值称为冻胀率．取试件平均直径与试件高度，由公式计算所有试件　体变率　。　及高度变化率　：　叩＝　７７＝——　一　Ｌ　吉林建筑工程学院学报　第２９卷　４　＋　３　Ｌ●　●●●●　２　●●，；●　：　●　Ｏ　●●　叼ｒ：　×１００　×　（３）　式中，Ｓ。为试件初始截面面积；Ｓ为试件冻融循环后的截面面积；ｈ。为试件初始高度；ｈ为试件冻融循环后　的高度；　为冻胀率，％，计算至０．０１；Ａｈ为试样总冻胀量，ｍｍ．　将统计结果以图的形式表示，见图１及图２．由图可见，同种土冻胀率随冻融循环次数增加而增加；相同　冻融循环次数下，冻胀率随塑性指数增加而增大．　１　　：Ｌ一　一，＾一一一一Ｊ　一一一一一…　，…，一，　，，…　一，一一，～　。０　１　２　３　４　５　６　７　１　２　３　４　５　６　冻融循环次数　冻融循环次数　图１不同冻融循环次数下的体积冻胀率图　２　●　Ｏ　０　．　图２不同冻融循环次数下的高度冻胀率图　３　多元非线性拟合　｝引　¨　．．．ｒ●．．　．．．１　Ｄ　由以上分析可知，土冻胀率与塑性指数，　及冻融　．５　循环次数凡均有关系，但对实际路基工程来讲，高度冻　１　胀率更有实际意义．因此，对高度冻胀率、塑性指数及。　冻融循环次数进行多元非线性拟合，构造　＝　Ｊ『　，ｎ）　。　关系式．采用麦夸特法（Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ—Ｍａｒｑｕａｒｄｔ）及通用　言　全局优化法进行优化，得到如下关系式：　），＝Ｐｌ＋ｐ２／　Ｐ　＋Ｐ３／ｎ　（４）　其咔‘，Ｐ１＝１・４９，Ｐ２＝一１０３・１３，Ｐ３＝一０・４，相关系数　图３多元非线性拟合结果　ｒ＝０．９６．将不同塑性指数及冻融循环次数下冻胀率　试验值与拟合值绘至同一图中，验证多元非线性拟合效果，见图３．　由图３可以看出，试验所测实际值点均布拟合值上下，拟合效果理想．由拟合公式（４），我们可以得出结　论，冻胀率随路基土的塑性指数的增加而增大，随冻融循环次数增加而增大，对于缺乏冻胀率资料的路基土，　我们可依此公式进行冻胀率推算，进而为季冻区路基设计及施工提供参考，选择合适冻胀率的路基土，若不　满足设计及施工的要求可以选择换填或改良，以使路基达到设施和施工及使用的安全状态．　４结论与展望　本文通过对３种不同塑性指数路基土进行不同冻融循环次数后冻胀率统计，并对试验数据进行分析处　理，得到不同塑性路基土在不同冻融循环次数后冻胀率规律如下：　（１）相同冻融循环次数条件下，路基土冻胀率随塑性指数增加而增加；　（２）对于同一种土，路基土冻胀率随冻融循环次数增加而增加；　（３）采用非线性拟合方法得出路基土冻胀率与塑性指数及冻融循环系数的关系，由相关系数可见，拟　合效果理想．　笔者仅对３种不同塑性指数土进行８次冻融循环，对于其他不同塑性指数土及更多次冻融循环后的冻　胀率规律，还有待进一步研究验证　（下转第３４页）　吉林建筑工程学　院学报　第２９卷　而旧混合料中又包括旧集料和旧沥青，所以在设计过程中应注意一下几点．　（１）在计算合成级配时，首先对新集料按照一般沥青混合料的设计过程进行设计，使其级配接近规范　要求的级配范围．然后根据旧混合料的比例和通过率计算，并最终合成级配以达到规范要求；　（２）在计算新沥青用量时，首先要估算热再生混合料的总沥青用量，在根据旧混合料的油石比及旧混　合料的比例算出旧混合料中的沥青含量，用总沥青用量减去旧混合料的沥青含量就得出新沥青用量；　（３）由于本文以ＡＣ一１３为例，旧混合料为细集料．如果目标级配为ＡＣ一２０或ＡＣ一２５可把旧集料分　粗旧料和细旧料，通过调节粗旧料和细旧料比例，这样便于控制用量以达到规范要求．　总之，沥青混合料的热再生是一个行之有效的方法，它不但可以充分利用资源，还可以节约成本，保护环　境．并且通过一定的再生后，再生混合料的各项性能指标基本上等同于新沥青混合料的性能．　参［１］季考文献　节，高建立，罗晓辉，王锐英．热ｉ】ｊ－生沥青混合料的配合比没计［Ｊ］．公路，２００４（３）：７３　［２］吕伟民．沥青路而再生技术［Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９８９：９７．　［３］常魁和．公路沥青路面养护新技术［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００１：３１０．　［４］谭发茂．高等级公路沥青混凝土路面［Ｍ］．北京：人民交通出版礼，２００２：１０２．　（上接第２６页）　参考文献　［１］徐学祖，邓友生．冻土巾水分迁移的试验研究［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９１：１．　［２］谷宪明．季冻区道路冻胀翻浆机　及防治研究［Ｄ］．长春：吉林大学，２００７．　［３］张树光，马士进，张向东．城市道路翻浆过程的动力学模型研究［Ｊ］．中国地质灾害与防治学报。２００３，１４（２）：９４—９７．　［４］戴惠民，乐鹏飞，王兴降，陈肖丰订，王雅卿．零冻区公路路越土冻胀性的研究［Ｊ］．中国公路学报，１９９４，７（２）：１—８．　［５】齐吉琳，张建明，朱歹　林．冻融作用对土结构性影响的土力学意义［Ｊ　Ｊ．岩石力学与工程学报，２００４，２２（增２）：２６９０—２６９４．　［６］何岩．聚丙烯纤维改良粉煤灰土动、静力学参数研究［Ｄ］．长存：吉林大学，２０１０．　巍，常小晓，孙志忠，冯文杰，张　仆．冻融循环／ｄ＿：ｊ￣ｌｌｘ，］－青藏粘土物理力学性质的影响［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００５，２４　［７］王大雁，马（３３）：４３１４—４３１９．　［８］连江波．冻融循环作用下黄土物理性质变化规　［Ｉ）］．杨凌：西北农林科技大学，２０１０．　［９］公路土工试验规程（Ｊ　ｒＧ阱Ｏ一２００７）［ｓ］．北京：人民交通出版社，２００７．