郭潤麒 劉利驕 王淼 孫劍飛 柳艷杰

摘 要：大興安嶺林區(qū)公路沿線廣泛分布凍結(jié)粉質(zhì)黏土，全球氣候變暖導(dǎo)致凍結(jié)粉質(zhì)黏土發(fā)生融化沉降。為探究影響大興安嶺路基凍結(jié)粉質(zhì)黏土融化沉降的因素，分析含水率、干密度以及超塑含水率對(duì)路基凍結(jié)粉質(zhì)黏土融沉系數(shù)的影響，提出 “融沉敏感點(diǎn)”的概念，且得到在“融沉敏感點(diǎn)”前后含水率對(duì)融沉系數(shù)的影響并不相同；在研究干密度對(duì)融沉系數(shù)的影響中發(fā)現(xiàn)，隨著干密度越大其融沉系數(shù)以較大的斜率遞減；通過分析超塑含水率對(duì)融沉系數(shù)的影響發(fā)現(xiàn)，超塑含水率與融沉系數(shù)呈線性增長關(guān)系，并通過數(shù)據(jù)擬合分別給出融沉系數(shù)與含水率、干密度及超塑含水率之間的函數(shù)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：大興安嶺林區(qū)；路基；凍土；粉質(zhì)黏土；融沉；含水率

中圖分類號(hào)：S773.3；TB16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8023（2023）06-0172-05

Thawing and Settlement Characteristics of Frozen Silty Clay in the

Greater Khingan Mountains Forest Region Subgrade

GUO Runqi， LIU Lijiao， WANG Miao， SUN Jianfei， LIU Yanjie

（1.School of Civil Engineering， Heilongjiang University， Harbin 150080， China; 2. Heilongjiang Province Hydraulic Research Institute， Harbin 150080， China）

Abstract：Frozen silty clay is widely distributed along the roads in the Greater Khingan Mountains forest region， and global warming has led to melting and settlement of frozen silty clay. In order to explore the factors affecting the thawing-settlement of frozen silty clay in the Greater Khingan Mountains subgrade， the influence of water content， dry density and superplastic water content on the thawing-settlement coefficients of frozen silty clay in the subgrade was analyzed. The concept of ‘sensitivity limit of thawing-settlement’ was proposed， and it was found that the influence of water content on the thawing-settlement coefficient was different before and after the ‘sensitivity limit of thawing-settlement’. In the study of the effect of dry density on the thawing-settlement coefficient， it was found that the thawing-settlement coefficient decreased with a larger slope as the dry density increased; by analyzing the effect of superplastic water content on the thawing-settlement coefficient， it was found that the superplastic water content and the thawing-settlement coefficient had a linear growth relationship， and by fitting the data， the functional relationships between the thawing-settlement coefficient and the water content， dry density and superplastic water content were given separately.

Keywords：Greater Khingan Mountains forest region; subgrade; permafrost; silty clay; thawing-settlement; moisture content

收稿日期：2023-02-17

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)資金項(xiàng)目（41071049）；凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（SKLFSE201802; SKLFSE201919）。

第一作者簡(jiǎn)介：郭潤麒，碩士研究生。研究方向?yàn)閮鐾凉こ?。E-mail： 948005554@qq.com

*通信作者：孫劍飛，碩士，講師。研究方向?yàn)閮鐾凉こ膛c新材料。E-mail： 2007023@hlju.edu.cn

引文格式：郭潤麒，劉利驕，王淼，等. 大興安嶺路基凍結(jié)粉質(zhì)黏土融沉特性[J]. 森林工程， 2023，39（6）：172-176.

GUO R Q， LIU L J， WANG M， et al. Thawing and settlement characteristics of frozen silty clay in the Greater Khingan Mountains forest region subgrade[J]. Forest Engineering， 2023， 39（6）：172-176.

