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中国路基性能湿度状态分区季节性冻结区域研究
Dongxue LIa,*, Zhiguo CHENa,Jianming LINGb
吉林省交通科学研究院，吉林省长春市金华街908号，130012，中国
上海市曹安路4800号同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804，中国
摘要
春季液态水解冻短期剧增是路基弱化季节性冻结区结构性能的根本原因之一。冰和水的相变改变了路基的强度和变形。特别是在冷冻线附近的潮湿土壤中是严重的;水分过多导致路基结构稳定性和抗变形能力显着降低。本文超越了季节性冻土区路基状态的传统定义。提出了季节性冻土区路基湿度条件的分区法。介绍“弱路基层”概念，以表征路基最不利状态下的融冰混合状态。研究季节冻土地区路基湿度来源及其主要影响因素。掌握季节性时空分布特征冻结的路基湿度。建立路基模量和变形衰减的分类方法。将路基湿度状态分为正常平衡，完全冻结和冰水混合基础上的结构相关性表现和季节性波动的路基湿度。结合季节冻结区冻土路基和路基工作区的路基结构性能组合综合确定危害期。重点分析了冰水融合时期路基性能的演变规律。
关键词：季节性冻结区;路基;湿度; 冰水混合; 最敏感的破坏期
1、背景
中国的季节性冻土面积占土地面积的50％以上。季节性冻土工程性能弱化带来的问题日益突出。季节性冻土是一种温度敏感的土壤。在负温度条件下，部分水相转变为冰晶，从而形成一个四相土壤。其工程性质受温度，土壤等因素的影响，也受含水量的影响的土壤或冰含量控制。季节性冻结地区的路基施工具有独特的水分状况季节变化的特征。受季节温度和湿度的综合影响，有些呈现出一种状态路基土交替三相和四相土，四相体态约占整个时间的1/2年。不同国家的路基结构性能不尽相同。例如，液态水冻结成冰有利于抵抗外部荷载和路基融化的过程正好相反。春季季节性冻土的融化过程是自下而上和自上而下的，具有明确的双向融化特性。在春天的时候上层冻土融化期较晚，尚未完全解冻，出现大量液态水由于聚集在冷冻线附近的土壤中而不能排放，导致水分含量短期剧增的土壤甚至饱和。在这种情况下，土壤的抗剪强度和抵抗变形的能力显着降低。这是弱的路基层，也是潜在的威胁，进一步削弱了结构性能路基。另外，季节性冻土区路基经历周期性的冻融循环反复加载效应，项目表现逐年下降。可见，复杂的温度和湿度环境，尤其是冰和水混合状态的融化，以及冻融循环主要诱发各类季节性冻土路基病害。目前，国家划分季节性冻土是建立在岩土工程和其他学科的基础上的。划分状态和路基的方法结构性能相关性较低。提高该地区公路路基质量的研究指导不高。提高公路路基质量是无法实现的。因此，以性能为导向的季节性冻土路基湿度划分方法的现状为急需重新审视，为季节性冻土公路路基施工和施工提供理论依据维护是需要提供的。
2、文献综述
2.1 季节性冻土路基温度和湿度特征
目前，对哈伦（1973），吉尔平（1985），盛代超（1994），李宁（1999），郭莉（1998）等季节性冻土路基温度对湿度影响的研究主要集中在水和传热问题上。 ），苗天德（1999），李宁（2000），铁线（2001），陈飞熊（2002），毛雪松（2004）等人提出了运动方程的运动方程式和其他方面的综合描述冻融过程。此外，Miller（1972）的研究表明，冷冻过程中土壤前缘与冰透镜之间存在低湿度冻结，低透湿率和无霜区域，该区域被称为冻结边缘。在冷冻条件理论的基础上，对Radd（1973），Akagawa（1988），Takeda（1997），Watanabe（1997）和Muto（1998）等冷冻土壤水分迁移特征进行了深入研究。 。使用各种分析方法系统地研究冰冻边缘特征，包括边缘厚度的冻结，冰的生长速率隔离。瓦斯瓦尼（Vaswani，1975）发现，在路基湿度和温度条件下，由于温度变化引起的水分路基产生变化l〜5个百分点。 Stevens（1949），Marks（1969），Cumberledge（1974），Shuai，Heydinger和Rainwater等人（1999）发现，路基土壤含水量分布呈现年周期变化，包括土壤含水量在0〜0.3m范围内影响每日的冻融循环并发生显着变化，随着时间的推移，底基层和路基土壤湿度呈正弦形状分布。张喜等（2004）通过实地调研发现，温度越低，路基湿气迁移速度也越快。
