季節(jié)性凍土的凍脹試驗(yàn)系統(tǒng)及應(yīng)用

邢 爽，單 良，劉少洋，姜智文

(1.東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012;2.吉林省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，吉林 長春 130022;3.吉林省電力有限公司白山供電公司，吉林 白山 134300)

基礎(chǔ)的凍脹破壞是季節(jié)性凍土地區(qū)常見的結(jié)構(gòu)破壞形式，容易導(dǎo)致路面的開裂、突起、沉陷，擋土墻倒塌，構(gòu)筑物凍拔等破壞現(xiàn)象。另外，大型冷庫、液化氣地下存儲(chǔ)罐等由于人工制冷而產(chǎn)生凍脹破壞的案例也時(shí)有發(fā)生。每年因?yàn)橥恋膬雒浧茐膸淼膿p失無法計(jì)算。凍脹問題嚴(yán)重困擾著嚴(yán)寒地區(qū)凍土地基上構(gòu)筑物的應(yīng)用，對(duì)凍土的凍脹機(jī)理、影響凍脹的因素進(jìn)行研究，掌握其規(guī)律，為預(yù)防和治理結(jié)構(gòu)物的凍脹破壞提出可行性建議，解決長期以來困擾我國廣大凍土地區(qū)結(jié)構(gòu)凍脹破壞難題，減少凍脹破壞帶來的經(jīng)濟(jì)損失，具有十分重要的意義[1，2]。

為研究土的凍脹機(jī)理和影響凍脹的因素，本文在介紹季節(jié)性凍土凍脹試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用該測(cè)量系統(tǒng)對(duì)一個(gè)凍融周期的氣溫、土溫、凍深、凍脹位移、凍脹力進(jìn)行長期觀測(cè)，研究凍融周期內(nèi)凍脹參數(shù)的變化過程。

1 凍脹試驗(yàn)系統(tǒng)

凍脹試驗(yàn)場地位于日本北海道北見工業(yè)大學(xué)內(nèi)，建于2003年6月，凍脹試驗(yàn)用的基坑尺寸為3940 mm×3640 mm×700 mm(深)，基坑開挖時(shí)，在地下2 m處設(shè)置鋼筋混凝土錨，如圖1所示，尺寸為600 mm×3200 mm×500 mm，并預(yù)埋地腳螺栓，以便在基坑上方設(shè)置反力臂，用以測(cè)量試樣的凍脹量、凍脹力，從而使反力梁不受試樣土體凍脹的影響，用作測(cè)量凍脹位移的參照物，并為測(cè)量凍脹力提供反力支撐，見圖2[3]。下面就土的凍深、土溫、氣溫、凍脹位移、凍脹力等凍脹參數(shù)的測(cè)量方法及儀器進(jìn)行描述。

1.1 凍結(jié)深度

本試驗(yàn)利用亞甲藍(lán)凍結(jié)深度計(jì)，測(cè)量土的凍結(jié)深度，見圖3。在向凍脹基坑填入試樣時(shí)，將該凍結(jié)深度計(jì)垂直埋入試樣中，并將儀器的上端露出。儀器內(nèi)管可以從外管中抽出，內(nèi)管上標(biāo)有刻度，由于亞甲藍(lán)溶液凍結(jié)會(huì)變白，因此可以通過讀取內(nèi)管上端亞甲藍(lán)變白部分的長度，得到凍土深度。

1.2 土溫

取約110 cm長的PVC管，下端封口，在管壁外側(cè)每隔10 cm粘貼一個(gè)熱點(diǎn)偶，共11個(gè)，埋入待測(cè)試驗(yàn)土樣中，使第一個(gè)熱電偶與地面持平，管內(nèi)填滿標(biāo)準(zhǔn)砂，以防止PVC管內(nèi)空氣對(duì)流，影響土溫度的測(cè)量精度。這樣，一根PVC管上的熱電偶可以測(cè)得地表、地表下10 cm、20 cm～100 cm處的土溫，見圖4。每隔半小時(shí)，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)讀取土溫?cái)?shù)據(jù)。

1.3 氣溫

在距離地面1.3m處設(shè)置百葉箱，百葉箱內(nèi)放置熱電偶，通過數(shù)據(jù)線與試驗(yàn)場地附近屋內(nèi)計(jì)算機(jī)相連，大氣溫度數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)每隔一定時(shí)間自動(dòng)讀取。

