季节冻土区高速公路路基土中的水分迁移变化

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

2004年8月JOURNALOFGLACIOLOGYANDGEOCRYOLOGYAug.2004文章编号:1000-0240(2004)04-0454-07

季节冻土区高速公路路基土中的水分迁移变化

张喜发,󰀁辛德刚,󰀁张冬青,󰀁汪雪瑞

(1.吉林大学建设工程学院,吉林长春

1221

130021)

130061;2.吉林省高等级公路建设局,吉林长春

摘󰀁要:在季节冻土区,路基水分迁移变化是道路冻害最积极活跃的因素.在路堑段,不管地下水位埋深大小,冻结期间水分都向路基上部路床迁移,但其特征有所不同.线路气候条件和路基土质条件都对水分竖向的迁移和冻胀大小有重要影响.这种竖向迁移,导致路基上部土层产生强烈冻胀作用.水分的它向迁移(包括路肩坡面、失效的排水沟、路面裂缝和中央隔离带等)也可能是产生道路冻害的不可忽视的因素.道路修建以后,其路基土的干湿状态可能比当初设计状态严重恶化,从而产生冻害.关键词:季冻区;水分迁移;冻害;冻胀;路基水分聚积中图分类号:P642.14

文献标识码:A

1󰀁引言

季冻区路基冻害一直是困扰我国北方地区道路建设的一个重要问题.道路这种线性面状结构物暴露在大气中,最易受各种自然条件因素的侵袭,特别是水分迁移致使路基含水量和湿度发生变化,对路基冻害的产生有着实质性的影响.

笔者在2000󰀁2002年间,先后对吉林省几条高速公路进行了两次路基冻害春季专门钻探调查,并对接近竣工条件的长余高速公路进行了两个冻融期的路基冻胀现场观测综合研究工作.通过两次共23个典型路段的春季钻探调查,了解了路基目前含水状况;通过两个年度共18个冻胀观测路段的冻前(深秋)和冻后(春季)钻探取样,了解了路基含水量冻前冻后的变化.将研究资料与调查时路面变形破坏状况和冻胀观测资料等进行了综合分析,在路基冻害与水分关系、路基冻害水分来源、水分迁移特征及影响因素等方面取得了规律性认识.

的土水势平衡被打破,土中水分将从土水势高的下部向上部土水势低的冻结锋面方向迁移,产生重新分布.

2000󰀁2002年两次在路堑段于冻前冻后对路基含水量变化所进行的测试结果证明,上述水分迁移的理论是适用的.路堑段的冻前冻后含水量变化比路堤明显,砂砾石防冻层下的冻层范围内的粘性土含水量比冻前都有不同程度的增加.如果将这些含水量变化图与其地表冻胀量大小进行比较,很容易发现,冻胀量大的地段,其冻层下部含水量增加也大,说明路基最大冻胀量与水分迁移强度有着较好的对应关系.

2.2󰀁地下水埋深对水分迁移特征的影响

󰀁󰀁通过对比研究发现,尽管冻结期间都发生水分迁移,但深埋地下水情况和浅埋地下水情况的水分迁移特征有所不同.

󰀁󰀁(1)地下水深埋情况.长余高速公路2000󰀁2001年观测的1号点(K16+254),位于三岔河附近土质挖方地带,钻探时6m未见地下水.据有关资料记载,这一带地下水位至少在30~50m以下.2001年3月17日钻探取样时冻深2.08m,最大冻深2.10m.冻前冻后含水量变化曲线如图1所示.

