常明军 刘宇航 李东庆 明锋

海北藏族自治州交通运输综合服务中心 中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室 中国科学院大学

摘 要： 路基作为公路工程的基础结构，其填料质量很大程度上决定了公路工程的使用寿命。然而，季节冻土区的复杂环境将劣化该区域路基填料的性能。因此，选取适合当地环境的路基填料是增加路基使用年限、减少病害的重要前提。为了提高路基填料的适用性，需要针对不良路基填料进行改性，从而获得路用性能良好的路基填土。首先总结了季节冻土区公路的主要病害类型，分析了物理改良、化学改良、生物改良技术的适用范围和改良机理，探讨了采用不同特征参数(静力学特征、动力学特征以及抗冻融性能)作为评价指标的优缺点。然后，基于季节冻土区道路工程面临的路基病害问题，从施工方便、节约成本、保护环境等方面考虑，提出针对季冻区不良路基填土改良技术的研究建议，为今后的研究工作提供参考。

关键词： 岩土工程;季节冻土区;路基病害;改良措施;评价指标;

基金： 国家自然科学基金项目，项目编号41701060;中国科学院前沿科学重点研究项目，项目编号QYZDY-SSW-DQC015;

我国季节冻土区面积占全国面积的53.5%,主要分布于东北3省、内蒙古、甘肃、*疆新**等10余省或自治区[1]。随着“振兴东北工业基地”和“一带一路”倡议的实施，季节冻土区交通运输网密度日益增大。然而，在季节冻土区周期性气候的作用下，路基填料会经历冻融过程，导致填料物理力学性能下降，路基稳定性逐渐降低，道路病害严重。季节冻土区路基病害主要表现为[1,3]:因冻胀引起的横纵裂缝和变形，以及因翻浆引起的鼓包、沉陷、车辙等(表1)。大量资料表明，大部分病害路段即便在维护之后，仍会再次出现类似的路基病害。路基病害的反复出现，不仅降低了公路的路用性能，而且增加了养护维修费用，严重影响了公路工程的发展建设。

随着季节冻土区道路工程建设的增多，越来越多的工程需要修筑在特殊土地段。风积砂、膨胀土和盐渍土就是其中典型的不良地基土。在我国西北地区和东北地区，风积砂分布广泛，内蒙古、*藏西**等地也有分布。其主要具有黏聚力低，渗透性强，稳定性差，污染环境等特点。当遇到小面积风积砂地区时，可采取避让或处理的措施；当遇到大面积风积砂时，采取避让的方式会较大程度增加造价成本。当土体砂化严重且缺乏优质的地基材料时，常对风积砂进行改性处理后加以利用，以减少环境污染和运输成本[4]。膨胀土主要分布于山西、河南等地，具有胀缩性和裂隙性等特点[5];在天然环境下，强度较高，但易受环境湿度的影响；直接作为路基填料时，强度衰减较为明显，导致道路常出现开裂、隆起或沉降等病害；同时，这些病害还具有多发性、反复性、潜在性等特点。盐渍土在东北、西北和华北地区分布广泛，具有盐胀性、溶陷性、腐蚀性、吸湿性、表聚性等特点[6];当外界温度变化时，土体中的易溶盐溶解或结晶，土体中水分产生冻结或融化，导致土体的物理和化学性质发生变化；在冻融和干湿循环作用下，路基中的水盐发生冻胀-盐胀变形，加速路基病害的产生，破坏路基的整体稳定性；由于盐渍土的盐分种类多、差异大，导致对盐渍土的改良处理要比普通土质复杂很多。可以看出，季节冻土区的这些特殊土，除了具有冻土的性质外，还具备一些自身复杂的物理力学特征，从而加大了施工难度。因而，针对于特殊土的改良处理就显得尤为重要。

表1 季节冻土区部分公路的病害形式[1,3]1,3] 导出到EXCEL

随着我国交通运输工程的建设迅速扩展，季节冻土区道路交通量将持续增加，车辆荷载作用于道路也更为频繁，面对的工程问题也越来越多，为保证工程中路基的强度和整体稳定性，达到行车安全、占地面积少、造价低、环保等目的，常对路基填土进行改良处理，并通过多个物理力学参数对改良效果进行评价，进而对其适用性进行综合评估。

1 路基填料改性方法

针对不良路基填料进行改性，从而获得性能良好的路基填料是延长路基服役年限的有效措施[7]。目前，路基填料的加固改良主要是通过改变填料颗粒组成及微观形态、增加阳离子的交换能力、提高土体黏聚力和胶结能力等方式来实现。按照改良原理可将改良方法分为3类，即物理改良法、化学改良法、生物改良法[5]。