毛雪松等（2012）对冻融循环路基模型试验表明：冻土区冻结含水量如稳定期，过渡区未冻水快速变化区和未冻水含量降低区路基冻结后的面积。在解冻过程中，路基中间层的温度变化较大，内部含水量较小，两端的路基中间层呈现增大，减小的趋势。 Mitchell（1993）发现，水通常是由于不同的能量水平在冰点附近被地下水位吸引。 Jame（1980），Hansson（2004）和Zhang（2007）指出，冻土水分再分配过程中的温度梯度起着非常重要的作用。显然，影响路基水分条件的因素非常复杂，可分为外部因素，路况，材料和施工因素，地形地质等植被。季节性冻土区路基湿度，大气影响因素较为突出，通常与地表温度变化密切相关。因此，地下水是影响季节性冻土地区路基湿度的另一个因素。
2.2 季节性冻土力学特性的冻融敏感性
一般认为，经历冻融循环后，样品的强度和密度密切相关。样本的刚度也有类似的结论。土壤的紧密程度，强度往往会增加，如Viklander（1998）所提出的比剩余孔隙度概念。与静态试验相似，学者们对冻融循环下土体的动力特性进行了大量的研究。吴红娟（2005）测定了东北，华北和其他地区路基的含水量和回弹模量。当冻结不影响路基时，路基回弹模量的含水量越小。在里面冷冻期，回弹模量比较高。戴文亭（2007）表明：经过3次冻融循环后，粉土的动力强度和动态模量变化不再受围压和冻融周期的变化。而王维娜（2010）的研究结果表明：6次土壤冻融循环后弹性模量衰减基本稳定。毛雪松（2012）表明，当循环次数达6次时，弹性模量稳定，随着循环次数的不断增加，弹性模量略有增加。陈达（2014）的研究表明，冻融循环和粗粒土水含量的作用试件回弹模量有弱化作用，且都不容忽视，但粗粒土中含水量增加的过程中，并不表现为弹性模量迅速衰减，水分含量低8次冻融作用后的试样保持不变，试样水分含量高达10倍。实验室测试方法是研究冻结土壤的力学性能的重要手段，解冻循环。土壤试验包括黄土，粘土和粉土等细粒土。测试方法包括单轴压缩测试，直接剪切测试。静态三轴压缩测试相对较小。为了突出季节性冻融循环对冻土力学特性的影响，许多学者发明了常规三轴压缩试验的冻结循环，以测试不同固结条件下的土体强度。
3、方法论
3.1 温度低于土壤表面
路基由地球内部空气（或地表）温度和土壤热性质等因素共同决定。 一天或一年周期内的表面温度显示出简单的周期性变化之间的类似关系。 表面温度的每日或每年的周期也可以选择与正面变化的曲线估计奥兰多B.安德斯兰德等。（2011年）。 如图1和公式（1）所示。
（1）
Fig. 1 sinusoidal variation of ground temperature
如果时间t是从1月1日开始计算的，一年中最冷的时间和1月份发送的时间是两周前，曲线的表面温度将不得不平移到右侧。 然后可以通过等式获得曲线气温随着深度z的增加逐渐衰减。 在恒定均匀的土壤，深度和深度的状态下任何温度的时间（Tz，t）可由Orlando B.Andersland等人的以下等式。f表示滞后期，而p期的单位相同。 气温随着深度z的增加逐渐衰减。 在恒定均匀的土壤，深度和深度的状态下任何温度的时间（Tz，t）可由Orlando B.Andersland等人的以下等式（2）计算。（2011年）。
（2）
3.2 季节性冻土路基土壤水和冰
土壤孔隙结冰是由于土壤冷却水系统，直到温度降低到Tsc孔隙水开始冻结。在游离水进入冰冷水之前已经处于亚平衡状态。这些冰冻核心可能是水分子或土壤颗粒的聚集体。由于冰的潜热释放产生，所以土壤温度上升到Tf，这是初始冰点温度。对于非粘性土壤，由于其颗粒较小比表面积大，初始值接近冰点温度Tf = 0℃。对于细粒土（淤泥和粘土），温度较低（△T）约为5℃，土壤孔隙水在温度Tf下会冻结。用土壤孔隙水被转化为游离冰，潜热释放将减慢冻结速率，直到温度达到Te。所有的自由水和大部分结合水（土壤颗粒表面未冻结水膜）将在Te处冻结，如图2所示。由于细土颗粒具有较大的表面积，在较低的温度下可能有大量未冷冻的水。
Fig. 2 soil ice-water cooling curves by Orlando B. Andersland et al. (2011)
3.3 温度对冻土强度的影响
土壤是由固体颗粒，水，气组成的三相体系，由于颗粒土，非均质性和可变性，土的强度并不取决于土壤颗粒本身的强度，而是取决于土壤之间的作用力粒子决定。多年冻土是一种非连续的四相系统，其中部分孔隙水冻结成冰（土壤骨架，水，冰和空气）。在冻土形成过程中，由于有一定的温度和压力，孔隙水进入冰的孔隙中，使环节内土壤的内部结构发生变化，改变了相互作用土壤各阶段之间的相互关系，从而改变土壤的强度，使之成为可能相同土壤条件下的冻土强度和经济强度差异很大。由于温度直接影响冰粒的强度和解冻含水量，所以它们的各个方面的力学性能永久冻土具有非常重要的意义。