[1,2]

2󰀁路基水分在冻结期间的竖向迁移

2.1󰀁冻结期间路基土水分重分布

在路基土冻结过程中,由于温度的降低,原来

󰀁󰀁收稿日期:2003-11-04;修订日期:2004-01-28

󰀁󰀁作者简介:张喜发(1943󰀁),男,黑龙江勃利人,教授,1967年毕业于长春地质学院水文地质工程地质系,主要从事工程地质和岩土工

程方面的教学和研究.E-mail:xifazhang@163.com

4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁张喜发等:季节冻土区高速公路路基土中的水分迁移变化󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁455󰀁󰀁󰀁

由图1可见,冻层下部含水量相对增加,而冻层以下1m左右范围内未冻土层的含水量相对减小.尽管由于土质和含水量差异,使这种水分增加和减小迁移强度有所不同,但从所研究的路堑部位的钻孔含水量变化来看,普遍有这种趋势.

下水位2.80m,是比较浅的.冻深为1.61m.水位与冻深之间最大距离为1.68m(2001年3月2日).该点冻前冻后含水量变化曲线见图2.可见在冻层内及其下1m多未冻土中都产生了大量水分聚积,这与图1所示水分迁移图示明显不同.图1󰀁1号点深埋地下水情况下的水分迁移Fig.1󰀁Themoisturemigrationunderthecondition

ofgroundwaterdeeplyburiedatPointNo.1

󰀁󰀁这说明,对路堑部位,即使地下水埋藏较深,对现场冻结土层来说,下伏土层仍然对其有水分补给.这对冻胀预测和防治有重要意义.

󰀁󰀁(2)地下水浅埋情况.长余高速公路2000󰀁2001年观测4号点也位于土质路堑中,冻前稳定地

图2󰀁4号点浅埋地下水情况下的水分迁移Fig.2󰀁Themoisturemigrationundertheconditionof

groundwatershallowburiedatPointNo.4

2.3󰀁温度影响

󰀁󰀁温度是影响水分迁移的重要因素.温度越低,路基土中的温度梯度就越大,路基中的水分迁移速度也越快.

󰀁󰀁2000󰀁2001年观测的4号点和2001󰀁2002年观测的7号点都位于长余高速公路K75+945~960段.4号点冻前地下水位2.80m,冻结指数2002󰀁󰀂d;7号点冻前地下水位3.33m,冻结指数1025.3󰀁󰀂d.两点的冻前冻后含水量变化剖面见图3(a)、(b).

图3󰀁观测点剖面含水量对比

a.4号点;b.7号点

Fig.3󰀁Acontrastofwatercontents

󰀁󰀁456󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁冰󰀁󰀁󰀁川󰀁󰀁󰀁冻󰀁󰀁󰀁土󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

表1󰀁测点路基土土质对比

Table1󰀁AcomparisonofsubgradesoilpropertiesbetweenPoint11andPoint12

11号

取样深度/m含水量/%液限/%1.65~1.801.95~2.102.10~2.252.55~2.703.05~3.20

20.4924.4622.2023.0521.77

39.842.438.035.036.0

塑限/%19.022.422.722.021.0

塑性指数20.820.015.313.015.0

液性指数0.080.09-0.030.080.05

12号

取样深度/m含水量/%液限/%1.60~1.751.95~2.152.30~2.452.60~2.803.05~3.20

(18.21)23.7320.8420.1719.42

(37.4)33.832.129.727.2

塑限/%(17.8)18.018.918.218.9

26卷󰀁

塑性指数液性指数(19.6)15.813.211.58.3

(0.02)0.360.150.170.06

󰀁󰀁注:表中括号内表示的土样为压实粘性土,其它均为天然土土样.

󰀁󰀁图3说明了4号点的水分迁移强度要比7号高.结合这两个观测年号的冻结指数大小,从而证实了较低的气温有助于水分的迁移.2.4󰀁路基土质条件

路基土的颗粒组成、塑性及其状态是影响路基土水分迁移强度和冻胀大小的另一个重要因素.下面例举现场资料讨论这个问题.

