季节性冰冻地区路基路面稳定技术研究.docx
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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。
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。
B土样3-9电镜照片
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：
1）提高路基高度：
效果明显，简便易行。
2）加强路基排水：
疏干、降低路基水分。
3）采用水稳性好、冰冻稳定性好、强度高的非冻胀性材料，置换部分冻胀性土。
4）提高路基压实度：
改变原有土的结构，阻断水分上升。
5）设置隔离层：
若路基土体中地下水位较浅，宜采用隔离层阻断水土体中的水份迁移，防止水分进入路基上部，保持土体干燥。
6）加设防冻层，铺设隔温层。
4、季冻区路基湿度划分方法
4.1项目研究目的意义
公路的强度和稳定性除取决于路面结构外，还直接受路基上层（主要是路基工作影响区深度内）湿度和密度的影响。
结合道路的使用情况及多年的研究结果分析看，影响路基潮湿情况与干湿类型主要因素有以下方面：
1、路基水分变化
2、路基工作区的范围
3、路基土的分类
4、季节性冰冻地区道路冻结深度
5、季节性冰冻地区冻结水上升高度
6、毛细水上升高度
4.2路基受力与工作区
本课题分别采用了鲍辛尼斯（J.Boussinesq）公式和有限元计算法，从计算结果得出以下结论：
1）、路面结构越厚，路基的工作深度越浅。
2）、路面结构各层的模量对路基工作区深度影响很小。
3）、各结构层的密度，对路基工作区深度有影响，密度越大，路基工作深度越浅。
从计算结果分析，采用土力学的鲍辛尼斯（J.Boussinesq）公式和有限元推算出来的结果，研究建议，高速公路、一级公路的路基工作区可定为80cm，二级公路的路基工作区定为100cm。
4.3土基的冻结深度
1）道路冻深的现场测定方法
本研究测定道路冻深的现场方法主要有：
（1）用冻深测定仪测定道路冻深;
（2）在春季适当时间，用钻探取心鉴别描述方法确定冻深;（3）测定地温，然后通过确定零温线位置，或者通过确定土的某一冻结起始温度位置来确定冻深。
2）道路冻深的计算方法
冻土地区建筑地基基础设计规范季节性冻土地基的设计冻深计算方法
设计冻深可按公式计算：
《公路沥青路面设计规范》计算方法
道路多年最大冻深按下公式计算：
通过对试验路观测结果的冻深计算，两种方法计算结果相差不大，在设计中，可根据收集资料的情况和当地的经验，合理选择计算方法。
4.4路基土冰冻稳定性试验研究
为了研究的需要，我们自行开发了“TLD-70土壤冷冻试验箱”。
本试验箱可以在一定程度上模拟路基土在一定温度、湿度和受外荷载作用下的冻融环境。
并实施监测土样的温度场、冻胀变形、融沉变形，可以实现土样不同的给水条件，可以在规定的实验温度范围内，任意设定土样温度梯度，人为调控降温和融化的速度，以及保持恒温的时间。
1）对于冰冻试验，浸润时间和冻结时间对试验结果影响很大，时间长，不同土之间吸水特性、薄膜水迁移和土内部结构的变化规律才体现的更为明显。
2）试验结果显示，土的粘性越突出，其吸水稳定性和冻融稳定性越好。
3）冻结速度越慢对土的结构破坏越严重。
4）试验结果表明，路基土的冻胀是在含水量超过其起始冻胀含水量的情况下才发生的。
4.5聚冰带与地下水的观测
从观测数据分析，低液限粘土受地下水影响范围1～2米，高液限粘土受地下水影响范围较大，观测结果达3米左右，可见地下水影响范围与土的性质关系较大，在调查中，应查清土的性质和土的状态，调查地下水的埋深，分析对路基的影响。
结合王希尧、童长江、戴惠民，王兴隆等的研究结论，地下水受冻结影响范围基本为粘质土2.0～3.0米，粉质土大于1.2米，粉土质砂0.8～1.0米。
4.6土的毛细性试验研究及分析