寒區(qū)交通事業(yè)快速發(fā)展，大興安嶺地區(qū)公路建設(shè)越來越多，由于人類工程活動(dòng)及全球變暖的原因，導(dǎo)致大、小興安嶺公路路基區(qū)凍土退化，在飽冰、富冰凍土區(qū)，凍土退化使得土體發(fā)生融沉破壞，從而導(dǎo)致公路以及建筑物的地基發(fā)生沉降，嚴(yán)重威脅了工程的安全。特別是在高溫富冰凍土區(qū)路基發(fā)生地面沉降尤為明顯，僅在2011—2017年，部分地區(qū)的高溫富冰凍土沉降速率就達(dá)到0.35 m/a左右。針對(duì)于凍土融沉方面，國內(nèi)外學(xué)者也做過大量的研究，何平等將凍土分為非飽和、飽和以及過飽和3種狀態(tài)，分別給出了融沉系數(shù)的計(jì)算方法，用以預(yù)測(cè)和評(píng)估無詳細(xì)地質(zhì)資料區(qū)域凍土的融沉性；Dashjamts等在研究中給出了蒙古哈特高（Khatgal）、烏蘭巴托（Ulaanbaatar）和納賴（Nalaikh）地區(qū)的粗粒黏性土和砂質(zhì)土的融沉變形量與黏土含量、施加初始?jí)毫图訜釓?qiáng)度的關(guān)系；Hazirbaba在凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)重塑土的沉降與循環(huán)加載過程中產(chǎn)生的超孔隙壓力之間存在著很強(qiáng)的正相關(guān)性；王效賓等采用BP（Back Propagation）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立人工凍土融沉系數(shù)的預(yù)測(cè)模型，并分析了由人工凍土融沉引起的地層位移，提出人工凍土解凍對(duì)地層位移場(chǎng)影響的變化規(guī)律；Wang等采用探地雷達(dá)（ground-penetrating radar，GPR）對(duì)多年凍土區(qū)管道地基土的凍融狀態(tài)進(jìn)行了檢測(cè)，分析并預(yù)測(cè)其融沉趨勢(shì); Zhang等在估算富冰多年凍土河岸的熱狀態(tài)演變和沉降時(shí)提出滲流也是影響融沉的一個(gè)因素?？蒲幸约肮こ倘藛T對(duì)凍土的融沉開展了大量研究，但是針對(duì)于特定區(qū)域的土體研究還需進(jìn)一步研究?；诖笈d安嶺地區(qū)路基廣布粉質(zhì)黏土這一特性，從含水率、干密度以及超塑含水率三因子分析三者與凍結(jié)粉質(zhì)黏土融沉系數(shù)之間的關(guān)系，并分析融沉系數(shù)與承受荷載對(duì)于該區(qū)域凍結(jié)粉質(zhì)黏土沉降量的影響。

1 工程概況

加格達(dá)奇—漠河公路（加漠公路），南起大興安嶺地區(qū)加格達(dá)奇，北至中國最北端的漠河市漠河鄉(xiāng)，全長574 km，是黑龍江省內(nèi)一次性建成的里程最長的公路，加漠公路是黑龍江省20條省道之一，也是貫穿大興安嶺地區(qū)南北的一條重要的干線公路。研究區(qū)位于大興安嶺地區(qū)，該地區(qū)于寒溫帶季風(fēng)性氣候，氣候較為濕潤，夏季炎熱潮濕且短暫，冬季寒冷漫長且降水量較少；年平均氣溫普遍低于0 ℃。研究區(qū)有大量的小型河流及沼澤地，其相互交錯(cuò)構(gòu)成了研究區(qū)復(fù)雜的地表水系統(tǒng)；凍土中凍結(jié)層上水、凍結(jié)層中水以及凍結(jié)層下水構(gòu)成了研究區(qū)內(nèi)豐富的地下水系統(tǒng)。研究區(qū)工程地質(zhì)背景復(fù)雜多變，第四紀(jì)沉積層較厚，淺層地表以黑色黏性土或粉質(zhì)黏土為主，部分區(qū)域地表以礫石、碎石等粗顆粒物組成，下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖坡殘積物，少數(shù)區(qū)域地以強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為主。研究區(qū)域風(fēng)粉質(zhì)黏土分布廣泛，成為科研工作者及工程人員研究的熱點(diǎn)話題。