1.1物理改良

物理改良不改变地基土的矿物组成，也没有新的矿物生成，主要是通过掺入材料改变地基土的物理力学性质，常见的方法有置换法、垫层法、强夯法、砂砾类改良法及纤维改良法等。

1.1.1置换法、垫层法、强夯法

置换法是最直接改善路基土质的方法，从根本上回避了原状土的不良工程特性。这种方法的优点是施工简便，主要是将路基冻结深度范围内的冻胀敏感土部分或全部置换为弱冻胀或不冻胀土[1]。对于面积较小且薄的不良地基，换填能够彻底解决病害问题。但是对于面积较大的地区，需要在部分或全部冻结深度内进行置换，置换深度直接关系到防冻害的效果。垫层法与置换法的施工工程基本类似，常用于处理较薄的土层。对于较厚的土层，采用垫层法挖去部分冻胀敏感性土，然后铺设砂石或碎石等，以克服地基的胀缩性；同时，还可以减少沉降，避免建筑结构因不均匀沉降而产生的变形。强夯法是通过将夯锤提到一定高度后落下，利用产生的冲击功能和冲击波击实地基。强夯处理后的地基具有一定的水稳定性，不产生明显的胀缩性，提高了整体稳定性。

1.1.2砂砾类改良法

此类方法主要是将砂砾按照一定配比掺入原状土后搅拌均匀，通过改变原状土的颗粒成分、孔隙率、内摩擦角和含水率等参数，达到提高强度和稳定性的目的。杨俊等[8]利用天然砂砾改良红黏土，并得到在掺砂比为30%时，红黏土的抗压强度和抗剪强度最大。裴向军等[9]发现，当掺砂量为5%时，改良碎石土的抗剪强度最大。蒋久明[10]认为，砂砾和碎石能够提高高液限黏土的水稳定性和承载力，可将其作为公路的路基填筑用料。罗涛等[11]将冻土区路基填料中的传统碎石换成单一粒径的碎石，不仅提高了冻土区路基的力学稳定性，而且实现了最大限度的自然对流换热效应。黄勇杰[12]利用不同掺量的风化砂对膨胀土进行改良，研究发现，风化砂能降低膨胀土的亲水性，提高膨胀土的强度。李玉根等[13]以不同质量分数的风积砂代替河砂配置风积砂混凝土，通过试验得到，当掺砂量为20%时，混凝土力学性能最优。

1.1.3纤维材料类改良法

近几年，纤维材料作为地基土的改性材料，被广泛熟知。陈良等[14]认为聚丙烯纤维能够显著提高混凝土的抗拉强度、抗折强度、抗压性能、抗渗性能和抗冻性能等。Festugato[15]认为纤维水泥土的无限侧抗压强度随着纤维长度的增大而增大。朱定华等[16]发现聚苯乙烯轻质混合土可以应用于地基处理、减轻桥头跳车、减小差异沉降、管道填埋等方面。Fatahi等[17]研究了聚丙烯纤维、地毯纤维以及钢纤维对水泥土抗压强度和抗拉强度的影响。张鹏远等[18]通过在水泥土中掺入聚丙烯纤维和剑麻纤维发现，两种纤维均能大幅度提高水泥土的无侧限抗压强度，聚丙烯纤维在抗裂缝、拉应力、延性方面优于剑麻纤维，剑麻纤维在耐磨和抗压方面强于聚丙烯纤维。Yadav等[19]将椰子纤维、池灰和水泥加入黏土中，对其抗拉强度进行改良。高常辉等[20]研究了玄武岩纤维对掺砂水泥土强度的影响。阮波等[21]探究了玻璃纤维对不同土质无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度的影响。姜恒超等[22]通过试验表明，当玻璃纤维掺量为0.2%时，水泥改良土的劈裂抗拉强度达到最大值。闫景晨等[23]将玄武岩纤维和水泥掺入风积砂中进行试验发现，当纤维掺量为0.5%时，风积砂的抗压强度最大。

1.2化学改良

化学改良法主要是通过掺合料与土体本身发生化学反应，改变土体微观结构的同时产生更稳定的矿物，进而提高地基土的强度，减小不均匀沉降。按照改良机理[5,7],将其分为4大类，即无机化合物类、离子交换类、高分子乳液类以及生物酶类(表2)。

表2 化学改良法的分类 导出到EXCEL

1.2.1无机化合物类

(1)水泥和石灰。

由于水泥、石灰具有良好的水稳定性、力学性能及一定程度的抗冻融能力，因此被广泛应用到修建道路、机场等工程中。二者改良土体的机理基本类似，主要是通过结合土体中的水分形成胶凝成分，堵塞土体的毛细结构，达到增加其强度和稳定性的目的。将水泥掺入土体中，会发生水解和水化反应，并生成水泥水化物。部分水泥水化物逐渐硬化形成骨架，剩余水化物与土体中黏粒发生离子交换、团粒作用及硬凝作用；同时水泥水化物也会与二氧化碳反应[24]。张齐齐等[25]对水泥改良土的微观结构进行研究发现，将水泥掺入黄土中，改变了土体的结构类型，增大了黄土的黏聚力和内摩擦角，进而提高了强度。