依据《公路土工试验规程》（JTJ051－93）中的毛细管水上升高度试验的方法。
由于规程中的方法采用的有机玻璃管很细、很长，装土样时只适合装风干状态下的土样，不便于控制土的密度，无法达到要求的压实度。
我们设计了试验设备和方法，选取了有代表性的土样，进行了基本物理力学指标的测试，测定不同压实度下的毛细水上升高度。
4.7路基干湿类型划分
1）路基干湿类型划分标准
干燥状态：
路基干燥稳定，路面强度和稳定性不受地下水和地表积水影响，路基工作区范围内不受地下水毛细湿润和聚冰高度影响的为干燥段。
路基不产生冻胀。
中湿状态：
路基工作区范围30厘米以下范围内土层处于地下水或地表积水毛细影响的过渡带区内，受地下水毛细湿润和聚冰高度影响的为中湿段，路基为弱冻胀状态。
潮湿状态：
路基工作区范围内土层处于地下水或地表积水毛细影响区内，受地下水毛细湿润和聚冰高度影响的为潮湿段，路基为冻胀状态。
过湿状态：
路基极不稳定，冰冻区春融翻浆。
路基经处理后方可铺筑路面。
路基为强冻胀状态。
2）临界高度划分方法
季节性冰冻地区路基顶面距地下水或地表长期积水水位的高度不小于路基的临界高度，临界高度计算方法：
3）季冻土的冻胀性分类划分方法
根据路面设计规范，季节性冰冻地区各级公路的中湿、潮湿路段，设计时应进行防冻厚度检验。
路基不产生冻胀时为干燥状态，路基受冰冻作用不产生冻胀现象；路基弱冻胀时为中湿状态，路基受冰冻作用产生轻微冻胀现象；路基冻胀时为潮湿状态，季冻区路面在路基竖向冻胀力作用下发生变形，产生冻胀值。
根据季节性冰冻地区干湿类型划分原则，采用冻胀性分类划分方法。
5、半刚性基层材料综合稳定技术
5.1半刚性基层材料原材料质量要求
1）消石灰的含水量和细度要求
Ø现行规范规定消石灰的含水量不大于4%，这个标准在公路施工中易出现扬尘、起灰，污染环境，经过室内试验和施工调查，认为消石灰含水量应控制在15～25%范围内;
Ø对于消石灰细度，应将现行规范中的建筑石灰专用筛改为公路用筛。
2）粉煤灰细度对二灰碎石抗冻及收缩性能的影响
Ø粉煤灰越细二灰碎石强度和抗冻性越好；
Ø细灰的干缩应变和干缩系数明显小于粗灰的；
结论：
施工期晚的二灰碎石，宜采用比表面积较大的粉煤灰以提高二灰混合料的抗冻和干缩性能。
3）碎石压碎值要求
建议一级公路和高速公路二灰碎石集料的压碎值应比现行规范相应降低5%，应符合下列要求：
基层：
高速公路和一级公路不大于25%
二级和二级以下公路不大于30%
底基层：
高速公路和一级公路不大于30%
二级和二级以下公路不大于35%
4）集料含土量要求
集料含土量对混合料的强度及收缩性能、抗冻性构成影响；集料应洁净、无杂质和泥土污染，集料含土量不宜超过2%，集料的0.075mm通过率不宜大于5%。
5.2半刚性基层材料组成结构及配合比设计
1）半刚性基层材料结构组成设计思想
“八五”期间一些专家从减少收缩开裂角度将集料含量定位为80～85%，但混合料中集料比例增加，其可压密程度、早期强度及力学性能受到较大影响。
所以在实际应用中，集料和结合料配比要合理，不能因提高某一性能而造成整体性能的降低。
2）二灰碎石混合料配合比设计方法
二灰碎石配合比设计借鉴沥青混凝土的设计方法，采用体积法进行配合比设计。
基本思路：
根据经验或泰波公式设计主骨架，然后测其孔隙率，用结合料充分填充孔隙，从而达到嵌挤密实的结构形式。
二灰碎石按体积法进行配合比设计包括下述几个步骤：
（1）集料试验；
集料视密度、配合比、堆积密度与振实密度、吸水率、间隙率。
（2）石灰、粉煤灰比例的确定；
（3）混合料配合比的确定；
二灰用量计算、集料用量计算、混合料目标配合比与生产配合比确定。
（4）混合料生产配合比的确定。
5.3半刚性基层材料路用性能分析
目前季冻区常用的二灰碎石结构类型
混合料种类
及配比
最大粒径（mm）
各级筛孔通过百分率（%）
31.5
19.0
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.075
