1）基本参数试验

针对新建共和—玉树公路沿线路基填料的特点，分别选取典型的两种填料（砂砾土、石渣土）进行室内试验研究，取样点分别位于公路K332＋980、K355＋500、K550＋000、K576＋600附近，且路基下伏多年冻土均属于高含冰量冻土，路基设计形式为片块石通风路基。各断面填料情况如图3—7～图3—10所示。

图3—7　K332＋980（砂砾料）

图3—8　K550＋000（砂砾料）

图3—9　K355＋500（石渣料）

图3—10　K576＋600（石渣料）

（1）颗粒分析试验

按照试验规程，分别对K332＋980、K355＋500、K550＋000、K576＋600四个试样进行了试验，综合筛分试验的全部结果，颗粒粒径成分占比见表3—4。除提供某试样的全部粒组含量外，还算出小于某粒径土的累积含量以及占总土量的百分数。将结果绘制成土的粒径级配累积曲线，如图3—11～图3—14所示。

表3—4　试样颗粒粒径成分占比　（%）

图3—11　K332＋980土的颗粒级配累积曲线

图3—12　K355＋500土的颗粒级配累积曲线

图3—13　K550＋000土的颗粒级配累积曲线

图3—14　K576＋600土的颗粒级配累积曲线

根据试验结果，计算试样的不均匀系数Cu和曲率系数Cc，不均匀系数越大，表明土越不均匀，即粗颗粒和细颗粒的大小相差越悬殊，Cu越大，则曲线越平缓，表示土中含有许多粗细不同的粒组，也就是粒组的变化范围宽。Cu＞5 的土为不均匀土，不均匀土在经过压实后，细颗粒填充于粗颗粒所形成的空隙中，容易得出较高的密度和较好的力学特性。土的粒径级配的斜率是否连续可用曲率系数Cc来表示。从工程观点上来看，土的不均匀（Cc≥5），且级配曲线连续（Cc＝1～3）的土，为级配良好的土，由此来判定以上土样是否级配良好。经过计算，土样的不均匀系数和曲率系数见表3—5。

表3—5　土样的不均匀系数Cu和曲率系数Cc

筛分试验结果表明：K332＋980、K355＋500、K550＋000、K576＋600四个试样级配良好，小于0.075 mm含量均小于5%，4.75 mm以上粗颗粒含量均大于60%，符合多年冻土区路基填料要求。

（2）易溶盐试验研究

土的矿物成分是影响冻、融土的工程地质性质的重要因素，研究土的化学成分有助于鉴别土的矿物成分。严格按照规范进行操作，对K332＋980、K355＋500、K555＋000、K576＋600四个试样的化学成分进行测定，得到K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、离子的摩尔浓度，见表3—6。

表3—6　易溶盐试验结果

土中的水开始冻结的温度为土的起始冻结温度。不同溶液的浓度有不同的起始冻结温度，而起始冻结温度又随溶液浓度的增大而降低，同时也与盐的类型有关。土中水的溶液浓度是影响土冻结深度的主要因素之一。

依据《公路土工试验规程》，从四个试样的试验结果来看，易溶盐含量相对较低，最大0.080%，最小0.057%，对地基土的结构和冻胀影响很小。

（3）毛细管水上升高度试验研究

毛细管水上升高度是水在土空隙中因毛细管作用而上升的最大高度。目的是测定土的毛细管水上升高度和速度，用于估计地下水位升高时路基被浸湿的可能性和浸湿的程度。关于毛细管水上升高度，只能用直接观测法测量，而对路基产生危害作用的是强烈毛细管水上升高度，该数值是通过土的塑限值从上升高度与含水率的关系曲线上查出来的。

针对K332＋980、K355＋500、K550＋000、K576＋600四个试样按照规范要求进行了毛细管水上升高度试验，如图3—15～图3—18所示。

根据观测结果，以毛细管水上升高度h为纵坐标，以时间t为横坐标，绘制毛细管水上升高度h与时间t的关系曲线，如图3—19所示。从图中可以看出，四个试样大致在20 h后，毛细水上升高度变化很小。

综合分析毛细管水上升高度试验，得到四个试样的毛细管水上升高度，通过绘制毛细管水上升高度h与含水率ω的关系曲线，计算得出强烈毛细管水上升高度，见表3—7。

图3—15　K332＋980试样毛细管水上升高度试验

图3—16　K355＋500试样毛细管水上升高度试验

图3—17　K550＋000试样毛细管水上升高度试验

图3—18　K576＋600试样毛细管水上升高度试验

图3—19　毛细管水上升高度h与时间t的关系曲线

表3—7　毛细管水上升高度试验结果统计表

（续表）

（4）渗透特性研究

由于土体颗粒之间存在孔隙，水在重力作用下由高处向低处透过土体的孔隙流动，土体可被水透过的性质称为土的渗透性。衡量土体渗透性能的指标称为渗透系数，其物理意义为单位水力坡降时的渗流速度，渗透系数的大小与土的组成、粒径级配、孔隙比以及水的温度等因素有关。渗透系数是综合反映土体渗透性能的指标，可由现场试验、室内试验和经验值确定。