将石灰、土和一定量的水混合搅拌后，石灰与土中的硅铝元素发生反应，产生胶结及絮凝作用；石灰中的钙、镁等离子与水发生水化反应，并生成氢氧化钙等结晶产物。同时，石灰本身还会与二氧化碳反应生成碳酸钙等物质。这些产物不断发生结晶反应，最终达到晶体状态，从而改变了土体的微观结构，提高土体的强度及稳定性[26]。曾军[27]通过石灰改良红黏土力学特性试验发现，石灰掺量为8%时，改良土的无侧限抗压强度最大。Zalihe等[28]利用石灰和粉煤灰改良含有石灰质的膨胀性黏土的力学特性。大量研究表明，在原状土掺入水泥石灰等改良后，其路用性能明显提高，主要表现在强度增大、承载力增加和稳定性增强等方面。

(2)工业废渣。

近年来，随着工业化进程的不断加快，工业废渣产生的污染也日渐显著。由于人们的绿色环保意识不断增强，对环境污染及土地浪费等问题的高度关注，使得大量学者展开了对工业废渣如何高效利用的研究工作，尝试用工业废渣作为特殊的路基填筑材料改良不良路基土，达到减少路基病害的目的。常见的有矿渣、粉煤灰、电石灰、磷渣、钢渣、橡胶颗粒(废旧橡胶轮胎)、煤矸石、铁尾矿砂、稻壳灰等废渣。倪小旭[29]选取电石灰和粉煤灰对盐渍土的路用性能进行改良。Karatai等[30]研究了稻壳灰和石灰改良膨胀黏土的效果，发现当稻壳灰掺量为20%和天然石灰掺量为2%时，改良土的承载比提高约80%,自由膨胀率降低约70%。Kua等[31]将碱性活化后的咖啡渣、粉煤灰和矿渣组成的混合料制成了一种绿色建筑材料，用于改良路基填土。张涛等[32]研究了不同掺量下木质素改良粉土的力学性能，试验发现，当掺量12%时，改良土的无侧限抗压强度最大。贺建清等[33]研究了循坏荷载作用下，煤矸石对黏土动力学特性的改良效果，结果表明，煤矸石掺量与干土质量比在3∶1～4∶1范围内时，其强度提高的程度最大。李长雨等[34]将废旧橡胶轮胎以橡胶颗粒的形式掺入粉煤灰土中，提高了改良土的动强度、黏聚力和内摩擦角，认为掺入橡胶颗粒的粉煤灰土可以作为路基的冷阻层材料。张仰鹏[7]对油页岩废渣、粉煤灰改良黏土的动力学特性进行了大量的研究。程卓等[35]研究了冻融循环对粉煤灰改良盐渍土抗剪特性的影响，结果表明，粉煤灰掺量为15%时，盐渍土的黏聚力和内摩擦角均达到最大值。

(3)无机固化剂。

AS(Aught-Set)型固化剂是一种以水泥为基础，由多种无机和有机材料复合而成的高性能水硬性胶凝材料。它含有6种主要成分(S、P1、P2、P3、T1、T2),主要具有以下特点：(1)S,胶结土颗粒，形成早期强度；(2)P1,增加表面活性和缓凝作用，促使离子交换，调整固化剂的凝结时间；(3)P2,与土颗粒矿物发生化学反应，提高土体的最终强度；(4)P3,与其他成分反应，填充土体内部孔隙，提高土体的抗渗、抗缩、抗冻融等性能；(5)T1,使得土体不泥化，增强水稳定性；(6)T2,激发早期强度的产生。樊恒辉等[36]认为AS固化剂适用于砾石、砂土、粉砂土、黏土等土质。王天亮等[37]研究了AS固化剂改良土的抗冻耐久性，分析了改良土的力学特征。

HEC(High strength & Water stability Earth Consolidator)型固化剂是一种以工业废渣为主要原料的高强高耐水粉末状的水硬性胶凝材料。将HEC固化剂与土体混合后，HEC内的成分以不同的形式渗入到土颗粒中，发生化学反应，形成水化氯酸盐、含水硅酸盐等物质，并在表面形成凝结硬壳，从而加快土颗粒凝聚。由于具有早期强度高、后期稳定性好、水稳定性好、耐久性好等特点，常用于改良风化砂、含泥石屑、黄土等[38]。王银涛等[39]通过试验发现，HEC固化剂除了能增大黄土的强度和持水性外， 还能改良土质的湿陷性等不良地质性质。

NCS(New Type of Composite Stabilizer for Cohesive Soil)是一种以水泥和石灰为基础，由SCA高性能无机吸水材料改性而成的复合固体材料。将NCS固化剂与土体混合后，其中的生石灰起到吸水和使黏土砂质化的作用；水泥起到增加土颗粒的黏聚力，提高强度的作用；SCA主要起到强烈吸水、促进土颗粒砂化并生成针状矿物等作用。同时，NCS固化剂中其他成分与土体进一步反应，生成新的水化硅酸钙和水化铝酸钙，增强土颗粒的密实度，从而增大土体的强度和稳定性。张晋龙[40]通过试验发现，NCS固化剂能够有效地控制黄土路基的沉降问题，显著提高了路基的强度和稳定性。李建宇等[41]在NCS固化剂中掺入消石灰后对膨胀土进行改良，消除了膨胀土的胀缩性，增强了力学性能。