2 試驗(yàn)材料及方案

2.1 試驗(yàn)材料

以大興安嶺林區(qū)的加格達(dá)奇—漠河公路沿線凍結(jié)粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象，根據(jù)《凍土工程地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB 50324—2014）的要求對(duì)松散地層和高含冰量土體分別采用低速干鉆和高速干鉆的方法獲取未經(jīng)擾動(dòng)的凍結(jié)粉質(zhì)黏土。通過前期地質(zhì)勘查與實(shí)地調(diào)研，研究區(qū)域內(nèi)凍結(jié)粉質(zhì)黏土的物理指標(biāo)見表1。

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019），在負(fù)溫環(huán)境下通過原狀凍土取樣器以及刮刀對(duì)野外獲取的凍結(jié)粉質(zhì)黏土進(jìn)行切樣，采用融化壓縮儀進(jìn)行融化壓縮試驗(yàn)，以獲得各組凍結(jié)土體的融沉系數(shù)；將鉆樣剩余的凍土通過烘干法和環(huán)刀法測(cè)定含水率和干密度；對(duì)試驗(yàn)后的土體進(jìn)行烘干后利用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀獲取土體的液塑限。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

融沉系數(shù)通過融化壓縮試驗(yàn)中獲得的凍結(jié)土體融化下沉量和試樣初始高度獲得。

式中：a為融沉系數(shù)，%；Δh為融化下沉量，mm；h為試樣初始高度，mm。

對(duì)于整體狀構(gòu)造的凍結(jié)土體，含水率按照公式（2）計(jì)算。

式中：ω為凍土含水率，%，；m為凍土試樣質(zhì)量，g；m為干土質(zhì)量，g。

對(duì)于層狀和網(wǎng)狀構(gòu)造的凍結(jié)土體，總含水率采用平均式樣法測(cè)定。

式中：mf1為調(diào)成糊狀土樣質(zhì)量，g；ω為平均試樣含水率，%。

凍土干密度表示如下。

式中：ρfd為凍土干密度，g/cm；ρf為凍土密度，g/cm；Vf為環(huán)刀體積，cm。

3 試驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 含水率對(duì)融沉系數(shù)的影響

選取加漠公路路基附近未擾動(dòng)的天然凍結(jié)粉質(zhì)黏土，測(cè)量其總含水率（ω）（包括冰與未凍水的含量）與其融沉系數(shù)（a），并得到兩者之間的關(guān)系，如圖1所示。以含水率為自變量研究?jī)鼋Y(jié)粉質(zhì)黏土的融沉系數(shù)時(shí)，存在一個(gè)突變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（定義這個(gè)點(diǎn)為“融沉敏感點(diǎn)”），在融沉敏感點(diǎn)以前，含水率對(duì)凍結(jié)粉質(zhì)黏土的融沉系數(shù)影響不顯著，此時(shí)隨著含水量的增加，凍結(jié)粉質(zhì)黏土融沉系數(shù)的增長幅度較?。划?dāng)含水率大于融沉敏感點(diǎn)時(shí)，凍結(jié)粉質(zhì)黏土的融沉系數(shù)受含水率的影響變得十分顯著，此時(shí)隨著含水量的增加，凍結(jié)粉質(zhì)黏土融沉系數(shù)也隨之增加。

在本次選取的路基凍結(jié)粉質(zhì)黏土試驗(yàn)中，含水率影響融沉系數(shù)的“融沉敏感點(diǎn)”，為ω=26.3%，即在本工程區(qū)，當(dāng)凍結(jié)粉質(zhì)黏土的含水率小于26.3%時(shí)，含水率對(duì)凍結(jié)粉質(zhì)黏土融沉系數(shù)的影響不顯著；但當(dāng)凍結(jié)粉質(zhì)黏土的含水率大于26.3%時(shí)，含水率對(duì)凍結(jié)粉質(zhì)黏土融沉系數(shù)的影響開始顯著，且含水率ω≥26.3%時(shí)，其含水率與其融沉系數(shù)呈對(duì)數(shù)正相關(guān)。