渗透试验根据不同的土类，分为常水头法和变水头法。常水头发适用于砂土及含少量砾石的无黏聚性土，变水头法适用于粉土和黏性土。本次填料试样为粗颗粒土，需要采用常水头方法测试。

严格按照试验步骤计算出各试样在一定密度下的渗透系数，见表3—8。从试验结果可以看出，四个试样的渗透系数都能满足砂砾和石渣垫层的要求，石渣料渗透系数稍大于砂砾料。

表3—8　渗透系数试验结果统计表

2）工程特性试验

（1）击实试验研究

研究细粒土的压实性可以在实验室进行，将某一土样分成6～7份，每份和以不同的水量，得到各种不同含水量的土样。将每份土样装入击实仪内，用完全同样的方法加以击实。击实后测出压实土的含水量和干密度。以含水量为横坐标，干密度为纵坐标，绘制含水量—干密度曲线。

图3—20　击实仪

1—击实筒；2—护筒；3—导筒；4—击锤；5—底板(www.daowen.com)

同一种土，干密度越大，孔隙比越小，所以最大干密度相应于试验所达到的最小孔隙比。在某一含水量下将土压到最密，理论上就是将土中所有的气体都从空隙中赶走，使土达到饱和。将不同含水量所对应的土体达到饱和状态时的干密度也绘于此图中，得到理论上所能达到的最大压实曲线。

由于黏性填土存在着最优含水量，因此在填土施工时应将土料的含水量控制在最优含水量左右，以期用较小的能量获得最好的密度。当含水量控制在最优含水量的干侧时（即小于最优含水量），击实土的结构常具有凝聚结构的特征。这种土比较均匀，强度较高，较脆硬，不易压密，但浸水时容易产生附加沉降。当含水量控制在最优含水量的湿侧时（即大于最优含水量），土具有分散结构的特征。这种土的可塑性大，适应变形的能力强，但强度较低，且具有不等向性。所以，含水量比最优含水量偏高或偏低，填土的性质各有优缺点，在设计土料时要根据对填土提出的要求和当地土料的天然含水量选定合适的含水量。

击实仪（图3—20）法是用锤击使土密度增大，目的是在室内利用击实仪测定土样在一定击实功能作用下达到最大密度时的含水率（最优含水率）和此时的干密度（最大干密度），借以了解土的压实特性。

目前，国内常用的击实方法有两种：

①轻型击实：适用于粒径小于5 mm的细粒土。锤底直径为51 mm，击锤质量为2.5 kg，落距为305 mm，单位体积击实功为591.6 kJ/m3；分3层夯实，每层25击。

②重型击实：适用于粒径不大于40 mm的土。击实筒内径为152 mm，筒高116 mm，击锤质量为4.5 kg，落距为457 mm，单位体积击实功为kJ/m3（其他与轻型击实相同）；分5层击实，每层56击。

针对K332＋980、K355＋550、K550＋000和K576＋000共四处的试样，本次采用重型击实试验方法，击实后测出压实土的含水率和干密度。以含水量为横坐标，干密度为纵坐标，绘制含水率—干密度曲线，如图3—21～图3—24所示。

图3—21　K332＋980试样含水率与干密度关系曲线

图3—22　K355＋500试样含水率与干密度关系曲线

图3—23　K550＋000试样含水率与干密度关系曲线

图3—24　K576＋600试样含水率与干密度关系曲线

根据绘制的含水率与干密度关系曲线，得出四个试样的最大干密度和最优含水率，见表3—9。

表3—9　击实试验结果统计

（续表）

从表3—9可以看出，两个砂砾样（K332＋980、K550＋000）最大干密度比两个石渣样（K355＋500、K576＋600）稍小，四个试样0.075 mm含量都在5%以下，因此最优含水率都比较小。

（2）冻胀特性研究

土体不均匀冻胀变形是寒区工程大量破坏的重要因素之一。因此，各项工程开展之前，必须对工程所在地区的土体做出冻胀性评价，以便采取相应措施，确保工程构筑物的安全可靠。土体冻胀变形的基本特征值就是冻胀率。但由于各地冻结深度等条件不同，其冻胀率值相差很大。为了便于比较冻胀变形的强弱程度，采用冻胀率与该冻结土层厚度之比，即冻胀率（用百分数计）作为土体冻胀性的特征值。

《公路路基设计规范》（JTG D030—2004）规定多年冻土路基填料要充分考虑其冻胀敏感性，研究其冻胀特征，以保证路基强度，达到提高路面结构的稳定性和抗冻胀能力目的。“多年冻土区路基填料设计应充分考虑填料的冻胀特性，优先采用卵石土或碎石土作填料”，严禁使用细粒土（黏质土和砂质土）和富含腐殖质白土及冻土。填料的粒径是影响其冻胀特性的主要因素，因此多年冻土区路基需要采用较粗颗粒的填料。其次，规范对路基压实度还做了规定，在保证压实度的情况下，只有通过试验的方法，准确模拟路基填料的实际状况，取得路基填料的冻胀特性指示，才有可能有效抑制路基冻胀破坏的发生。在实际工程中一般是根据施工地取材料情况决定填料，从施工现场的情况来看，冻土区公路填料其实际的颗粒主要为4.75～19.0 mm，而且要控制0.075 mm颗径以下的含量。