1.4 凍脹位移

土的凍脹位移利用鋼尺人工測(cè)量，在基坑兩端的反力梁上標(biāo)記符號(hào)，測(cè)量時(shí)拉緊細(xì)線，并將細(xì)線兩端置于反力梁上表面標(biāo)記處，從而以該線為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量土的凍脹位移，見圖5。試驗(yàn)土樣表面設(shè)置凍土盤，每次測(cè)量時(shí)，以凍土盤的上表面為基準(zhǔn)進(jìn)行凍脹位移的測(cè)量。

1.5 凍脹力

土的凍脹力的測(cè)量裝置見圖6，在原狀土表面與反力梁間設(shè)置壓力計(jì)，利用螺栓調(diào)節(jié)壓力計(jì)的高度，旋轉(zhuǎn)螺栓的螺母正好貼緊反力梁，并觀察計(jì)算機(jī)顯示的壓力值，在壓力值正好超過零時(shí)，停止旋轉(zhuǎn)螺母。在氣溫降到0℃，并開始記錄各種數(shù)據(jù)之前，需要檢查壓力計(jì)是否貼緊反力梁。

在本試驗(yàn)中，設(shè)置兩個(gè)壓力計(jì)，測(cè)定基坑周圍原狀土的凍脹力，原狀土的凍脹力為本研究室多年觀測(cè)項(xiàng)目，通過長期觀測(cè)，研究凍脹力與凍結(jié)深度、大氣溫度、土中溫度的關(guān)系。

凍脹力數(shù)據(jù)每隔半小時(shí)，利用連接到室內(nèi)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)讀取并保存[4]。

2 試驗(yàn)土樣的凍脹特性

通過室內(nèi)凍脹試驗(yàn)得到試驗(yàn)土樣的凍脹位移與時(shí)間關(guān)系曲線、凍脹位移與吸水量關(guān)系曲線，見圖7、8所示。

由圖7、8可知，土樣的凍脹速度為0.369 mm/h，最大凍脹量15 mm，根據(jù)相關(guān)規(guī)范可判定試驗(yàn)土樣為凍脹性土[5]。

3 凍脹試驗(yàn)結(jié)果

利用上述凍脹試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)基坑內(nèi)凍脹性試驗(yàn)土樣及基坑周圍原狀土的土中溫度、凍結(jié)深度、凍脹位移、原狀土的凍脹力、大氣溫度進(jìn)行一個(gè)凍融周期的連續(xù)觀測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如下:

3.1 氣溫、土溫

對(duì)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，日平均氣溫與地下40 cm處土溫變化曲線見圖9，限于篇幅，其它深度的土溫變化曲線未一一列出。

3.2 凍結(jié)深度

試驗(yàn)土樣的凍結(jié)深度與融化深度變化曲線見圖10。最大凍深為72 cm。

3.3 凍脹力

基坑周圍原狀土的凍脹力變化曲線見圖11。

圖9 日均氣溫與土中40 cm處日均土溫變化曲線

3.4 凍脹位移

試驗(yàn)基坑內(nèi)試驗(yàn)土樣與基坑周圍原狀土的凍脹位移見圖12～圖13。

4 結(jié) 論

利用該季節(jié)性凍土的凍脹試驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)鐾恋臏囟?、凍深、凍脹力等凍脹參?shù)進(jìn)行連續(xù)有效觀測(cè)，并得出如下結(jié)論:

(1)試驗(yàn)土樣隨氣溫下降由上而下開始凍結(jié)，最大凍深為72 cm，凍土自氣溫升至0℃后由上而下融化;

(2)溫度下降，凍脹力增加，原狀土的最大凍脹力為30 kN，溫度上升，凍脹力減小;氣溫升至0℃后，凍脹力消失;

(3)土的凍脹位移隨凍深的增加而增大，試驗(yàn)用凍脹性土樣的最大凍脹位移為4.2 mm，原狀土的最大凍脹位移為7.5 mm，凍脹位移隨凍土融化而逐漸減小。

[1]徐學(xué)祖，王家澄，張立新.凍土物理學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社，2001.

[2]張豐帆.季節(jié)性凍土構(gòu)筑物凍脹機(jī)理研究及應(yīng)用[D].長春:吉林大學(xué)，2007.

[3]八藤後友也.実験フィールドにおける網(wǎng)走湖底質(zhì)の経年変化に関する研究[D].日本北見:北見工業(yè)大學(xué)，2007.

[4]小島一宏，鈴木輝之，山下聡.新しい凍上性判定試験法の適用性について[C].第38回地盤工學(xué)研究発表會(huì)講演概要集.東京:地盤工學(xué)會(huì)，2001:35－167.

[5]邢爽.季節(jié)性凍土的凍結(jié)凍脹試驗(yàn)研究[D].吉林:東北電力大學(xué)，2009.