土體是一種由土骨架、氣體以及水等組成的三維實(shí)體，而凍土為四相體（包含冰相）。基于土體是一種多孔隙結(jié)構(gòu)，當(dāng)含水率低于“融沉敏感點(diǎn)”時(shí)，土骨架間的孔隙未被水以及冰大量填充，此時(shí)土骨架孔隙中的冰以及未凍水較少，且結(jié)合水所占比例較高，因此當(dāng)溫度升高，凍土中的冰融化，無論是自重荷載還是受到外界荷載作用，土體變形較小，產(chǎn)生的融沉也較小，試驗(yàn)所體現(xiàn)出來的融沉系數(shù)也較小。當(dāng)含水率高于“融沉敏感點(diǎn)”時(shí)，隨著粉質(zhì)黏土的含水率增加，土骨架之間的孔隙絕大部分被水或冰填充，土顆粒甚至呈現(xiàn)出高分散性，土體達(dá)到軟塑甚至是流塑狀態(tài)，此時(shí)土體中的結(jié)合水所占比例較小，凍土在溫度升高后，土體中的冰融化，由于土體自重荷載以及外部荷載作用，土骨架之間的冰融化變成液態(tài)水被排出，土體產(chǎn)生大量沉降變形，在這種情況下，該土體試驗(yàn)所得到的融沉系數(shù)也很大，并且融沉系數(shù)的大小受土體中總含水率的影響亦十分顯著。

3.2 干密度對(duì)融沉系數(shù)的影響

土體的干密度（ρ）與含水量呈負(fù)相關(guān)性，因此凍結(jié)粉質(zhì)黏土的干密度與其融沉系數(shù)之間的關(guān)系（圖2）也側(cè)面印證了含水率對(duì)于凍結(jié)粉質(zhì)黏土融沉系數(shù)的影響方式。隨著粉質(zhì)黏土干密度的增加，此時(shí)土體的含水率也隨之下降，凍結(jié)粉質(zhì)黏土的融沉系數(shù)也以較大的斜率遞減；當(dāng)凍結(jié)粉質(zhì)黏土的干密度持續(xù)增加時(shí)，其融沉系數(shù)受干密度的影響的顯著性也在降低，其融沉系數(shù)的遞減頻率也隨之下降。

根據(jù)擬合的結(jié)果可以得出，選取的部分凍結(jié)粉質(zhì)黏土中，融沉系數(shù)與干密度呈現(xiàn)出一種對(duì)數(shù)遞減的關(guān)系，伴隨著凍結(jié)粉質(zhì)黏土干密度的持續(xù)增加，干密度對(duì)于凍結(jié)粉質(zhì)黏土融沉系數(shù)的顯著性持續(xù)減弱。

3.3 超塑限含水率對(duì)融沉系數(shù)的影響

在研究?jī)鼋Y(jié)粉質(zhì)黏土融沉系數(shù)與含水率的基礎(chǔ)上，引入塑限含水率（ω）這一因素，含水率減去塑限含水率得到土體的超塑含水率（ω-ω），通過研究超塑含水率與凍結(jié)粉質(zhì)黏土之間的關(guān)系（圖3），更能體現(xiàn)出凍結(jié)粉質(zhì)黏土的融沉系數(shù)與土體中自由水之間的關(guān)系。

根據(jù)擬合凍結(jié)粉質(zhì)黏土的超塑含水率與融沉系數(shù)之間的關(guān)系可以得出，伴隨著凍結(jié)粉質(zhì)黏土的超塑含水率（土體中的自由水含量）的增加，其融沉系數(shù)隨之增加。在研究區(qū)內(nèi)所取凍結(jié)粉質(zhì)黏土土樣，融沉系數(shù)與超塑含水率呈線性增長關(guān)系。

