塊石

塊石指的是符合工程要求的岩石，經開採選擇所得的形狀不規則的、邊長一般不小於15釐米的石塊。 塊石分許多種，高速路護坡，河道渠道護堤片石：是把大塊的石頭利用工具分解成大體成長方體的小塊石，大致有長為30釐米、寬為50釐米、厚為10—30釐米，或者是長為30釐米、寬為40釐米、厚度為10—30釐米的方塊。也可以根據你的要求進行加工。此種塊石大致要求有一個比較平整的面，長寬誤差一般在2釐米左右，厚度一般要求是在多少範圍之內，不能指定加工多少釐米，比如厚度為10—20釐米。

另外還有毛石：毛石是不成形的石料，處於開採以後的自然狀態。它是岩石經爆破後所得形狀不規則的石塊，形狀不規則的稱為亂毛石，有兩個大致平行面的稱為平毛石。 建築用毛石，一般要求石塊中部厚度不小於150mm，長度為300～400mm，質量約為20～30kg，其強度不宜小於10MPa，軟化係數不應小於0.75。常用於砌築基礎、勒腳、牆身、堤壩、擋土牆等，也可配製片石混凝土等。

研究背景

青藏鐵路的設計、施工是高原多年凍土地區工程建設的一大挑戰。研究表明，多年凍土地區工程建設涉及到多年凍土的工程特性、力學特性與熱學特性問題，其固有的特點是凍土條件要發生變化，包括自然環境本身引起的變化和建築物施工、運行等引起的變化。而建築在多年凍土地區之上的工程穩定性及耐久性又直接依賴於沿線工程凍土條件的穩定性，所以，多年凍土地區的工程設計首要考慮由於工程的施工、運行造成凍土條件的改變進而影響基礎的穩定性，如何減小或在運行過程中彌補這種改變而使其恢復自然成為首選。其中塊石護坡是用來減小凍土條件改變的典型措施，Goreing等 ^[1]  認為塊石路堤在氣温波動條件下具有熱二極管效應—自然對流降温效應，其隨時間累加而彌補因施工等造成凍土條件的改變，甚至能使其恢復到自然狀態。塊石路堤、護坡歸根到底是一種多孔介質，其熱學性質涉及到氣固二相熱質遷移的流體動力學問題，需要通過平均化過程從微觀尺度即孔隙空間內部導向宏觀尺度，有關各種參數具有平均化的性質。其熱學參數與組成塊石路堤、護坡的岩石熱學參數、塊石粒徑和空隙率等密切相關。而有關參數如導熱係數又為工程設計必不可少。然而，用於路堤、護坡的塊石由於其粒徑比較大而難以直接測試導熱係數，工程上往往用理論估算值代替，但結合工程實際條件的實驗測量似乎更為重要。

實驗結果和分析

實驗中對 6 ～ 8 cm，4 ～ 6 cm，2 ～ 4 cm 三種粒徑的塊石試樣在不同温度波動下進行了測量，具體條件如表1所示。某一點在一個週期內的最大值減去最小值為一個數據點。通過實驗數據擬合熱擴散係數採用兩種方法：一種是按每個週期的數據擬合，有幾個週期即有幾個熱擴散係數，然後求其平均值，結果如表2；另一種是先求數據的平均值，然後曲線擬合，求出熱擴散係數。

結果表明，對於粒徑為6～8cm的塊石試樣，由相同氣温波動幅度的2～4號試驗所得熱擴散係數、導熱係數比較接近，與不同氣温波動幅度下的1號試驗結果相比也具有較好的一致性。另外，在三種不同粒徑的塊石試樣中，6～8 cm粒徑試樣的最大，2～4 cm 粒徑試樣次之，4～6 cm 粒徑試樣的熱擴散係數和導熱係數較小，可能是不均勻性所造成，對此還需用更多的實驗驗證。利用實驗中已測得的試樣孔隙率，並設空氣中含水量為2%，取岩石、空氣和水的導熱係數分別為 2.70、0.024和0.570 W·m ^-1·K ^-1，則可求得估算值，如表2。最後，實驗中塊石試樣高度實際為50cm 左右，並非半無限體，靠近底部會有邊界效應，所以擬合時取的數據點不能太深，研究取的深度約為 34cm，如圖1 ，事實上，在塊石粒徑較大時，其特徵體元的尺寸也較大，而本試驗所採用的試樣筒的直徑較小，其均勻性會受到一定限制，對結果精度有一定影響；塊石上部分佈置用於測量温度的傳感器間距稍大也在一定程度上影響了測量精度。温度分佈的初始條件對測量結果在前1、2 個週期中也有影響，並且試驗中需要採用封閉系統以減小空氣流動對測量結果的影響。