HAS型固化剂是一种由武汉大学研制，以工业废渣(矿渣、磷渣、粉煤灰液态渣、沸腾炉渣等)为主要原料的灰渣胶凝材料。侯浩波等[42]对HAS固化剂的基本性能及在多种工程领域的应用进行了研究，通过室内试验发现，掺入HAS固化剂后，土体的强度和水稳定性有了显著的提高，防渗性也得到了改善，说明了此固化剂的适用性；同时，这种固化剂能够固化当地的各种不良地基土，如黏性土、淤泥土、灰渣土、砂性土等，在节约成本的同时减少了废弃土的产生。

1.2.2离子交换类

离子交换类固化剂的种类较多，如ISS型固化剂、EN-1型固化剂、CTMAB型固化剂、阳离子改性剂、CMA型固化剂等。下面只针对前两种固化剂进行详细描述。

(1)ISS电离子溶液类土壤固化剂。

ISS(Ionic Soil Stabilizer)是一种美国研制的由多种成分复合而成的离子交换类土壤固化剂。其常温下为黑褐色，略黏于水，易溶于水。此类固化剂具有较强的离子交换能力，当它与土体混合后，电离出的黏结力强且疏水性好的铝离子将与土颗粒表面的亲水性阳离子交换，破坏了土颗粒表面的双电层结构，减弱了土颗粒表面与水的化学作用力，永久性地将土颗粒由亲水性变为憎水性[36]。同时，ISS本身是一种催化剂，在压力的作用下，促进了土壤的强度、抗水能力以及稳定性的变化，随着时间的推移，强度不断增大，且反应前后的数量基本不变。王尚等[43]分析了ISS固化剂和石灰对试验段的改良效果及反应机理。游庆龙等[44]研究了ISS固化剂加固红黏土的强度特性，结果表明，改良后的红黏土塑性指数降低，劈裂强度和抗冻融能力增强。时红莲等[45]分析了不同初始含水率下，ISS固化剂改良膨胀土的效果，研究发现，在初始含水率为11%～13%范围时，改良土的膨胀性消除，抗剪强度提高。

(2)ROADBAND EN-1型土壤固化剂。

ROADBAND EN-1是一种美国研制的由多种无机和有机材料复合而成的固化剂。此类固化剂使得土壤由亲水性改为憎水性，同时改变了土壤的结构，破坏了毛细管道，增加了土体的密实度和强度，改善了原状土的耐久性。单志杰[46]认为EN-1固化剂可以提高黄土的水稳定性、渗透性、抗腐蚀性，改善土壤的整体稳定性。苏涛[47]采用EN-1固化剂加固砒砂岩地区边坡，以达到提高边坡冲刷稳定性的目的。张丽萍[48]研究了不同固化剂(EN-1、LUKANG、CONAID和SSA)对黄土的抗剪强度、抗渗性能以及抗冲刷性的影响，并得到边坡防护的最优配合比。

1.2.3高分子乳液类

(1)Base-Seal型固化剂。

Base-Seal型固化剂是一种美国生产的基于聚合物的白色液体，分子结构稳定，且常温下可以长期保存，具有无毒、无腐蚀、无刺激性气体、不易燃、无污染等特点。表3为Base-Seal型固化剂的主要产品。这种固化剂在不允许使用沥青路面的情况下，可以直接代替沥青用于道路罩面，在季冻区或高寒地区使用可以避免冻融引起的破坏。

表3 BS固化剂的主要产品及特点[49]49] 导出到EXCEL

李东[49]利用BS-100型固化剂及Aught-Set型固化剂对长春地区的表层土体进行改良，并确认了最佳配合比。戴文亭等[50]采用BS-100型固化剂对长春地区典型黏性土进行改良处理，试验发现，改良土的早期强度较低，后期强度迅速增长，回弹模量、抗弯拉性能、水稳定性能、抗渗透性以及抗冻能力等均有显著增加。

(2)AX型固化剂。

AX型固化剂是一种由有机单体(有机高分子材料)、交联剂、引发剂、促进剂和分散剂等按比例配制而成的高分子乳液，具有黏度低、渗透性高等特点。当该固化剂与水接触时，会迅速发生单体聚合反应，导致浆体黏度增大；随着有机单体掺量的不断增加，产生的线性高分子化合物增多，生成的高分子三维网状结构不断增大，从而包裹和联结土颗粒并填充孔隙。同时，可减少土体中的大量水分，有效提高土体强度。该固化剂常用于处理淤泥土。徐艳[51]认为AX型固化剂能够提高淤泥土的抗压强度和劈裂强度，降低土体的吸水性和渗透性。