4 結(jié)論

粉質(zhì)黏土在大興安嶺路基是一種常見的坡殘積土，本研究對(duì)路基凍結(jié)粉質(zhì)黏土總含水率、干密度以及超塑含水率與融沉系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行研究。得到結(jié)論如下。

1） 含水率對(duì)凍結(jié)粉質(zhì)黏土的影響存在一個(gè)融沉敏感點(diǎn)（本研究的ω26.3%），當(dāng)研究區(qū)內(nèi)凍結(jié)粉質(zhì)黏土含水率低于“融沉敏感點(diǎn)”含水率時(shí)，含水率對(duì)研究區(qū)內(nèi)凍結(jié)粉質(zhì)黏土融沉系數(shù)的影響并不顯著；當(dāng)含水率高于“融沉敏感點(diǎn)”時(shí)，凍結(jié)粉質(zhì)黏土的融沉系數(shù)隨著含水率的增加呈對(duì)數(shù)遞增趨勢(shì)。

2） 土體的干密度是影響粉質(zhì)黏土融沉系數(shù)的一個(gè)重要因素，在選取的研究范圍內(nèi)，隨著干密度的增加凍結(jié)粉質(zhì)黏土的融沉系數(shù)呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)遞減趨勢(shì)。且干密度影響土體融沉系數(shù)的顯著性持續(xù)減弱。

3）超塑含水率體現(xiàn)了土體含水率與塑限含水率之間的差值，能更好地反映土體中水分與融沉系數(shù)之間的關(guān)系；研究表明凍結(jié)粉質(zhì)黏土的融沉系數(shù)與超塑含水率體現(xiàn)出顯著的線性正相關(guān)。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]HUANG S， DING Q， CHEN K Z， et al. Changes in near-surface permafrost temperature and active layer thickness in Northeast China in 1961—2020 based on GIPL model[J]. Cold Regions Science and Technology， 2023， 206： 103709.

[2]ZHANG Z Q， HOU M T， WU Q B， et al. Historical changes in the depth of seasonal freezing of “Xing'anling-Baikal” permafrost in China[J]. Regional Environmental Change， 2019， 19（2）： 451-460.

[3]WANG T， ZHOU G Q， WANG J Z， et al. Statistical characteristics and probabilistic analysis of uncertain settlement of subgrade in permafrost regions[J]. Cold Regions Science and Technology， 2020， 175： 103079.

[4]石振武，王金茹，譚兆秋.基于TOPSIS的黑龍江省公路施工路域生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究[J].公路工程，2021，46（1）：239-247.

SHI Z W， WANG J R， TAN Z Q. Study on ecological environment impact assessment of highway construction roads in Heilongjiang Province based on TOPSIS[J]. Highway Engineering， 2021， 46（1）： 239-247.

[5]何平，程國棟，楊成松，等.凍土融沉系數(shù)的評(píng)價(jià)方法[J].冰川凍土，2003，25（6）：608-613.

HE P， CHENG G D， YANG C S， et al. The evaluation of thawing-settlement coefficient of frozen soils[J]. Journal of Glaciology and Geocryology， 2003， 25（6）： 608-613.

[6]DASHJAMTS D， ALTANTSETSEG J. Research on consolidation of frozen soils upon thawing[C].Proceedings of 2011 6th International Forum on Strategic Technology： 2011.1295- 1300.

[7]HAZIRBABA K. Effects of freeze-thaw on settlement of fine grained soil subjected to cyclic loading[J]. Cold Regions Science and Technology， 2019， 160： 222-229.

[8]王效賓，楊平.基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的凍土融沉系數(shù)預(yù)測(cè)方法研究[J].森林工程，2008，24（5）：18-21.

WANG X B， YANG P. Study on prediction method of the thaw settlement coefficient of freezing soil based on BP artificial neural network[J]. Forest Engineering， 2008， 24（5）： 18-21.