󰀁󰀁长余高速公路2001󰀁2002年观测的11号和12号点相距不过1.7km,都处于挖方地带,前者最大冻深197.6cm,后者201.2cm,相差不大.6m内均未见地下水(估计在30~50m以下).路面结构和砂砾防冻层厚度都比较接近.但砂砾防冻层以下土质及状态差别很大:11号点压实粘性土层做得非常坚硬,钻探时描述岩心呈层状或饼状,而12号点没有那么好;11号点紧接压实土层的天然土层状态比较好,而12号点则为软塑(表1).比较表中1.95m以下层次,虽然11号点含水量比12号点大,但由于其塑性比较大,状态显得比后者要

图5󰀁12号点冻前冻后含水量变化曲线Fig.5󰀁Water-contentcurvesbeforeand

afterfrozenatPoint12

图4󰀁11号点冻前冻后含水量变化曲线Fig.4󰀁Water-contentcurvesbeforeand

afterfrozenatPoint11

图6󰀁11号和12号点冻胀曲线比较Fig.6󰀁Acomparisonoffrostheavingcurves

betweenPoint11andPoint12

4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁张喜发等:季节冻土区高速公路路基土中的水分迁移变化󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁457󰀁󰀁󰀁

好得多.也就是说,由于12号点塑性小、粉性大、状态差,不仅使冻结土层易产生冻胀,而且其下卧土层也容易提供水分迁移补给.二者冻前冻后含水量变化曲线见图4和图5.由图可以看出:冻后12号点含水量比冻前有了明显的增加,而11号点则不明显.

󰀁󰀁路面冻胀反应与上述一致.12号路段平均最大冻胀量达56.7mm,而11号点之最大冻胀仅为2.56mm.这两个测段的冻胀过程曲线如图6所示.该例说明,当防冻层下的土质条件特别好时,路基冻胀和水分迁移强度都非常小,不会对路面造成威胁.

冻胀土层.

根据室内冻胀试验资料对上述各路段进行了分层冻胀计算,结果表明分层冻胀量小得多,平均只及实测冻胀量的23%.这种反差显然是由于给水条件不同而引起的,室内试验是闭式试验,而现场条件是邻近土层对冻结土层有水分补给.所观测路段冻前冻后含水量变化曲线已充分证明这一点,与图7对应的含水量变化图是图1,与图8对应的含水量变化见图5.

4󰀁水分的它向迁移

通过调查发现,水分不单发生自下而上的竖向迁移,它向迁移补给(包括路肩坡面、失效排水沟、路面裂缝和中央隔离带等)也可能是致使道路冻害的重要因素.水分的它向迁移证据从一些路堤类路基调查资料中看得尤其清楚.

3󰀁典型路堑地段冻胀量沿冻深的分布

上述冻结期间水分在路基上部的聚集,必然引起这部分土层的冻胀反应.进行冻胀观测的长余高速公路的路面已做了加强设计,防冻层比吉林省已有长平、长吉和长营等高速公路都要厚,沥青混凝土面层、二灰碎石基层、各种稳定土底基层、砂砾防冻垫层和砂砾防冻换填层总厚度已占去道路冻深的70%~80%.因此,研究剩余冻深范围内土层的冻胀量(分层冻胀)及其对总冻胀的贡献大小即冻胀量沿冻深分布,对积累防冻设计经验具有重要意义.

4个典型路段现场分层冻胀量与路面总冻胀量的关系见表2,其中两个路段的分层冻胀沿冻深分布直方图示于图7和图8.

󰀁󰀁由图表可明显看出,总冻胀量的绝大部分都出现在最大冻深的底层部位,其位置平均在最大冻深下的15%左右.这个位置正是道路防冻设计施工未加处理的那部分,其土质均为天然粘土和掺白灰压实土.这个位置实测分层冻胀量变化在17.5~48.0mm.实测分层冻胀量与实测总冻胀量之比非常大,平均为80%.现场分层冻胀率平均为13.2%,按有关规范关于土的冻胀性分类标准

[3,4]