3.4 解冻永久冻土
永久冻土结构通常包含几种不同形式的冰，如土壤颗粒-冰包裹物，单冰夹杂物和含有冰等的土壤。永冻土一旦解冻，其结构就会随着冰融化而消失，并在原始外载荷下，调整土体骨架应力，达到新的平衡态空隙率。解冻现象导致解冻对季节性冻结公路设计非常重要。冻土融化过程可能导致缓慢解冻过程产生的水以相同的速率从土壤中排出。这个流程不会产生过量的孔隙水压力，同时解冻发生沉降。但是如果解冻率太高快，特别是对于季节性永久冻土，解冻方式是双向解冻，当多余的孔隙水不能时在土壤冻结的下部排出时，会产生过量的孔隙水压力，即过量的孔隙水压的存在会降低土壤的抗剪强度，形成潜在不稳定的基础。
3.5 冻融循环引起的土壤力学特性的变化
受气温季节性波动影响，冷地表面积会反复冻融，改变土壤的内部结构，从而导致土壤的物理和力学性质发生变化泥。当寒带建设需要考虑冻融循环的影响时。为了研究冻结和解冻过程中，长期以来一直是两个古老的主要问题，即冻胀和解冻沉降，以及冻融循环将显着影响土壤的工程性质。在土壤冻融物理参数发生变化后，有大量的研究表明，结论较为统一，主要表现在土壤渗透性，密度，孔隙度和含水率限制方面，如图3所示。
Fig. 3 conceptual view of residual porosity ratio
受冻融过程，力学测试方法等因素影响，机械性能受到影响冻融历史后的路基土变化较为复杂。相关研究并不充分，尤其如此它们的冻融机理尚未形成统一的结论。重塑后冻融，采用固结不排水三轴试验发现土体强度下降，应力—应变曲线没有明显差异峰;使用室内叶片剪切试验进行冻融后的重塑粉土，以及垂直和平行于剪切的比较土样在轴向两个方向的强度，发现冻结引起的土体强度各向异性和解冻，图4。
Fig. 4 effect of freeze-thaw cycles of soil dry density by Orlando B. Andersland et al. (2011)
3.6 季节性冻土路基湿度时段的性能划分
季节性冻结区域的路基施工具有湿度状态显着特征的季节性变化。一年中有几种季节性冻土路基，一般分为四至六次，正常状态—冷冻状态（包括从正常状态到过渡状态的冷冻状态） -完全解冻状态（包括冷冻状态到完全解冻状态的过渡状态）—解冻恢复状态，又可分为平衡期—冻融—完全饱和—冻融—恢复—平衡阶段。从季节性冻土成分分析的角度来看，季节性冻土路基为三相或四相状态的土壤，其中四相状态的冰水混合物占据约1/2的时间年，四相水体主体包括冰水混合冻融和冰水混合解冻。因此，本文将正常合并路基状况，并解冻冻结状态。因此，路基是冰冻期正常湿度期（包括水冰相变，完全冻结），解冻期包括冰水相变，完全融化）。高速公路路面通常会出现冻胀区域粗糙和地面隆起现象。下图显示了0℃等温线路面结构的加入和路基断面图随时间和深度的位置变化图。随着春天的到来，温度正在逐渐升温，结果出现融化现象。包括冰在内的冻土融化消失并允许土壤骨架重新调整以达到新的平衡空隙率。相变并释放过量的孔隙水融化土壤会导致土壤发生体积变化（或沉降）。在解冻期间，当多余的孔隙水不能在土壤冻结的下部排出，路面结构很可能受到破坏。在重量级高孔隙水压力的车辆荷载瞬间会导致路基路面结构的破坏。在最敏感的时期（0℃等温线穿透之前）位于土壤路基的上部是解冻最重要的领域减弱。路基土壤定义为路基薄弱部分夹层，表现为区域路基土壤湿度为路基最不利的条件。什么时候路基“双向解冻”完成后，路基薄弱层的厚度逐渐减小，直至超过孔隙水压消散，路基土体空隙率恢复平衡，图5。
Fig. 5 freezing-thawing period
4、案例研究
4.1 现场测量数据和路基温度及湿度分析
以东北地区为例，公路路基通过该地区的工程路线属于公路温带大陆性季风气候，西伯利亚和蒙古受干旱影响，四季分明，冬季漫长，春季干燥多风，夏季短温暖，秋季阳光明媚，温差大。年平均温度为4.5℃〜6.8℃，极限最高温度为36.9℃〜39.5℃，极端最低温度为 36.1℃〜-39.8℃，年平均降水量304.8mm〜593.8mm，降水70％集中在6,7,8月。降雪期通常在10月下旬，降雪期为6个月，最大积雪深度为16cm〜24cm，最大冻结深度1.7m〜1.8m。
路基宽度10m，路面宽度9m，路面结构采用细
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