《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）关于测试冻胀率的方法主要适用于原状的及扰动的黏质土（大于0.075 mm的质量少于或等于总质量25%）和砂质土（0.075～2.0 mm粒径的质量大于总质量的50%，且大于60 mm的质量小于或等于总质量的15%）。显然关于测试冻胀率方法的适用范围不适用于多年冻土路基填料的冻胀试验。

为了达到课题要求的试验目的，对冻胀特性试验方法进行了研究（图3—25、图3—26），在以前冻胀率试验的基础上增加了压实度指标，把原来的试样高度提高到了10 cm。

根据公路设计规范要求和共玉公路多年冻土区段设计文件，为达到试验目的，表面砂砾和石渣垫层压实度按93%考虑，按照试验规程，计算出试验质量，装入测试设备中，进行冻胀率试验。以0.2℃/h的速度下调温度，按照冻胀时间t和冻胀率ηf变化曲线，如图3—27（封闭环境）和图3—28（开放环境）所示。

图3—25　冻胀试验试样压制

图3—26　冻胀试验试样放置

图3—27　封闭系统下冻胀率与时间的关系曲线

图3—28　开放系统下冻胀率与时间的关系曲线

冻胀过程中水分迁移到一定位置上成冰是造成土体体积膨胀的主要原因。非饱和土孔隙中存在着毛细水和薄膜水，在水分受力平衡的状态下，它们并不运动，处于静止状态。当非饱和土冻结时，水分开始向冻结锋面运移，温度的变化引起水质点周围力的重新分布。冻胀试验完成后，还对试样进行了含水率测试，如图3—29所示。测试结果表明，封闭系统条件下，试样顶面（传冷的面）到底面的含水率是依次递减的规律，开放系统条下，K332＋980、K550＋000两个砂砾料最大含水率出现在4.0 cm处，K355＋500、K576＋600两个石渣料最大含水率出现在2.0 cm处。

图3—29　封闭系统下含水率与试样高度关系曲线

图3—30　开放系统下含水率与试样高度关系曲线

《冻土地区建筑地基基础设计规范》（JGJ 118—98）采用冻胀率来分极，分为不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀及特强冻胀五类，见表3—10。

表3—10　冻胀性分组表

通过整理冻胀试验资料（表3—11），依据表3—10对四个试样冻胀特性进行分类，可以看出在压实度93%的条件下，封闭系统下K332＋980和K576＋600为弱冻胀等级，其余两个试样为不冻胀，能满足冻土区路基填料要求；开放系统下，四个试样都为强冻胀等级，将会严重影响路基稳定性。

表3—11　冻胀率试验统计表

（续表）

（3）冻融特性研究

冻融作用是指随着冻土区温度周期性的发生正负变化，冻土层中的水分相应地出现相变与迁移，冻土层发生变形、产生冻胀、融陷和流变等一系列的复杂过程。冻融前后地基土的力学性质会发生变化的主要原因是改变了原有地基土的结构性，破坏了土颗粒之间的联结力，同时使土颗粒得到重新排列。地基土冻融后，孔隙特征会发生明显变化，而孔隙的变化必然要造成地基土结构性的变化。研究表明，冻融后地基土的黏聚力会降低，黏聚力主要来自自由分子力、土颗粒间的胶结力及结构颗粒间的咬合力的共同作用。冻融后对于密实土，水分的流失使孔隙比增大而减小了其密实度，地基土结构受到冻融破坏使得胶结力减小，因此地基土的强度在冻融后呈现下降趋势。

按照《无机结合料试验规程》（JTG E21—2009），采用静压法制作试件。针对K332＋980试样，最大干密度2.21 g/cm3，最优含水率7.9%，分别试制了压实度为93%、95%和97%的合格试样各四个，试验前后测得抗压强度见表3—12。

表3—12　K332＋980 各试件抗压强度统计表

（续表）

图3—31试验机上面的试样没有进行冻融试验，可以看出试样非常完整。冻融5次循环后，93%压实度的两个试件呈散状，丧失抗压强度；95%压实度7号试件强度损失了53.1%（图3—32），另一个试件呈散状；97%压实度11号试件强度损失了48.6%，另一个试件呈散状。

图3—31　没有进行冻融试验的压实度试件

图3—32　5次冻融后95%压实度试件

通过整理和分析试验数据可以看出，在相同的冻融循环次数下，压实度越大，地基土的无侧限抗压强度越大，强度损失越小。研究表明，地基土无侧限抗压强度值随冻融循环次数的增加而不断减小，第一次冻融循环强度衰减幅度最大，多次冻融循环之后，不同压实度地基土的无侧限抗压强度逐渐接近，压实度大的强度损失比压实度小的强度损失小。