1.2.4生物酶类固化剂

此类固化剂是通过有机质发酵而形成的蛋白质多酶基产品，多数为棕色浓缩液，无毒、无污染、不燃烧，具有轻微的发酵味。在土体中，通过生物酶的催化作用，促使土颗粒间的黏合性增强，并在外力挤压后密度增大，形成牢固的抗渗透性结构。“派酶大力浆”是一种由美国研制的棕色、无菌的液态复合生物酶浓浆，具有催化土壤的固结反应、增加土壤密度、降低膨胀系数、增强抗渗和抗冻性能等特点。张心平等[52]将派酶固化剂掺入不同土质(细砂土、粗砂土、砂壤土、面砂土、壤黏土)中进行无侧限抗压强度试验发现，派酶对含黏粒土多的土壤的固化效果较好。李国栋[53]将派酶固化剂掺入季冻区低液限的黏土中发现，派酶固化剂能提高土体的抗冻性和收缩性。Terrazyme(泰然酶)是一种由植物发酵而成的棕褐色复合生物酶浓浆，具有降低土壤渗透性、增加土壤密度等优点。Manu等[54]认为泰然酶可以降低黑棉土的液塑限，提高土体强度。Aye等[55]发现，泰然酶可以提高土体的无侧限抗压强度和承载比。Alkazyme是一种以稻壳和农业废弃物为原料，发酵而成的天然无毒的复合生物酶浓浆。Sodhi等[56]通过试验证明，Alkazyme可以提高土体的无侧限抗压强度和承载比。但是，由于此类固化剂具有生物降解的特点，因此将生物酶处理过的土体经水浸泡后，强度会降低，使用寿命较短[40]。

1.3生物改良

生物改良法主要包含两大类，即微生物改良和植物改良。

1.3.1微生物改良

近年来，运用微生物技术解决工程问题的研究得到了快速的发展。岩土工程中主要利用微生物矿化作用、微生物产气泡过程和微生物膜对土壤进行加固。细菌作为土壤中最常见的微生物，在微生物技术中应用较多。图1为微生物和土颗粒的尺寸对比图。从图1中可以看出，在黏土等细粒土中，微生物的活动受到孔隙大小的影响。当孔隙过小时，微生物无法通过孔隙，只能通过机械搅拌使微生物与土体混合。因此，微生物技术常应用于粉土、砂土等土质。

图1 微生物与土颗粒的尺寸对比[57]57] *载下**原图

(1)微生物矿化作用。

微生物与土颗粒混合后，在孔隙中不断地生长、运移和繁殖，生成一些结晶和非结晶的无机物(又称生物水泥)。这些无机物通常是不溶于水的沉淀物质，如碳酸钙、氢氧化铁等，主要起到填充和胶结的作用，可以通过多种微生物过程(尿素水解过程、反硝化过程、硫还原过程、铁还原过程等)获得。其中，以碳酸钙为产物的微生物过程，称为微生物诱导碳酸盐沉积(MICP)。它是将碳酸钙填充在孔隙中，改变了土体结构，减小了孔隙率，降低了渗透性，从而增强了土体强度。这是微生物改良岩土工程技术里应用最广泛的方法。高瑜等[58]利用MICP技术将松散砂粒改良成矿化材料，探讨了冻融条件下改良土的力学特征，为微生物技术在寒冷地区的应用提供了一定的参考。

(2)微生物产气泡过程。

通过将气体加入到液化土中降低饱和度，进而防治地基液化或者污染物迁移的方法，得到了一些学者的关注。微生物反应过程中，会产生一系列的气体，如O2、H2、N2、CO2等。其中，采用微生物反硝化法生成的N2,具有化学性质稳定和难溶于水的特点，被广泛用于降低土体饱和度[59]。

(3)微生物膜。

微生物反应过程中分泌出的胞外聚合物(EPS),常作为降低孔隙材料渗透性的重要技术手段。EPS是一种黏液状的亲水性聚合物，可以附着在孔隙的表面形成微生物膜，填充孔隙内部的同时提高孔隙水的黏度，从而降低材料的渗透性[59]。Thullner[60]通过试验发现，胞外聚合物可以使得孔隙材料的渗透性降低2～4个数量级。

1.3.2植物改良

植物改良是经济性较高且最为绿色环保的一种方法，主要是通过机械效应和水文效应实现。首先在改良土体上种植植被，利用植物生长的根茎涵养水分，调节了近地面气候和地表、地下水文条件，加固和稳定了土体，防止水分流失；同时，植物的根系在地表以下盘根错节，通过纵向和横向的生长改变土体的受力性能，起到了加筋加固的作用，从而影响整体稳定性[6]。此外，植物叶片能够截留降雨，减少雨水的侵蚀。根据当地不同的土质、水分和气候条件，植物可以选择根系发达的草类，也可以选择低矮的灌木类或蕨类，如刺槐、香根草、狼尾草、紫穗槐、金钱蒲等。植物改良主要分为两类：(1)单独利用植物对边坡进行防护；(2)利用植物与土工材料等配合对边坡进行防护[5]。

