王泽成 李栋伟 秦子鹏 安令石 季安 夏明海 王振华 鹿庆蕊
摘 要：為研究冻融循环下纤维改良路基土含水率、纤维掺量对土体冻胀融沉特性的影响规律，通过开展室内单向冻融试验，测得不同含水率、纤维掺量下路基土的冻融特性，获得水分场变化、冻胀率、融沉系数、冻融全过程温度场以及结冰温度变化规律。结果表明，1）试样单向冻融过程中，随着深度的增加水相变程度越来越小，且冻融结束后各位置含水率不一致。不同初始含水率下的土样经历冻融循环后其水分重分布比较明显，不同纤维掺量的土样经历冻融循环后其水分分布基本相似。随着纤维掺量的增加，其水分迁移程度减小；
2）8%～16%含水率范围内，其冻结竖向位移最大达到1.19 mm，其融化竖向位移最大达到2.56 mm，达到12%含水率时其冻胀率和融沉系数基本趋于稳定。在0%～0.5%纤维掺量范围内，其冻结竖向位移最大达到1.10 mm，其融化竖向位移最大达到2.85 mm；
3）随着纤维掺量的增加其相变潜热越明显，土体结冰温度先降低后上升，在纤维掺量为0.3%时其结冰温度最低为-1.95 ℃，且达到结冰温度时间最长为14.1 min。研究成果可以为西部粉砂土分布地区铁路及工程建设提供参考。
关键词：季节冻土区；
聚丙烯纤维；
改良路基土；
冻胀融沉；
结冰温度
中图分类号：U213.1+4 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2023）04-0145-10
Study on Frost Heaving and Thawing Settlement Characteristics of
Fiber-improved Subgrade Soil in Seasonal Frozen Soil Region
WANG Zecheng1， LI Dongwei1*， QIN Zipeng2， AN Lingshi1， JI An3， XIA Minghai4， WANG Zhenhua1， LU Qingrui1
（1.School of Civil & Architecture Engineering， East China University of Technology， Nanchang 330013， China;
2.School of Water Conservancy & Environment Engineering， Zhejiang University of Water Resources and Electric Power，
Hangzhou 310018， China; 3.China Nuclear Huatai Construction Co. ， Ltd.， Shenzhen 518055， China; 4.Irrigation Management
Department of Water Conservancy Engineering in Kuitun River Basin， Ili Kazakh Autonomous Prefecture， Kuitun 833200， China）
Abstract：In order to study the effect of moisture content and fiber content on the frost heaving and thawing settlement of subgrade soil improved by fiber under freezing and thawing cycles， the indoor unidirectional freezing and thawing tests were carried out， the changes of moisture field， frost heaving rate， thawing settlement coefficient， temperature field and freezing temperature in the whole process of freezing and thawing under different moisture content and fiber content were obtained. The results showed that：
1） during the unidirectional freezing and thawing process of the sample， the water phase transition became smaller and smaller with the increase of the depth， and the water content was not consistent after the freeze-thaw process. The moisture redistribution of soil samples with different initial moisture content after freezing-thawing cycles was obvious， and the moisture distribution of soil samples with different fiber content after freezing-thawing cycles was basically similar. With the increase of fiber content， the degree of water migration decreases. 2） In the range of 8%-16% moisture content， the maximum vertical displacement of freezing reached1.19 mm， and the maximum vertical displacement of thawing reached 2.56 mm. When the moisture content reached 12% ， the frost heave rate and thawing settlement coefficient tended to be stable. In the range of 0% -0.5% fiber content， the maximum vertical displacement of freezing reached 1.10 mm， and the maximum vertical displacement of melting reached 2.85 mm. 3） with the increase of fiber content， the latent heat of phase transformation became more obvious， and the soil freezing temperature first decreased and then increased. The lowest freezing temperature was -1.95 ℃ when the fiber content was 0.3% ， and the longest time to reach the freezing temperature was 14.1 min. The results of this study can provide reference for railway and engineering construction in silty sand areas in the west of China.