研究結論

利用氣温波動條件下用於路堤、 護坡的塊石內部温度衰減規律來確定其熱擴散係數和導熱係數是可行的。同一粒徑的塊石試樣在相同氣温波動幅度下的測量結果比較接近，不同氣温波動幅度下的測量結果也具有較好的一致性。結果表明，粒徑較小的塊石試樣其熱擴散係數和導熱係數也較小。 ^[2] 

由於凍土中冰的存在決定了寒區工程建設獨有的特點，在凍土區道路工程遇到的主要問題是凍脹和融沉，而這正是引起道路破壞最為嚴重、最為主要的原因之一。採用保護多年凍土路基的方法較多，常用的有抬高路堤高度或者在路堤中鋪設保温材料等。它們均只是保護凍土路基的被動消極的方法，在一定程度上對凍土有保護作用，但不足以甚至不可能完全消除凍土路基的融化下沉，特別是在全球氣温升高的大趨勢和人類工程活動加劇的背景下更是這樣。為此，我們在寒區路基建築中採用了主動積極的保護凍土的方法—拋石、 碎塊石護坡, 增強路基的穩定性。

碎塊石護坡的工作原理

保護凍土的工程措施機理可以從以下四個方面着手考慮：調控輻射、調控對流、調控傳導和旱橋。拋石護坡這種措施，兼顧了調控對流和調控傳導兩方面，是一種典型的主動積極調控地温、保護凍土的措施。

從理論上講，拋石材料由於其孔隙性大，空氣可在其中自由流動或受迫流動。當暖季表面受熱後，熱空氣上升，塊石中氣體處於熱傳導狀態，且仍能維持較低温度。根據觀測結果計算得知：夏季有效導熱係數是1.006 W·(m·K)^-1，而冬季有效導熱係數是12.271 W·(m·K)^-1，因此，傳入地中的熱量較少；寒季時，冷空氣沿孔隙下滲，塊石中氣體處於熱對流狀態，對流換熱向下，較多的冷量可以傳入地基中。所以塊石護道的綜合效果是冷量輸入大於熱量輸入。另一方面，拋石堆體內以其較大的空隙和較強的自由對流使得冬夏冷熱空氣由於空氣密度等差異而不斷髮生冷量交換和熱量屏蔽，其結果有利於保護多年凍土。

碎塊石護坡措施應用效果分析

由於碎塊石護坡措施有諸多優越性，對基底下凍土影響十分明顯，通過室內試驗，對比現場觀測的結果，可以瞭解碎塊石護坡措施對路基底下凍土的影響程度。從整個融深曲線來看，其曲線形式並不是以路基中心線為對稱，而是與路塹模型邊界呈正相關，道路兩邊邊坡隨着高度的減少，凍土融化深度也隨之增加。造成這一結果原因在於兩邊坡土質一樣，熱傳導係數一樣，在相同情況下熱量下傳深度也一樣。但是兩邊坡高度卻不同，結果肯定會導致融化曲線隨着地表起伏而上下變化，也就是説融化曲線是與路塹模型邊界呈正相關性。由於拋石護坡可以從一定程度上抬升凍土上限，可以緩解凍土的融化，所以在邊坡較低一側可以考慮鋪設拋石護坡措施。

經過室內實驗和風火山現場觀測資料結果對比分析，可以得出以下結論：

(1)融化曲線是與路塹邊界呈正相關性，導致融化曲線並不是沿路塹中心線對稱，同時，由於拋石護坡措施會明顯抬升凍土上限，所以可以考慮在邊坡高度較低的一側加拋石護坡，這樣可以緩解因上限不對稱而出現的災害事故的發生。

(2)拋石護坡對路基底下多年凍土的降温從室內實驗結果看，效果還不錯。但從現場觀測結果看，由於是單面鋪設，它對多年凍土路基中心處的上限抬升不大，並不能達到理想的效果。如果採用雙面鋪設，可能效果會更明顯，從已有的資料分析來看，進一步證明了室內模型試驗結果的可靠性。

(3)拋石護坡工藝簡單，技術要求不是很高，鋪設速度也比較快，經濟上也比較節省，適合鋪設在快速降温的路段以及低温多年凍土區。建議在需要按保護原則設計的多年凍土地區道路工程設計與施工中，較大範圍內多考慮採用該措施。 ^[3]