[9]王效賓，楊平，胡俊.人工凍土融沉對(duì)地層位移場(chǎng)影響的三維有限元分析[J].煤田地質(zhì)與勘探，2011，39（6）：54-57.

WANG X B， YANG P， HU J. A numerical simulation study on ground displacement field of thaw-settlement in artificial freezing soil[J]. Coal Geology & Exploration， 2011， 39（6）： 54-57.

[10]WANG Y P， JIN H J， LI G Y. Investigation of the freeze-thaw states of foundation soils in permafrost areas along the China-Russia Crude Oil Pipeline （CRCOP） route using ground-penetrating radar （GPR）[J]. Cold Regions Science and Technology， 2016， 126： 10-21.

[11]ZHANG H， ZHANG J M， WANG E L， et al. Thermal and settlement analyses under a riverbank over permafrost[J]. Computers and Geotechnics， 2017， 91： 48-57.

[12]蔡袁強(qiáng)，嚴(yán)舒豪，曹志剛，等.交通荷載下粉質(zhì)黏土路基翻漿冒泥機(jī)理試驗(yàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2021，51（5）：1742-1748.

CAI Y Q， YAN S H， CAO Z G， et al. Experiments to investigate mechanism of mud pumping of road base on silty clay soil under cyclic loading[J]. Journal of Jilin University （Engineering and Technology Edition）， 2021， 51（5）： 1742-1748.

[13]高凱，王紅梅，黃帥，等.中俄原油管線漠河—加格達(dá)奇段凍土環(huán)境特性[J].黑龍江大學(xué)工程學(xué)報(bào)，2019，10（2）：48-55.

GAO K， WANG H M， HUANG S， et al. Characteristics of frozen soil environment in Mohe-Jiagedaqi section of Sino-Russian crude oil pipeline[J]. Journal of Engineering of Heilongjiang University， 2019， 10（2）： 48-55.

[14]LI G Y， WANG F， MA W， et al. Field observations of cooling performance of thermosyphons on permafrost under the China-Russia Crude Oil Pipeline[J]. Applied Thermal Engineering， 2018， 141： 688-696.

[15]LI G Y， SHENG Y， JIN H J， et al. Forecasting the oil temperatures along the proposed China-Russia Crude Oil Pipeline using quasi 3-D transient heat conduction model[J]. Cold Regions Science and Technology， 2010， 64（3）： 235-242.

[16]LIU H P， DING L， YANG Y， et al. Evolution of the temperature field of the subgrade in the permafrost regions of the Great Khingan Mountains[J]. Journal of Testing and Evaluation， 2018， 46（6）： 20170085.

[17]何瑞霞，金會(huì)軍，常曉麗，等.東北北部多年凍土的退化現(xiàn)狀及原因分析[J].冰川凍土，2009，31（5）：829-834.

HE R X， JIN H J， CHANG X L， et al. Degradation of permafrost in the northern part of northeastern China： present state and causal analysis[J]. Journal of Glaciology and Geocryology， 2009， 31（5）： 829-834.

[18]鄭啟浦.大興安嶺多年凍土及嚴(yán)寒地區(qū)水文地質(zhì)特征[J].冰川凍土，1980，2（4）：44-51.

ZHENG Q P. Hydrogeological characteristics of permafrost and cold regions in Dahinganling[J]. Journal of Glaciology and Geocryology， 1980， 2（4）： 44-51.

[19]林鳳桐.大興安嶺連續(xù)多年凍土區(qū)基巖裂隙水特征及其資源評(píng)價(jià)方法[J].冰川凍土，1985，7（3）：221-225.

LIN F T. The feature and appraisal of the bedrock-crevice water in the permafrost region of the Great Xing'an Mountains[J]. Journal of Glaciology and Geocryology， 1985， 7（3）： 221-225.

[20] JIN H J， HAO J Q， CHANG X L， et al. Zonation and assessment of frozen-ground conditions for engineering geology along the China-Russia crude oil pipeline route from Mo'he to Daqing， Northeastern China[J]. Cold Regions Science and Technology， 2010， 64（3）： 213-225.