Keywords：Seasonal frozen soil region; polypropylene fiber; improved subgrade soil; frost heaving and thawing; freezing temperature
收稿日期：2022-12-11
基金项目：国家自然科学基金（42061011，41977236）；
新疆兵团科技计划项目（2020AB003）；
江西省自然科学基金资助项目（20223BBG71W01，20202BABL204052）；
东华理工大学研究生创新基金（DHYC-202223）
第一作者简介：王泽成，博士研究生。研究方向为寒区岩土工程。E-mali：
zcwang1810@163.com
通信作者：李栋伟，博士，教授。研究方向为寒区岩土工程。E-mali：
dwli2005@163.com
引文格式：王泽成，李栋伟，秦子鹏，等.季节冻土区纤维改良路基土冻胀融沉特性研究[J].森林工程， 2023，39（4）：145-154.
WANG Z C， LI D W， QIN Z P， et al. Study on frost heaving and thawing settlement characteristics of fiber-improved subgrade soil in seasonal frozen soil region[J]. Forest Engineering， 2023， 39（4）：145-154.
0 引言
高速铁路的迅速发展，引起了人们对季节性冻土区的关注。但由于季节性冻土区昼夜温差大、气温正负交替、水文地质和工程地质等复杂因素，导致路基极易发生冻胀，对高速铁路的建设和运行造成很大的影响[1-4]。我国是冻土资源最丰富的国家之一，仅次于俄罗斯和加拿大，在全球范围内位列第三。而季节性冻土是我国最主要的冻土类型之一，在我国的东北、西北和华北等高纬度地区均有季节性冻土，占全国总面积的53.5%，其中冻土深度在1.5 m以上在季节性冻土中占有37%[5-6]。
目前，国内外科研工作者针对季节性冻土区高速铁路路基的冻胀融沉问题已进行了大量研究工作。通常采用现场监测[7-8]、数值模拟[9-10]以及室内冻融试验[11-12]等研究方法。其中沈宇鹏等[13]以含砂粉土为研究对象，对含砂粉土在多因素作用下的冻胀率及融沉系数的变化特征展开研究。王通[14]以张家口季节性冻土地区公路路基为研究对象，研究了冻胀融沉的发展规律、影响因素及内在机理，并在缩尺寸试验的基础上完整地模拟了冻融全过程。吴礼舟等[15]通过冻胀融沉试验，分析非饱和黏土的冻胀融沉变化特征以及冻胀过程中冻结锋面的移动规律。Tanaka等[16]通过室内大比例模型试验，研究了土体的融沉特性。
闫子麟[17]取用河北省张家口季冻区某路基土进行模型试验，完整地模拟了冻融全过程，研究了冻胀融沉的发展规律、影响因素及机理。Ma等[18]以吉林省敦化地区草炭土为研究对象，对原状土样进行冻胀和融沉调查，分析了土体含水率、干密度等因素对冻胀率和融沉系数的影响，并建立了草炭土冻融特性的层次评价模型。张晋勋等[19]以北京典型饱和砂卵石地层为研究对象，研究了不同细粒土含量、荷载条件下饱和砂卵石的冻胀融沉特性。田亚护等[20]结合动静荷载，在开放条件下进行了室内冻胀试验，分析了土体的水分迁移、冻胀变形以及含水率变化等情况。魏厚振等[21]以温度与高度作为变量进行室内冻胀试验，研究水分与冻胀的发展变化规律，并总结出试样高度与冻胀率之间的关系。