1.4多种改良技术的对比分析

为了更好地对比各改良技术之间的差异，表4给出了上述方法适用的土类、优点以及局限性。从表4中可以看出，物理改良方法主要是通过人工和机械施工的方式进行干预，通过添加材料改变原地基的颗粒级配或组成达到改良的目的。其中，置换法与垫层法大多应用于处理面积小且土层较薄的情况。同时，产生的大量废弃土既提高了工程造价，又破坏了环境。强夯法虽然可以保持地基土含水量的稳定，减少不均匀性，但当土体为膨胀土时，该方法只能将填土的压缩性降低，不能消除土体的胀缩性。此外，该方法也不适用于轻型建筑[6]。在物理改良方法中，砂砾类改良和纤维材料改良的应用范围较为广泛。

水泥石灰类材料能够从本质上改良地基土的不良特性，施工方便且成本较低，但水泥石灰类对于塑性指数较高的黏土、有机土以及盐渍土的改良效果较差，甚至有时达不到改良的效果。此外，石灰改良土在养护前期强度不高，整体性较差，改良后的地基土呈碱性，对生态环境有所破坏。水泥改良土较石灰改良土而言，前期强度、整体性等虽有所提高，但是同样易造成土壤板结、碱化等，导致生态环境不易恢复。从节约成本、绿色环保等角度出发，将工业废渣作为添加剂来改良不良地基土的研究越来越多。在使用工业废渣时，首先要分析研究区域原状土的颗粒成分、组成以及化学成分，同时需要考虑运输成本、生态环境等问题，最终选取合适的废渣材料。目前，关于化学固化剂的研究已经非常成熟，且适用于季冻区的固化剂种类也较多。虽然固化剂改良的见效速度快，但是对于长距离的道路工程进行修建或者维护时，既要考虑温度、含水量对试剂的影响，也要考虑试剂本身成本的预算。

表4 多种改良方法对比分析 导出到EXCEL

微生物改良主要是通过微生物的活动影响土壤的组成和性质，如微观结构、强度、渗透性等。虽然微生物反应过程和产物的多样性为其在岩土工程中的应用带来一定的优势，且积累了大量的试验成果，但是距离系统化的应用还有一段距离。微生物生长条件(营养、水、温度、酸碱度等)、反应过程的影响因素、副产物等都成为了应用中的制约条件。同时，针对于某些生物反应过程，不能直接采用活性微生物，而需要采用从细菌中提取的催化酶替代。因此，微生物技术还需要更多的现场试验验证其可行性。植物改良法较为环保，但是应用范围较小，考虑因素较多，并且在季节冻土区施工较为复杂，因此也较难广泛应用。综上所述，化学改良法的适用范围最广，其次是物理改良法，最后是生物改良法。

2 改良路基填土的性能评价

基于路基土加固技术获得的路基改良土，需要通过全面的、详细的测试，并对其常规物理参数进行试验，由此验证其改良效果，并评估其应用性和适用范围。针对季节冻土区，境内外学者一般从材料的静力学特征、动力学特征以及抗冻融性能等方面进行研究。

2.1静力学特征

关于路基填料的静力学特性，主要包括 CBR 承载比、无侧限抗压强度、抗拉强度、抗折强度和抗剪强度等。其中， CBR 承载比和无侧限抗压强度是最基本的、最广泛的评价改良土是否能作为路基填土的方法。一般来说，影响填料力学性能的主要因素为土质、掺料掺量、密度、含水率、养护龄期等。王勇等[61]研究了水泥和石灰改良滨海盐渍土的性能，采用无侧限抗压强度试验、 CBR 承载比试验、击实试验以及水稳定性试验对改良土进行了强度特性研究。Peadhan等[62]通过剪切试验、 CBR 试验和无侧限抗压强度试验，研究了聚丙烯纤维对土体强度的影响。傅乃强等[63]研究了碱激发粉煤灰和玄武岩纤维对膨胀土的改良效果，并通过无侧限抗压强度试验发现，二者均能提高膨胀土的强度，当二者混合使用时改良效果更好。铁澄宇[64]利用石灰加固大河铁路不良地基，并通过无侧限抗压强度和抗剪强度试验发现，在0～7 d养护龄期内，石灰掺量为8%时，改良土的力学强度最大。Thomas等[65]通过 CBR 试验判定石灰和稻壳灰对膨胀黏土的改良效果。姜恒超等[22]通过对玻璃纤维水泥改良土进行抗拉强度试验发现，抗拉强度随着掺量和养护龄期的增加而增大。

2.2动力学特征

实际的道路工程中，随时间变化的动荷载作用使得路基填土发生强度的衰减以及变形量的增大，从而造成严重的道路病害。对动荷载下的季冻区路基动力特性进行研究，获得更为丰富的研究成果及经验是十分必要的。因此，常将动力学特征作为评价改良土加固效果的主要指标。

