雙向凍結(jié)-單向融化土壓縮性及水分遷移試驗(yàn)研究

陰琪翔，周國(guó)慶， ，趙曉東，路貴林

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

1 引 言

近年來，隨著青藏鐵路的建設(shè)運(yùn)營(yíng)，寒區(qū)路基凍脹與融沉以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性問題逐漸引起人們的重視。影響多年凍土區(qū)路面變形的因素有多種，主要包括：路基自身變形、路基下部季節(jié)凍融循環(huán)層變形及多年凍土層變形。受季節(jié)凍融循環(huán)層變形影響，寒區(qū)路基病害十分嚴(yán)重[1－2]。路基下季節(jié)凍融循環(huán)層位于大氣與多年凍土層之間，隨季節(jié)氣候的變化，其凍融作用為帶有溫度梯度的雙向凍結(jié)-單向融化過程。因此，研究雙向凍結(jié)-單向融化凍融循環(huán)作用對(duì)土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響具有十分重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已對(duì)凍融作用下土的物理力學(xué)特性進(jìn)行了探索和研究，取得了諸多成果。彭麗云等[3]研究了凍前含水率、頂端冷卻溫度等對(duì)正融土應(yīng)力-應(yīng)變和強(qiáng)度特性的影響；嚴(yán)晗等[4]對(duì)不同凍融次數(shù)、壓實(shí)系數(shù)及含水率的粉砂土力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；王靜等[5]對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)3種不同塑性指數(shù)路基土進(jìn)行不同圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)，研究了塑性指數(shù)對(duì)路基土彈性模量的影響；Klinova等[6]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了含水率、孔隙率等對(duì)土體融沉特性的影響；Erik等[7]研究了土樣凍融循環(huán)與彈性模量之間的關(guān)系；趙淑萍等[8]對(duì)裝在乳膠套、有機(jī)玻璃模具和銅質(zhì)模具的試樣分別進(jìn)行了不同次數(shù)的融凍循環(huán)試驗(yàn)，并進(jìn)行了相應(yīng)的單軸壓縮試驗(yàn)研究；王效賓等[9]通過對(duì)原狀土及不同凍融條件下的融土進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)和固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，揭示了凍融作用對(duì)黏土力學(xué)性能的影響規(guī)律。

然而，現(xiàn)研究大多著重于單向凍結(jié)（從上到下，下端為暖端）-單向融化條件的凍融作用對(duì)土體物理力學(xué)參數(shù)的影響，而并沒有考慮多年凍土區(qū)凍融循環(huán)層實(shí)際的凍融邊界條件，即雙向凍結(jié)-單向融化作用下土體物理力學(xué)性質(zhì)的改變?；诖耍疚牟捎酶脑斓娜?lián)固結(jié)儀，配以可形成溫度梯度的凍融裝置及保溫設(shè)備，對(duì)青藏鐵路沿線開心嶺斷面土樣進(jìn)行凍結(jié)過程中水分遷移和凍融后壓縮試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣取自青藏鐵路沿線開心嶺以南的多年凍土季節(jié)凍融循環(huán)層，取土深度為-1～-3 m，為褐色粉質(zhì)黏土，取土后進(jìn)行室內(nèi)重塑。室內(nèi)物理指標(biāo)見表1。試驗(yàn)土樣制備方法如下：將按照既定含水率配制的土體放入密封袋中，將密封袋放入保濕箱內(nèi)靜置12 h，以確保土體內(nèi)部含水率均勻；取出靜置后的土體，按照既定干密度放入制樣模具中，制樣尺寸高度為50 mm，直徑為61.8 mm；用保鮮膜將制備好的土樣包裹密封，防止凍融過程中土樣含水率變化，將密封好的土樣放入高度為100 mm、直徑為62 mm的有機(jī)玻璃筒內(nèi)。

表1 土樣基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of soil samples

2.2 試驗(yàn)裝置

凍融試驗(yàn)在自制溫度梯度凍融儀上進(jìn)行，溫度梯度凍融儀如圖1所示，為使試樣在凍融過程中形成連續(xù)且穩(wěn)定的溫度梯度場(chǎng)，將有機(jī)玻璃筒外部包裹保溫棉，并放置在恒溫箱內(nèi)；上下控溫板與外界冷浴連接，按形成土樣的既定溫度梯度來自由控制冷源溫度；試樣內(nèi)部沿豎直方向每隔10 mm布置一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)溫度通過埋設(shè)在試樣中精度為0.01 ℃的溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，溫度傳感器外接數(shù)據(jù)采集儀，觀察試樣既定溫度梯度形成所需時(shí)間；試驗(yàn)所有試樣均在封閉條件下進(jìn)行一次凍融作用，凍結(jié)和融化過程均按照既定溫度梯度調(diào)節(jié)冷源溫度。