17世纪后期人们就注意到冻胀现象，起初认为这只是因为水冰相变而造成的体积变化现象，直到20世纪，才意识到冻结过程中不只是因为水冰相变而造成的体积变化，还有土体的原位冻胀以及水分迁移作用引起的分凝冻胀，这才是导致土体冻胀的主要根源[22-23]。即冻土是由土颗粒、空气、水和冰4种物质组成的，由于孔隙中的水结成冰后也成为一种固体，可认为与土壤颗粒具有同样的功能[24]。冷端的水分在冻结过程中体积不断增大，承受土压力也不断增大[25-26]，当大于某一值时，会使得孔隙冰周边土体拉伸断裂形成新孔隙并产生负压，由于冷端被冰封，从而造成暖端水分被抽取，从而形成水分迁移以及冻胀融沉现象[27-29]。
大量的现场监测资料表明，冻胀和融沉是冻土地区路基破坏的主要原因[30-31]，以青藏公路为例，85%的填土路基病害是由于冻土的融沉造成的，其他15%的为冻胀和翻浆所致。因此，研究土体在反复冻结、融化过程中物理力学性质的变化尤为重要，其中结冰温度、冻胀率和融沉系数等在不同影响因素下的变化规律对冻土区路基防护具有重要的工程指导意义。
1 土的基本物理性质
1.1 试验材料
本研究室内试验所用土样取自我国西部某季节冻土区铁路路基，深度为10～15 m，将取回的土进行前期处理，对土样进行烘干并碾碎，进行颗粒分析，以及比重、液塑限、最优含水率及最大干密度试验，试验结果如图1和表1所示，改良土所需纤维为聚丙烯纤维。
1.2 试样制备
本研究室内试验纤维改良粉砂土的制备方法如下：1）预估每个试样所需要的土量，2）将已烘干粉碎的备用土样取500 g放入盆中；
3）按照设计纤维掺入量（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）向盆中加入纤维，为防止纤维与土搅拌不均匀，先用小型搅拌机对干土和纤维进行搅拌均匀；
4）按照设定初始含水率加入纯水并继续搅拌均匀，搅拌均勻后土样如图2所示；
5）将搅拌好的土放在室内进行标准养护放置12 h，再进行制样。为了尽量减小因纤维搅拌均匀度不同而导致的试验误差，制作试样时首先将干土与纤维搅拌均匀后再加水搅拌。纤维掺入量（αw）计算公式如式（1）所示，为纤维质量（mc）与干土质量（ms）的比值。
aw=mcms 。（1）
2 冻胀融沉试验内容与试验方法
2.1 冻胀融沉试验设计
参考《中华人民共和国煤炭行业土工试验标准》（MT/T 593.2—2011）中的《人工冻土物理力学性能试验》进行试验，主要研究不同含水率及不同纤维掺入量对于土体的冻胀率、融沉系数、水分迁移以及土体内部各点温度变化的影响，为路基工程中联合加固技术的应用提供数据参考。
试样制作方法选定为击样法，首先将烘干打碎的土样根据设定的含水率（8%、10%、12%、14%、16%）及纤维掺量（0%、0.1%、0.3%、0.5%）进行制样，试样直径为100 mm，高度为120 mm，分5层填土，每次锤击次数为30次。试样制作完成后装入预制模具（外径99 mm，内径80 mm，高度160 mm）中。试验方法为封闭系统下的单向冻胀融沉试验，为浙江托莫斯科技有限公司提供的冻融试验系统，产品型号为TMS9018-250，温度范围为-40～60 ℃，主要部件包括TMS9018型恒温箱、CR3000型数据采集仪、DA-15型高精度位移传感器、冻融装置桶、TMS8037型冷浴以及计算机。首先将试样连同模具以及透水石放入冻融装置中，插入5根温度传感探头（分别在土样的20、40、60、80、100 mm处）以及3根水分传感探头（分别在土样的20、60、100 mm处），将上部盖板盖上，固定铁架并在冷端板上安装位移传感探头。将冻融设备整体放入恒温箱中，将环境箱与水浴暖板均设置为1 ℃并恒温大于6 h，水浴冷端设置为-10 ℃对试样进行单向冻结大于12 h，此后将环境箱调至20 ℃对试样进行自然融化，当直至读数不变后1 h为止时，停止试验并保存数据。试验设备如图3和图4所示，试验方案见表2。
2.2 冻胀融沉试验数据处理方法
冻胀率计算公式为
εfh=Δhh0×100 。（2）
式中：εfh為t时刻试样的冻胀率，%；