吉林嵌挤
7:
18:
75
31.5
100
80
50
8
2
0
——
——
规范级配
5:
15:
80
31.5
100
90
60
35
25
18
10
5
长余高速
6:
14:
80
31.5
100
68
34
21
14
10
8
5
同济密实
6:
14:
80
26.0
100
95
46
24
18
13
10
3
吉林省嵌挤结构二灰碎石经过十几年的应用，表现出良好的路用性能。
从两种结构的干缩应变曲线交叉分布，区别不大，14天前两种级配干缩系数相近，14天后部颁规范级配干缩系数明显大于吉林嵌挤结构，说明吉林嵌挤结构具有一定的优越性；
二灰碎石21天前的收缩变形较大，为减少干缩开裂，应注重21天前、尤其是14天前的洒水养生。
二灰碎石抗疲劳强度从试验结果看：
15年路龄四浑线嵌挤结构疲劳曲线明显位于其他两种级配疲劳曲线上方，说明嵌挤结构二灰碎石具有良好的后期强度及长期的抗疲劳性能。
5.4半刚性基层材料抗冻性能及温缩性能的研究
1）抗冻指标
依据试验结果并参考相关的研究成果，提出了不同季冻区二灰类基层的抗冻材料指标，
冻区
试验条件
中、重冻区
轻冻区
28天龄期5次冻融循环残留抗压强度
≥50%
≥40%
180天龄期10次冻融循环残留抗压强度
≥70%
≥65%
2）二灰碎石抗冻最低强度要求
当二灰碎石养生龄期达到45天时曲线放缓，也就是说二灰碎石达到45天时具有了一定的抗冻性，此时二灰碎石的强度是3.5～4MPa，将此范围作为其抗冻最低强度。
6、沥青混凝土低温性能评价方法与设计指标
6.1沥青混合料的抗冻抗裂性能研究
冻融循环10次后马歇尔稳定度和残留劈裂强度趋向稳定，所以以后试验均采用10次冻融循环做为标准。
沥青混合料10次冻融循环后，其劈裂强度残留比：
高速公路、一级公路不小于65%，二级及以下公路不小于50%；试验的温度为-20℃（冻）~20℃（融），施工中严格控制剩余空隙率。
对于季冻区，为保证沥青路面在低温下不开裂或开裂率达到一定的标准，可以提高粗集料用量，形成粗骨架密实结构，以减小沥青混合料的低温收缩变形，因此材料设计应用体积法按骨架－密实原则设计。
6.2疲劳损伤预估模型
试验方法：
采用间接拉伸试验（劈裂试验）
控制方式：
应力式控制
疲劳模型：
采用Monismith模型
沥青混合料的疲劳方程为：
在季节性冰冻地区可以采用Monismith模型表征沥青混合料的疲劳特性；
采用典型结构不同温度下应力应变分析，计算不同温度下不同疲劳方程的疲劳寿命，两种疲劳方程在-5℃处有交叉点，该温度即为控制应变式疲劳方程和控制应力式疲劳方程的分界温度。
在-5～25℃温度范围内，应变的变化幅度小于应力的变化幅度，适合采用控制应变式加载方式；在-5～-15℃温度范围内，应力的变化幅度小于应变的变化幅度，适合采用控制应力式加载方式。
6.3结构剪应力与层间结合状态研究
1）不同坡度、轴载条件下荷载分析
轴重（kN）
稳定速度（km/h）
水平荷载（kN）
垂直荷载（kN）
平路
4%坡度
6%坡度
平路
4%坡度
6%坡度
平路
4%坡度
6%坡度
100
74
58
45
0.47
2.98
4.21
25.00
24.94
24.86
150
65
45
30
0.50
4.31
6.21
37.50
37.41
37.29
200
50
30
15
0.51
5.65
8.22
50.00
49.88
49.73
根据车辆纵向行驶动力学，分析了不同重载条件下、不同坡度条件下轮胎对沥青路面水平荷载和垂直荷载，从表中可知，坡度对垂直影响不大，水平荷载则增加10-16倍，正是在上坡路段荷载的严峻性，是其车辙比正常路段大的原因。
2）结构剪应力有限元分析
分析表明：
中面层剪应力和剪应变最大，下面层偏小，表面层的结构剪应力作用最小，这与中面层的剪切变形一般大于表面层和下面层的实际车辙调查结果相符，通过有效的控制结构剪应力和剪应变，就能够降低沥青路面的车辙破坏。
3）结构剪应力的影响因素
（1）坡度的影响：
