季冻区冻融作用下路基土性能及微观结构分析

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1、季冻区冻融作用下路基土性能及微观结构分析1绪论1.1研究的目的和意义在我国，冻土区面积占我国领土总面积超过2/3，其中多年冻土区域占20%,季冻区区域占55%。多年冻土区域主要分布在为我国的青藏高原地区、青海、大小兴安岭地区，而季节性冻土区域主要分布在我国的东北平原、华北平原、内蒙古高原、四川盆地等地区[1]。我国的冻土分布见图1-1。土中的液态水冻结为固态冰，土颗粒通过冰的胶结作用而形成特殊连接的土。冻土大体可分为三类，包括多年冻土、季节冻土以及瞬时冻土，其中多年冻土的冻结状态持续时间比较长，一般持续两年以上；季节性冻土在冬季时冻结，夏季时融化；瞬时冻土冻结时间比较短，一般为几个小时或者几天

2、[3]。在季冻区，由于特殊气候的影响，所建设的道路必然会受到冻融作用的影响，到达冬季时，路基土体的温度会随着大气温度的下降而降低，在路基土体温度降到0°c以下时，土体就会发生冻结，土体中的水分会随之发生迁移和积聚并结成冰晶体，导致路基发生冻胀，由于路基土体的各向异性，此时的土体很容易产生不均匀冻胀，当不均匀冻胀较大时，就会造成路基的变形开裂，随之导致路面发生破坏；春季，路基土体的温度会随着大气温度的回升而逐渐升高，当土体温度高于0°c时，土体中原来冻结的部分就会吸收热量而开始融化，冻土的融化是一个持续的过程，融化时，上部土体最先融化，而此时土体的下层还处于冻结状态，上部土体中的

3、冰晶体融化形成的水分就不能通过下层冻结土体的孔隙及时排出，土体的含水率增大，路基的强度就会随之下降，在外部荷载作用下，道路会产生裂缝、翻浓以及均匀沉降等病害。综上所述，季冻区道路的土体无论是冻结过程还是融化过程，都有可能产生病害，这些病害对季冻区道路的强度以及稳定性会造成很大的影响，直接影响行车安全，此外道路病害的发生，不但会给道路使用者造成巨大的安全隐患，同吋还增加了道路养护维修、运营管理的费用，形成巨大的经济损失。在季冻区，由冻融作用引起的道路病害非常普遍，图1-2和图1-3为冻融作用引起道路病害的图片，由此可见，路基受到冻融作用的影响会造成整个道路结构强度的普遍下降。目前，关于道路路面的

4、病害以及治理，我国的技术已经非常成熟，但是对于道路路基病害的研究还没有引起国内研究人员的足够重视，尤其是针对于季冻区道路路基强度受到冻融作用而下降的研究亟待进一步研究，因此对于冻融作用下季冻区路基土的强度性能的研究显得尤为迫切和重要。.1.2国内外研究现状在工程上和冻土力学研究中首先研究的就是土的冻融作用，对于冻土的研究，国外早在16世纪就开始了，而对于冻土力学的最早研究要追溯到20世纪30年代，前苏联幵始对冻土力学的性质进行研究，到50年代北美也幵始对冻土力学有所关注1937年，苏联的崔托维奇教授一现代冻土力学奠基人，出版了《冻土力学原理》，代表着当时国际先进水平此后，前苏联涌现出一系列关于

5、冻土的研究成果，发表了大量的专著。受冻融作用的影响，土的性质会发生一系列的变化，科学家们对细粒土冻融后的性质进行了研究，研究结果表明：经过冻融作用后，细粒土的空隙率、密度等结构性质会产生变化，土中的水分子会重新排列[9]，液塑限也会受到影响包括强度、孔隙水压力以及压缩性等力学性质都会受到很大影响lanooandBerg,Saarelaineal,JanooandShoop等对于冻融作用对道路结构的影响都进行了深入的研究Cole通过对土体经过冻融循环后的弹性模量进行研究，得到了回弹模量受含水率、附加应力以及压实度的影响关系式ErikSimonsen经过大量的室内试验证明：经过冻融循环后，土体的回

6、弹模量会降低Johnson,T.C通过室内试验以及现场试验，针对于细粒土建立了路面冻融力学设计模型，路面结构厚度为60cm,设计时速40km/h,曾经历多次大中修，沿线多池塘、农田，最大冻深在2.1m左右。黑大一级路：为G202公路哈尔滨段，G202公路起点为黑龙江省黑河市，终点为辽宁省旅顺区口，全程里程为1818公里，贯穿整个东三省，黑龙江省内路段道路等级为一级，路面宽度10m，路面结构厚度为70cm，设计时速80km/h,道路沿线多为农田，湿地，黑龙江省内路段气候为半湿润温带大陆性气候，冬季气候寒冷干燥，夏季短促而炎热，降水集中，气候有明显的季节性变化，年平均气温3.6°C,最低气

7、温-38.1°C,年平均年水量553.5min，无霜期在135?140天左右，最大冻深1.97m。缓满高速公路：又称G10国道，是中国国道主干线规划7918高速公路网的一条横向主干线，G10公路起点为黑龙江省续芬河市，终点为满洲里市，公路里程为1527公里，2008年8月幵工建设，哈尔滨段2011年9月建成通车，全幅路宽24.5rn，路面结构厚度为70cm，哈尔滨段年降水量平均450ml左