杨广庆[66]将4%的水泥掺入粉质黏土中进行改良，通过动三轴试验研究了改良土在重复荷载作用下的力学特性。李长雨等[34]通过动三轴试验，分析了聚丙烯纤维改良粉煤灰土的力学特性，试验结果表明，在围压相同时，改良土的动强度大于粉煤灰土的动强度；在动应变相同时，改良土的动模量和阻尼均大于粉煤灰土。Patricia等[67]研究了循环三轴荷载作用下，硅胶浆对饱和松散土变形特征的影响，试验表明，在掺量为5%～20%范围内，掺量越大，改良土的变形越小。黄志军等[68]通过传热学和Biot固结理论建立了动力分析模型，研究了季节冻土区路基在交通荷载作用下的动力学特征。贺建清等[33]通过动三轴试验，结合动力学数学模型和有限元方法，对石灰改良土的动力变形特性和稳定性进行了详细的研究。赵莹莹[69]对聚丙烯纤维和土壤固化剂改良后的原状土进行一系列动静试验，分析了改良土的动静力特性以及动荷载作用下的稳定性。

2.3抗冻融性能

在季节冻土区，受气候环境周期性变化的影响，路基材料的性能将会劣化，从而直接影响其力学特征以及路用性能。就路基填土材料而言，冻融循坏引起的整体强度降低、变形增大通常是产生道路病害的重要原因，严重影响了交通运输的安全。因此，研究路基填土材料的抗冻融性能是十分关键的。

王天亮[70]对水泥改良土进行动静试验，研究了冻融循坏作用下，土体的内部结构力学特性、冷冻温度、冻融次数之间的关系。侯鑫等[71]将3%的硅酸钠掺入黄土中进行固化，并对冻融循坏后的改良土进行压汞试验和无侧限抗压强度试验，试验表明，针对钠盐含量较高的季冻区盐渍黄土，硅酸钠不利于抗压强度的增加，应慎重使用。宋金华等[72]通过动三轴重复加载试验，研究了冻融循环下，土体的含水率、掺灰比和压实度对改良土动回弹模量的影响。Kalkan[73]利用硅粉对细粒土进行改良，试验发现，硅粉能够有效地提高土体冻融循坏后的无侧限抗压强度，减少冻融循坏对渗透性的影响。Ghazavi等[74]采用聚丙烯纤维改良黏土，通过无侧限抗压强度试验探究了改良土在冻融循坏下的抗冻性能和力学特征。高瑜等[58]利用MICP技术研究了盐蚀环境下改良土的冻融特性。

此外，抗渗透性能、耐干湿循环以及特殊地区的耐腐蚀性能和耐冲刷性能也是判定改良效果的主要指标[6,7]。

2.4选取合理的指标评价改良效果

表5展示了上述多种判定依据选取的试验参数以及研究对象。 CBR 承载比和回弹模量作为我国路基工程的设计指标，无法反映车辆荷载对路基填土的影响。因此，单一的静力学指标无法对路基填土在动荷载作用下的变形做出准确评价。学者依据前人的研究成果以及自己本身研究内容的具体要求，对试验仪器、室内外模型设计、施工方法、参数的选取等方面均进行了不断完善。因此，就目前研究来看，关于改良路基土的动力学特征的研究已经较为成熟。在季节冻土区，路基在静荷载和动荷载双重作用下，强度和变形特性都会受到不同程度的影响。因此，静力学指标、动力学指标是研究季节冻土区路基土改良效果必须测定的指标，其余指标作为判定改良土耐久性的主要依据，要根据研究区域路基病害问题，进行适当选取。值得注意的是，土体中未冻水含量是影响其土体力学性质的重要因素，为了更全面地评价改良土在实际工程中的应用特征，在进行试验时，必须要考虑水分迁移以及水分相态的变化。

表5 多种评价指标对比分析 导出到EXCEL

3 讨论

3.1改良方法的适用性

在考虑固化效果、适用性、成本、环境友好性以及建设施工本身的要求等多种因素时，单一的物理改良方法可能无法对某区域的不良病害路段进行有效处理，应尝试多种改良方式组合使用，促进优势互补。季节冻土区气候环境复杂，土质差异较大，土壤的颗粒组成、矿物组成、化学成分及结构等也具有很大的差距，这些都导致了改良技术的效果存在很大差异。同一种方法或材料也会由于施工区域的不同，而导致效果差异较大。以水泥石灰类材料为例，其改良效果主要依赖于土壤颗粒成分以及含水量，当掺合量较大时，容易干缩，进而产生裂缝，使结构发生破坏，影响整体的稳定性。一般在使用水泥石灰类固化土壤时，必须要掺入一些辅助成分来增强固化效果。对于大部分液体固化剂而言，虽具有施工方便、成本较低的优点，但是这些固化剂对施工地区的含水量和温度有一定的要求，因此，很大程度上限制了固化剂的应用范围。有研究表明，固化土壤具有较高的抗渗性能时，其抗冻融效果较差，这也说明了某些固化材料在固化性能方面具有一定的局限性[13]。在季节冻土区范围内，微生物改良技术具有更大的局限性。微生物改良技术的处理溶液为低黏性的液体，在气候环境各异、昼夜温差大的条件影响下，大量的预埋细菌可能死亡，同时微生物矿化沉积物无法深入裂缝深处，主要修复部位仅仅是土体的表面，导致强度无法提高。因此，针对于不同地区的改良材料，应具有针对性和兼容性，尝试多种固化方式相融合的方式，扬长避短，最大程度上发挥固化剂的适用效果，增强其固化性能。