图7󰀁1号观测点冻深-分层冻胀量直方图Fig.7󰀁Thehistogramofstratifiedfrostheaveamount

againstfrostdepthatPoint1

,已属于特强

表2󰀁现场分层冻胀与实测总冻胀量比较

Table2󰀁Acomparisonofstratifiedandtotalfrostheaveamounts,observedinsitu

观测年份2000󰀁20012001󰀁20022001󰀁20022001󰀁2002平均值

编号11612

所研究的分分层在最大冻层深度/cm160.5~208.1160.6~178.6156~170.8160.3~201.2

深内的位置下23%下10%下9%下20%下15%

地下水埋深/m

实测分层冻胀量/mm

33.839.717.548.034.8

现场分层冻胀率/%

7.122.111.811.713.2

总冻胀量/mm40.245.028.256.7

实测分层冻胀量/实测总冻胀量/%

8488628580

6m未见,估计30m以下

5m未见3.10m

6m未见,估计30m以下

󰀁󰀁458󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁冰󰀁󰀁󰀁川󰀁󰀁󰀁冻󰀁󰀁󰀁土󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

26卷󰀁

融沉系数相当大,为1.0%~1.4%.1999年春季也曾在此钻孔附近做过冻害调查,不妨将两个春天钻孔含水量剖面做以比较,如图9所示.显然从1999

图8󰀁12号冻深-分层冻胀量直方图

Fig.8󰀁Thehistogramofstratifiedfrostheaveamount

againstfrostdepthatPoint12

󰀁󰀁在2001年春季专门冻害调查工作时,ZK10孔(长营线K47+150~200左幅)堤高10.2m,这一带线路几处都有纵向裂缝,钻孔所在部位裂缝蜿蜒达80多米.1.40~1.80m范围内两个冻土样的

图9󰀁剖面含水量变化图

Fig.9󰀁Watercontentchangingwithdepth

表3󰀁路床天然基土干湿状态

Table3󰀁Drynessofthenaturalsubgradesoil

调查年份

调查路段编号

ZK1

位置(里程)

挖填情况

路面破损状况

纵长裂缝延伸约1km,沟状

车辙

土质名称

稠度指标Wc

干湿类型

0~0.3m0.3~0.8m0~0.3m0.3~0.8m-0.53

0.93

极湿

潮湿

长平线,K103+250左幅基本零填挖低液限粘土有机质高液限

粘土全风化砂岩低液限粘土-0.38低液限粘土低液限粘土低液限粘土低液限粘土

ZK3

2000年春季

长营线,K37+425右幅堑深2.1m纵长裂缝断续延伸约700m

翻浆而致深宽槽状沉陷,曾多次修复(最近为1999年)沉陷,断续纵向裂缝沉陷和鼓包,无裂缝低液限粘土

鼓包、沉陷及纵向裂缝,

1999年曾翻修过

纵裂纵裂纵裂和翻浆

纵向裂缝延伸350~400m,

车辙

纵向裂缝,长约30m

0.480.539过湿过湿

ZK6长平线,K6+600右幅长平至长吉高速公路匝道

入口处

长吉线,K64+700右幅

堑深7m

平均含水量W=27.5%0.740.518

0.863极湿

过湿过湿极湿过湿过湿过湿

极湿潮湿潮湿潮湿潮湿

ZK7ZK8

堑深4m深挖方深挖方堑深4.4m

ZK10长平线,K109+500,左幅ZK1ZK3

2001年春季

ZK4

长余线,K98+554,右幅

-3.25-0.1480.560.780.50

0.830.800.82

长余线,K135+750,左幅堑深4.6m长余线,K4+426(13标),

左幅

长平线,K84+900,右幅

堑深5.1m

ZK7堑深1m低液限粘土0.570.67过湿过湿

ZK12长吉线,K15+850,右幅堑深6.5m低液限粘土-1.140.95极湿潮湿

4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁张喜发等:季节冻土区高速公路路基土中的水分迁移变化󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁459󰀁󰀁󰀁

