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路基和路面是道路的主要工程结构物,它们共同承担车辆荷载,直接影响道路的通行能力。路基的强度和稳定性是保证路面稳定的基本条件,而影响路基强度和稳定性的因素很多。对于季节性冻土区而言,季节性冰冻对路基的影响一直是困扰我国北方地区公路建设的一个重要问题。特别是随着高速公路建设越来越多和道路交通负荷增大,对行车安全和舒适性要求越来越高,冻害对工程寿命和维护费用的影响也越来越大。工程上迫切需要采取专门有效的设计施工措施,防治道路冻害。而季节性冻土区土中水分的迁移对路基冻害的产生有着实质性的影响。因此,对于高速公路路基土水分迁移的特征及影响因素的研究,是防止和整治路基冻害必不可少的环节之一。
本文通过对吉林多条高速公路路基冻害的综合性现场观测所得资料的基础上,对于季节冻土区高速公路路基土水分的迁移及影响因素和规律进行了研究。在此基础之上,我们在室内做了不同含水量、不同击实度、不同土质的水分迁移物理模拟实验,对于路基土水分的运移机制、影响因素作了详细的阐述,并对所得的实验数据进行了综合的整理分析,总结出一些毛细水运移规律。同时结合室内冻胀试验资料,计算出路基临界高度,并与规范进行比较分析。本论文共分五个部分。
第一部分介绍了路基土水分迁移研究的内容和意义以及在现场观测所得的资料,分析了路基水分迁移对路基冻害的影响,并且指出了地下水是路基冻害发生的一个重要而且是最活跃的因素。
第二部分竖管法测定毛细水上升高度试验研究。在此部分中首先对毛细水上升高度的上升机理和影响因素作了分析。然后通过不同土类、不同含水量(风干、最优)、不同密实度等因素的组合,得到毛细水上升速度和高度随时间变化的规律。
第三部分负水头法毛细水上升高度试验。主要是为了比较竖管法和负水头法的差异,根据资料分析总结两者之间的关系,指导工程实践。由试验发现负水头法测得的毛细上升高度比竖管法高,偏于保守。因此,在实际工程应用时要折减。同时在试验中我们也发现对于某些含水量较低、密实度不高的粘性土,不宜用负水头法。
第四部分水平土柱吸渗法测定土壤水的运行。由现场观测所得的资料发现水分的侧向迁移补给也是可能影响路基冻害的重要因素,故而对试验土料在不同击实度下,水分水平运移特点及含水量分布特征作了研究。并对此种土在高密实度下的扩散系数作了计算,并通过回归分析总结出扩散系数与体积含水率间的关系。
第五部分毛细水带内的冻害有效高度。根据竖管法试验,我们测得在毛细水上升稳定后,在毛细上升高度范围内含水量沿高度的分布。再结合室内的冻胀试验资料,通过计算确定路基的临界高度,并与规范比较,发现对于粘土据规范给的临界高度偏低,在重季节冻土区,偏于不安全,可能发生较重的路基冻害。