季节性冰冻地区路基路面稳定技术研究

季节性冰冻地区路基路面稳定技术研究

报告简本

1 概述

由于季节性冰冻地区地质、水文、气象等自然因素的影响，沥青路面的结构使用寿命达不到设计年限，并出现早期损坏，究其原因主要是荷载、降水和气温的综合作用。这说明在季节性冰冻地区路面结构型式、路基病害治理、设计参数等方面还不够成熟，需进一步的研究和解决。针对季冻区气候、地形和地质条件及路基路面病害的成因,本课题重点研究以下五个关键性技术问题:

1）．季节性冰冻地区Ⅱ区三级自然区划的研究

2）．季节性冰冻地区道路冻胀与翻浆成因机理与冻胀翻浆防治措施的研究

3）．季节性冰冻地区路基湿度划分方法

4）．半刚性基层材料抗冻性能及温缩性能的研究

5）．沥青混凝土低温性能评价方法与设计指标的研究

2、东部温润季冻区公路三级自然区

2.1研究目的

东部温润季节性冰冻地区（以下简称Ⅱ区）涵盖的范围较大，气候、地形地貌、筑路材料等从南到北，从东到西存在明显差别，公路工程的地域特征仍十分明显。为了使区划工作的指导性更强，更能突出自然因素对工程影响的差异，使采取的工程技术措施更有针对性和实效性，很有必要在原有二级自然区划的基础上进行更细致的三级划分。

2.2 三级区划的分区原则

1)区划服务的目标要明确

2)主导因素原则

3)相对一致性原则

2.3 区划方法的研究

常用的区划方法有：叠置法、主导标志法、地理相关分析法等，各有优缺点和适用性。

随着科学技术的发展，分类与区划工作越来越要求有定量化、数学化的依据，使决策工作能够有更科学的依据和更准确的信息作保证。因此，聚类分析法与遥感技术等一类先进的分析法已逐步运用到分区这类工作中。

综合以上，我们拟采用聚类分析方法进行本次的三级区划。即把互相有差异的自然地理区域，根据自然因素对公路工程影响的相似程度进行划区。

2.4 三级区划分区流程

2.5 聚类分析法构建理论分区模型的流程

2.6 资料调查概况

区划工作首要的问题就是要了解和掌握整个分析区内的自然条件和公路工程特征。

课题组先后对黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古自治区、河北、山东、河南、安徽、江苏等省份的气象部门、地质矿产部门、国土资源厅、测绘局、公路管理等相关部门及专家进行资料走访和调查。基本掌握了Ⅱ区内各小区域的气候、土质、工程地质、水文及水文地质等工程地质状况，以及常见的病害、典型的破损类型、主要影响因素等工程特征。

季节性冰冻地区路基路面稳定技术研究课题组

黑龙江省地貌区划图

黑龙江省年平均相对湿度

黑龙江省年降水量分布图

吉林省地貌区划图

吉林省平原区环境工程地质图

我们共完成了涉及九个省市自治区170个分析点的资料分析和提取工作，并分类建成数据库。在此基础上，分别以Ⅱ区中的每个二级自然区作为研究对象，利用建立的聚类分区模型逐一进行三级分区。

2.7 自然因素对公路工程综合影响的评价

应用模糊评价理论对各区论域集数据进行处理，建立自然因素对公路工程综合影响的评价模型。

综合影响指数越大，所在区域公路建设受自然因素的影响越显著。最后，根据最终的分区方案，将每个三级区所含的各样本点资料进行重新整理，总结和归纳出各区的自然条件状况和公路工程特征，为设计和施工提供更好的指导。

2.8 三级区划地理信息系统的开发

(1)、公路自然区划系统的开发平台

◆应用可视化界面语言VisualBasic；

◆主要是用Mapinfo公司的Mapinfo软件和MapX控件，对数据信息进行采集、建库、

编译、更新等处理。

(2)、公路自然区划信息系统的特征

◆电子地图----实现信息的动态管理，功能较强；

◆数据库信息全面----查询、分析便捷；

◆生成专题地图------便于分析和了解区域间自然因素的分布差异，及其对工程的潜在

影响；

◆地理信息系统维护方便-----随着数据库的不断完善，系统必将发挥重要作用。

3、冻胀与翻浆成因机理和冻胀翻浆防治措施

3.1路基土的物质成分及物理化学性质

1)各主要路段路基土的物质组成

(1)粒度成分：研究路段土质按粒度成分定名为粉质亚粘土、粉土。含有一定的假粉粒。

(2)矿物成分：通过X衍射试验,可知路基土主要以原生矿物为主，其石英、长石含量。

2)各主要路段路基土的化学性质

根据试验结果，试验路段土体比表面积不大，以粉粒为主，阳离子交换量较低，钾、钠

离子含量较低，水分迁移能力较弱。

3)各主要路段路基土的毛细水特性

对试件采用直接法进行毛细水试验，从试验结果看，粘土毛细水上升高度随压实度增大而减小，砂土随压实度增大而增大。

3.2路基土的微观结构特征

借助于扫描电子显微镜，采用冻干制样技术，研究结构单元体的特性、孔隙大小及定向性，可以得出以下结论：

1）结构单元体和孔隙的定向性均较差，说明路基土具有各向同性的特点，水分迁移通道在水平和垂直方向上具有相同的性质。

2）路基土的微观孔隙发育，孔隙连通性好，可提供良好的水分迁移通道。

3.3水分迁移影响因素

水分在冻结时发生迁移，其与土的物质组成、结构特征、地下水、温度等多种因素有关。1）土的粒度成分和矿物成分是影响水分迁移的基本因素。

2）微孔隙发育，连通性好，有利于水分迁移。

3）易溶盐含量大，未冻水含量高，有利于水分迁移。

4）温度下降快，温度梯度大，水分迁移快。

5）冻结深度未达到毛细水上升范围，毛细水不参与水分迁移。

3.4 水热耦合模型

基于连续介质力学和热力学理论，对非稳定渗流的水热耦合模型进行了研究，针对土体冻融期水热耦合迁移的特性，建立了水分迁移耦合模型。

一维水热耦合数值模型

忽略气体的影响，和温度梯度引起的水分迁移，并且忽略水的对流引起的水分迁移，一维冻土情况：

水分迁移方程

热量传递方程

联系方程

从模型的解中，可得出三点结论：

1）土层前半段为冻土段，后半段为未冻土段，冻土段的斜率明显小于未冻土段，随着时间增加，冻土段和未冻土段温度都增加，说明随着时间增加，土层内温度差异逐渐缩小。2）总体积含水量图（左图）如下：可以看到一个总趋势，0～0.5m总体积含水量随冻结时间增大，含水量增大的范围主要集中在1米以内，1~2.5米的深度内含水量有所减小，2.5米以下的含水量基本不变。水分迁移严重位置为冻结层本身，聚冰范围在1米以内。

3）随着冻结时间增加，地表以下1米深度内未冻水含量逐渐变小，土中孔隙被冰充填。

3.5冻胀翻浆发育机理

1）路基冻胀主要是水分迁移引起的冻胀。

2）冻胀机理为毛细水和薄膜水迁移，以薄膜水迁移为主。

3）翻浆机理为动荷载作用下，超孔隙水压力上升，土体强度降低。下图为孔隙水压力产生模型。

3.6冻胀翻浆处理建议

冻胀翻浆的产生要同时具备土质、温度、地下水三个因素。因此，只要消除这三个因素中的一个，就能达到防治的目的。

本项目建议了几个较为常用的处理方法：