年春季至2001年春季含水量变化的趋势是增加了.由于路堤很高,远超过地下水影响范围,因此只能认为增加的那部分含水量主要来自于它向迁移.󰀁󰀁2001年春季专门冻害调查中的ZK5孔(长平线,K105+500),该孔所在路堤高4.5m左右,道路两侧为稻田,距河沟约100m,左侧不远处为八一水库.该段道路翻浆严重,在行车道靠近超车道部位出现沟状车辙和鼓包、凹坑.该处底基层二灰土比较厚,达0.45m;处于饱和状态,W=27.6%.二灰土下3.2m厚的紫红色低液限粘土(白垩系紫󰀁󰀁表中长平线1994年春开工兴建,1996年秋竣工通车;长吉线和长营线均为1995年春开工,1997年秋通车;而长余线1998年秋开工,于2002年秋通车.

󰀁󰀁表中干湿类型的评定按文献[5],其中极湿状态是笔者赋予的术语,意指Wc值为负.Wc值为负,显然是水分在路床上部(和砂砾防冻层底部交界一带)聚集形成层状冰的结果.例如,2000年春季调查的ZK10孔,在路床顶部1.10~1.17m处见到厚达7cm的纯冰层.

色泥岩风化物),全处于干燥坚硬状态.因此可以推断致使该处二灰土处于饱和状态的水分不可能是从下部迁移而来的.

󰀁󰀁上述两个例子说明,对路堤类路基来说,水分的它向迁移是产生道路冻害不可忽视的影响因素.

5󰀁路基土中的水分聚积状况

春季调查发现,现在许多处于零填挖、低填方

和土质路堑中的破坏路段的路床材料󰀁天然基底粘性土都处于过湿状态,有的甚至极湿.调查时的路基湿度状态与当初设计状态(中湿~湿)相比,已严重恶化,致使道路产生冻害.典型路段情况见表3.

图10󰀁ZK7孔含水量剖面Fig.10󰀁WatercontentofBoreholeZK7

changingwithdepthsection

󰀁󰀁表3中有的路段潜水位比较高,但有的也不尽然.例如2001年调查的ZK7孔,防冻砂砾底面1.40m深,1.40~3.80m为低液限粘土,其下为高液限粘土,5.50m深未见地下水位.该孔基底土含水量剖面如图10,可明显看出水分向上聚积.图中上部如此大的超塑含水量(W-Wp)足以使土产生显著冻胀[6].参考文献(References):

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󰀁󰀁460󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁冰󰀁󰀁󰀁川󰀁󰀁󰀁冻󰀁󰀁󰀁土󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

26卷󰀁

WaterMigrationandVariationintheSubgradeSoilsofExpressway

inSeasonallyFrozenGroundRegions

ZHANGX-ifa1,󰀁XINDe-gang2,󰀁ZHANGDong-qing2,󰀁WANGXue-rui1

(1.CollegeofConstructionEngineering,JilinUniversity,ChangchunJilin130061,China;2.BureauofHigh-grade

HighwayConstructionofJilinProvince,ChangchunJilin130021,China)

Abstract:Watermigrationandvariationinsubgrade

soilsisthemostactiveandlivefactortotheroadfrostdamageinseasonallyfrozengroundregions.Nomat-terhowdeepgroundwaterlevelis,groundwatermaymigratetotheuppersubgradeatacuttinginfreezingperiodwithdifferentextent.Climaticconditionsoftheroadandpropertiesofthesubgradesoilsallhaveastronginfluenceontheverticalmigrationamountofmoistureandtheextentoffrostheave.Itisthevert-iinsubgrade

calmigrationthatcausesstrongfrostheaveintheup-persubgrade.Othermigrationsofmoisture(includ-ingintheslopesurfaceofshoulder,thedisableddrainditch,thecrackofpavement,thecentralisolationstripandsoon)mayalsobetheassignableandimpor-tantfactorstoleadfrostdamagetotheroad.Thedrynessofthesubgradesoilswilldeteriorateseriouslyaftertheroadiscompleted,leadingtofrostdamage.

Keywords:seasonallyfrozengroundregion;watermigration;frostdamage;frostheave;moistureaccumulation