3.2改良材料的选择

已有研究表明，学者不再是单一地对风积砂进行加固处理，而是将风积砂作为改良材料对其他不良地基土进行改良。砒砂岩具有成岩程度低、砂粒间胶结程度差以及强度低等特点，与风积砂的特征相似，主要分布于黄土高原北部的晋陕蒙接壤地区的鄂尔多斯高原。在自然条件下，砒砂岩的力学性能较差，将其作为改良材料应用于道路路基土固化中的研究几乎没有。目前，关于砒砂岩的研究大部分集中于通过种植植物或添加固化剂等方式对砒砂岩地区进行加固。近几年，有学者开始将其作为砂复配成土的新材料，系统开展了砒砂岩与砂复配成土的机理、关键技术的研究和工程化应用[56,75,76]。因此，对砒砂岩进行改性利用，实现与风积砂类似的资源化利用意义重大。

随着人们环保意识的增强，各种工业废渣被用于改良路基填土。以油页岩废渣为例，在我国东北地区，油页岩储备量大，大量的油页岩废渣长期堆放会破坏生态环境、占用大面积土地资源，也造成了油页岩废渣本身的浪费。因此，在吉林、辽宁地区的高校和施工单位参考传统工业废渣的处理方法，在道路路基中添加油页岩废渣，对不良路基土进行固化处理，并得到较高的改良效果[8]。除此之外，各地区工厂产生的大量工业废渣(如电石渣、钢渣等),同样给人类和其他生物带来了潜在的威胁，破坏了生态环境。因此，有必要进一步开发利用季节冻土区的多种工业废渣，将其进行资源化处理。

综上所述，在对不良地基土进行改良时，应因地制宜地选取改良材料，在道路工程中实现不良原状土、工业废渣等大规模的二次利用，完善其在道路材料中的应用价值，扩大废弃材料的适用范围。

3.3路基改良土固化机理的研究

目前，有关路基改良土固化效果的研究，大多是通过一系列宏观力学试验得到多个力学参数，并分析试验过程中填料的颗粒组成、成分、比表面积、密实度、孔隙结构等微观结构的变化，加上数值模拟和理论研究，建立了微观结构与宏观力学特征的联系，从而为分析路基填料的固化机理提供依据。但是，从已有的改良方法发现，已经不再是采用单一的措施进行改良固化，而是多种方法综合使用。其中，化学改良、生物方法在固化过程中均存在复杂的化学反应过程，新生成的化学产物也是影响改良效果的关键。因此，为了更好地研究改良机理，优化改良方法，应从化学、生物等多方面综合分析研究。

此外，路基填料内部水分迁移/相变是引起季节冻土区路基冻胀翻浆病害的根本。以盐渍土为例，目前有关盐渍土的试验手段大多基于室内试验，且土样中的盐分种类较为简单，考虑的物理力学参数较少，导致对其水分相态转化过程的研究不够深入。实际的工程建设中，盐渍土所含的盐分复杂，在降温过程中，水分和盐分的迁移和相态转化都为盐渍土固化机理的研究增加了难度，有关温度变化过程中的土体的物化性质变化规律及水分迁移机理的研究远远不够。因此，有必要加强季节冻土区路基改良土在冻融过程中水分相态转化的研究，进一步分析水分相态转化与其物理力学性质之间的关系。

4 结语

基于上述的研究基础，通过分析季冻区道路病害的主要破坏形式、路基填料的改良方法以及固化效果的判定指标，得到以下结论。

(1)在冻融循环等多种因素对路基土的破坏作用下，以工程应用为目的，对不良路基土进行改良是一个优选方法。将改良后土体作为路基填料，既能废物利用，又能改善路基土的工程特性，节约成本，绿色环保。

(2)在使用改良材料的时候，应保证在其原有优势的基础上，减弱或弥补原状土的缺点。此外，随着技术的发展和试验仪器的不断完善，应开发一些新的改良材料和适用性更广的改性方法。已经有学者将被治理的不良路基填土转变为应用于改善膨胀土、混凝土等力学特征的改良材料，对其进行了资源化的应用。

(3)在季节冻土区，土体的力学特征受冻融循环、干湿循环等多种因素的影响，路基在静荷载和动荷载双重作用下，强度和变形特性等都会受到不同程度的影响。因此，单一的静力学特征不能够反映出路基的动态响应，不能够全面判定路基土的改良效果。在研究动荷载作用下土体的力学性能时，探究土体的孔隙水压力、未冻水含量、动位移、孔隙特征等指标的变化规律，能够更为全面地分析土体的动力学特征。

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