Δh为0～t时间内试样的轴向变形，mm；
h0为试样初始高度，mm。
融沉系数计算公式
α0=Δh0h0×100。（3）
式中：α0为融沉系数，%；
Δh0为冻土融化下沉量，mm；
h0为试样初始高度，mm。
根据所得数据，参照上述计算方法得出不同含水率以及不同纤维掺入量条件下的纤维加筋土的冻胀率与融沉系数。
3 结果与分析
3.1 不同影响因素下水分迁移变化规律
冻胀主要是由土体内部的水分相变成冰引起的，本试验就是研究不同影响因素下的水分迁移情况，以冷端为起始点，并在20、60、100 mm处选定3个测量点测定其含水率变化，了解试样内水力分布变化，图5为纤维改良粉砂土不同含水率的空间变化。
试验中不同含水率的情况下水分变化规律基本相似，这里以16%含水率条件下土体各高度水分变化情况为例。由图5可以看出，开始时各高度含水率已经不再一致，这是因为制样击实过程中，已经使土样的水分重新分布，因为水的重力和击实的振动导致水分下移。随着时间的增加，6 h之内各高度的含水率都逐渐减小，距离冷端越近水冻结速度越快，靠近冷端位置最终含水量几乎为0，随着深度的增加水相变程度越来越小，最低端只有一小部分的水分发生相变。融化过程中含水率变化速率较冻结过程更快，且最终各位置含水率不一致，这是因为冻融循环使土样中的水分重新分布，向下迁移。
由图6可以看出，不同初始含水率下的土样经历冻融循环后其水分重分布比较明显，这是因为，本实验用土为粉砂土，孔隙较大，所以较黏土等，其水分迁移比较明显。不同初始含水率的土样水分分布规律基本相似，冻融循环后上部水分向下迁移，含水率越大，其迁移越明显，随着含水率增加，其中部位置水分重分布较为明显。
图7为不同纤维条件下水分迁移情况，其含水率为固定值10%。
由图7可以看出，不同纤维掺量的土样水分分布规律基本相似，冻融循环后上部水分向下迁移，但是随着纤维掺量的增加，其水分迁移程度减小，因为纤维对水和土有粘连作用，阻碍水的运动。
3.2 不同影响因素下冻胀融沉变形特征
由图8和图9可得，不同含水率和纤维掺量条件下冻胀融沉过程曲线规律基本相似，基本都在6 h后完成冻结，12～16 h完成融化，且融化速度大于冻结速度。这是因为水和冰在导热系数与热扩散系数上都有着较大的差异，冰的导热系数在0 ℃时近似为同温度下水的导热系数的4倍，热扩散系数约为水的9倍，说明冰对热的传导要比生物材料中不能流动的水的导热能力大得多。在一定的环境中，冰将以比水快得多的速度，改变自身的温度。所以就导致了在相同温度差下，解冻的速度要比冻结的速度快得多。在8%～16%含水率范围内，其冻结竖向位移最大达到1.19 mm，其融化竖向位移最大达到2.56 mm，达到12%含水率时其冻胀率和融沉系数基本趋于稳定。在0%～0.5%纤维掺量范围内，其冻结竖向位移最大达到1.10 mm，其融化竖向位移最大达到2.85 mm。
由图10和图11可得，相同条件下的冻胀率融沉系数规律基本相似。随着含水率的增加，纤维改良粉砂土的冻胀率和融沉系数都增加，且在含水率超过12%时趋于稳定，说明含水量越大，路基越容易冻胀，这也是为什么路基要进行排水的缘故。随着纤维掺量的增加，纤维改良粉砂土的冻胀率和融沉系数都减小，说明纤维对于路基的冻胀具有很好的抑制效果。在8%～16%含水率范围内，其冻胀率范围为0.55%～1.16%，其融沉系数范围为1.5%～2.13%。在0%～0.5%纤维掺量范围内，其冻胀率范围为0.23%～0.91%，其融沉系数范围为1.29%～2.3%。
3.3 不同影响因素下土体冻融全过程温度变化
作出不同含水率条件下试样不同高度温度变化曲线如图12—图16所示，由图12—图16可以看出，不同含水率其试样温度变化规律一样，都会出现水化热现象，随着含水率升高水化热现象越明显。随着含水率升高试样各高度的稳定性也在逐渐降低，其结冰温度也在逐渐降低。由图可以明显看出，冻结过程中温度下降较慢，融化过程中温度上升较快。