选取了坡度0%~8%之间的7个典型坡度路段进行分析，结构剪应力和剪应变的最大值如下图所示。
各级坡度下剪应力和剪应变曲线形态相同，最大值位于路表以下3~5cm左右，坡度由0%增加到4%、6%和8%，剪应力分别增加了76%、127%和179%；水平荷载每增加0.62KN，剪应力增加0.04MPa
（2）轴重的影响
选取100KN、150KN和200KN三种轴重计算设计轴载和超载对剪应力的影响。
下图不同路段剪应力和深度的关系。
由图可知：
在平路时，轴重从100kN增加到150kN和200kN时，最大结构剪应力由0.157MPa增加为0.232MPa和0.308MPa，分别增加了50%和100%，这与车辆轴重的增加比例相同；说明轴重的增加对剪应力的影响是显著的。
（3）沥青面层劲度的影响
右图为沥青路面不同劲度下的分析结果：
由图可知：
当劲度模量降低时，结构剪应力会随着减小；劲度模量的减小会导致结构剪应变增加，当沥青混合料的劲度模量分别折减30%，50%和80%时，剪应变分别增加了38%，88%和343%，因此提高结构层的劲度模量，能够有
效减小结构层的高温剪切变形，降低沥青路面的车辙损坏。
（4）沥青厚度影响
采用8cm，12cm，15cm和18cm沥青层厚度进行计算分析，结果如左图。
由图可知：
面层厚度变化对沥青面层结构剪应力的影响很小。
但最大剪应力出现的位置在4-8cm，根据结构剪应力和剪应变极值所处的范围，表面层和中面层之间的层间结合处受到的剪应力作用是比较大的，因此不但对沥青结构剪应力分析，还应对层间结合的抗剪强度进行研究。
7、结论
项目历经4年的研究，对影响季节性冰冻地区路基、路面稳定性的因素作了大量的调查和分析，面对现代交通的主要特点与季冻区的气候特点，通过室内试验、试验路铺筑及总结以往的研究成果，提出了改善路基、路面稳定性的措施和技术指标要求，为提高季冻区路基、路面稳定性的实施提供了技术支持。
主要成果如下：
1）建立了模糊聚类分区模型，完成了东部温润季冻区的三级区划。
使公路自然区划更客观、更具科学性，减少了主观因素的影响。
2）建立了自然因素对公路工程综合影响的评价模型，并提出了不同区域自然因素对公路工程综合影响的评价指数。
3）开发了公路三级自然区划地理信息系统程序。
实现了资料信息的动态管理，系统可生成各种专题分析图和分布图，可以很直观的了解各区域的主要自然条件状况分布状况、区域间的差异等。
更好的指导工程实际。
4）利用真空仪、液氮和酒精，在不用扩散泵前题下，采用真空冻干技术进行原状软土结构制样工作，解决了高收缩性土原状样的制样难题。
通过对SEM图片的信息提取，应用开发的计算机程序，得到粘性土微观结构单元体的定量指标。
5）对路基的毛细水上升高度进行了系统的分，建立了毛细水上升高度与压实度的关系。
建立了直接法与卡明斯基法毛细水上升高度之间的关系式。
提出采用起始冻胀含水量作为毛细水上升危险高度的判定标准。
6）提出了季节性冰冻地区路基干湿类型的划分方法。
即临界高度划分方法和季冻土的冻胀性分类划分方法。
7）提出了半刚性基层材料的原材料指标要求和二灰碎石按体积法设计的方法；
8）提出了半刚性基层的试验方法和半刚性基层材料不同冻区的的抗冻性指标要求，以及最小抗冻指标要求；
9）通过研究，分析了半刚性基层材料的收缩性能影响因素，提出了有较好抗收缩性能的半刚性材料级配和配合比；
10）通过对沥青混合料的冻融循环试验，提出了冻融循环残留强度的控制指标。
11）研究了温度因素对沥青层疲劳性能的影响，建立了以应力疲劳损坏为主的寒冷地区沥青层疲劳损坏预估模型。
修正了沥青路面开裂量的模型，通过试验路验证了该模型的适用性
12）通过分析，提出了路面层间结合状态的评价指标；通过室内试验，提出季节性冰冻地区粘层油的选择和施工工艺。
13）根据路面抗冻、抗裂的性能要求，提出了适合于季节性冰冻地区路面的结构组合。
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