作出不同纤维掺量条件下试样不同高度温度变化曲线如图17—图20所示，由图17—图20可以看出，不同纤维掺量其试样温度变化规律一样，都会出现水化热现象。随着纤维掺量的升高，试样各高度的稳定性在逐渐上升，其达到结冰时间也在逐渐增长。由图可以明显看出，冻结过程中温度下降较慢，融化过程中温度上升较快。
3.4 不同纤维掺量下土体结冰温度
其中对不同纤维掺量条件下的加筋土进行结冰温度测量试验，控制4个试样的含水率一致，掺入不同含量纤维（0%、0.1%、0.3%、0.5%），把土样放入铝盒中，轻轻压实，用保鲜膜把铝盒覆盖，插入传感器，试验现场如图21所示。让其在3 ℃条件下保存6 h，再对其进行-10 ℃降温，根据时间和温度作出温度全过程曲线如图22所示。
由图22可以看出，随着时间的增加，不同土体的温度快速降低，纤维掺量为0%、0.1%、0.3%、0.5%时分别在第12.5、13.8、14.1、12 min时出现拐点，温度略有上升。这是由于水的相变潜热产生，水相变成冰，放出热量导致温度略有上升。纤维掺量为0%时温度下降到-1.13 ℃并上升0.47 ℃，纤维掺量为0.1%时温度下降到-1.53 ℃并上升0.65 ℃，纤维掺量为0.3%时温度下降到-2.59 ℃并上升0.70 ℃，纤维掺量为0.5%时温度下降到-2.57 ℃并上升0.81 ℃。此后，温度曲线平行于x轴，温度保持十多秒的稳定，此时的温度就是结冰温度，因为冰是晶体，水在结冰过程中，不断向外释放能量，分子平均动能不变，分子间的距离变大，分子势能减小，水的内能减小，所以水在结冰的过程中温度保持不变。从图22中可以看出纤维掺量为0时其结冰温度为-0.66 ℃，纤维掺量为0.1%时其结冰温度为-0.88 ℃，纤维掺量为0.3%時其结冰温度为-1.95 ℃，纤维掺量为0.5%时其结冰温度为-1.79 ℃。
4 结论
通过对纤维路基改良粉砂土进行不同初始含水率和纤维掺量条件下冻胀融沉试验，研究其水分变化、冻胀率、融沉系数以及温度变化等规律。得出以下结论。
1）试样单向冻融过程中，6 h之内各高度的含水率都逐渐减小，且距离冷端越近结冰速度越快，靠近冷端位置最终含水量几乎为0，随着深度的增加水相变程度越来越小，最低端只有一小部分的水分发生相变。融化过程中含水率变化速率较冻结过程更快，且最终各位置含水率不一致。不同初始含水率下的土样经历冻融循环后其水分重分布比较明显，不同纤维掺量的土样经历冻融循环后其水分分布基本相似。冻融循环后水分由上向下迁移，但是随着纤维掺量的增加，其水分迁移程度减小。
2）不同含水率和纤维掺量条件下冻胀融沉全过程曲线规律基本相似，基本都在6 h后完成冻结，12～16 h完成融化，且融化速度大于冻结速度。8%～16%含水率范围内，其冻结竖向位移最大达到1.19 mm，其融化竖向位移最大达到2.56 mm，达到12%含水率时其冻胀率和融沉系数基本趋于稳定。在0%～0.5%纤维掺量范围内，其冻结竖向位移最大达到1.10 mm，其融化竖向位移最大达到2.85 mm。
3）不同含水率其试样温度变化规律一样，都会出现相变潜热现象，随着含水率升高相变潜热现象越明显。随着含水率升高试样各高度的稳定也在逐渐降低，其结冰温度也在逐渐降低。冻结过程中温度下降较慢，融化过程中温度上升较快。随着纤维掺量的升高，试样各高度的稳定在逐渐上升，其达到结冰时间也在逐渐增长。
4）随着纤维掺量的增加其相变潜热越明显，土体结冰温度先降低后上升，在纤维掺量为0.3%时其结冰温度最低为-1.95 ℃，且达到结冰温度时间最长为14.1 min，所以纤维掺量为0.3%时，对改良路基而言效果最好。
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