融土壓縮試驗(yàn)采用改造的WG三聯(lián)固結(jié)儀，在進(jìn)行壓縮試驗(yàn)時(shí)，用濕棉紗圍住透水石周圍，保證透水石周圍空氣濕度，同時(shí)土中水可以上、下雙向排出。待試樣達(dá)到既定溫度梯度并穩(wěn)定一定時(shí)間后，將試樣連同有機(jī)玻璃筒一起放入改造的固結(jié)儀內(nèi)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。

圖1 溫度梯度凍融儀Fig.1 Temperature gradient-controlled freeze-thaw equipment

2.3 雙向凍結(jié)-單向融化溫度梯度

試驗(yàn)設(shè)計(jì)4種溫度梯度進(jìn)行凍結(jié)，軸向溫度梯度分別為0.0、0.4、0.8、1.6 ℃/cm，如圖2所示。試樣底端12-12′溫度均控制在-0.8 ℃，頂端7-7′溫度分別為-0.8、-2.8、-4.8、-8.8 ℃。試驗(yàn)設(shè)計(jì)1種溫度梯度進(jìn)行融化，底端12-12′溫度控制在0 ℃，頂端7-7′溫度控制在4.0 ℃。

圖2 溫度梯度與測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Temperature gradients and monitoring points

2.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

以往研究表明，凍融作用后，干密度和含水率對(duì)土體物理力學(xué)性質(zhì)影響較大，本試驗(yàn)采用設(shè)計(jì)方案見表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 2 The scheme of experiments

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 干密度對(duì)融土壓縮特性的影響

圖3給出了不同凍結(jié)溫度梯度、不同干密度試樣的e-p 曲線，試驗(yàn)土樣凍前含水率均控制在15%。本文引入融土相對(duì)壓縮系數(shù)mv[10]，根據(jù)壓縮試驗(yàn)曲線，計(jì)算出融土相對(duì)壓縮系數(shù)與溫度梯度之間的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖3、4可以看出：（1）0.8 ℃/cm和1.6 ℃/cm梯度凍融作用使低密度土壓縮性減小，而使高密度土壓縮性增大。其主要原因是凍融作用使得松散土孔隙比降低、密實(shí)度增大，而使得密實(shí)土孔隙比增加、密實(shí)度減小，這與姚曉亮等[11]的試驗(yàn)結(jié)果吻合。0.0 ℃/cm和0.4 ℃/cm梯度凍融作用使得低、高密度土的壓縮性均減小，可能是由于較小的凍結(jié)梯度作用下，孔隙水產(chǎn)生的少量冰晶不足以填充非飽和土孔隙[12]，導(dǎo)致低溫作用的冷縮量大于凍脹量，進(jìn)入融化期冰晶逐漸融化，試樣壓縮變形繼續(xù)增大，最終在一次凍融作用后土體孔隙比減小，密實(shí)度增加。

圖3 不同干密度的凍結(jié)溫度梯度融土壓縮試驗(yàn)曲線Fig.3 Melted soil compression curves with different dry densities under various thermal gradients

圖4 溫度梯度對(duì)融化相對(duì)壓縮系數(shù)的影響Fig.4 Influence of the temperature gradient on the compressibility coefficient

（2）相同干密度條件下，隨著凍結(jié)溫度梯度的增大，融土相對(duì)壓縮系數(shù)均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；不同干密度條件下，融土相對(duì)壓縮系數(shù)受凍結(jié)溫度梯度影響表現(xiàn)出明顯的差異性。隨著溫度梯度的增大，干密度為1.30、1.42、1.52 g/cm3的融土相對(duì)壓縮系數(shù)，在0.0～0.4 ℃/cm區(qū)段均呈減小趨勢(shì)，分別減少了12.4%、28.3%和10.8%；在0.4～0.8 ℃/cm區(qū)段均呈增大趨勢(shì)，分別增加了33.8%、47.1%和44.0%，在0.8～1.6 ℃/cm區(qū)段增加幅度減小，分別為0.3%、6.3%和28.0%，低密度融土壓縮性變化減小。

3.2 含水率對(duì)融土壓縮特性的影響

圖5給出了不同凍結(jié)溫度梯度、不同凍前含水率試樣的e-p 曲線，試驗(yàn)土樣干密度均控制在1.42 g/cm3，融土相對(duì)壓縮系數(shù)與溫度梯度之間的關(guān)系曲線如圖6所示。由圖5、6可知：

（1）0.8 ℃/cm和1.6 ℃/cm梯度凍融作用使3種含水率土體壓縮量均增加，但隨著含水率的增大，壓縮量變化幅度逐漸減小。可能是由于在封閉的雙向凍結(jié)單向融化條件下，土樣在較低初始含水率下經(jīng)歷一次凍融作用，雖然凍脹量和融沉量均較小，但凍脹量大于融沉量，整體表現(xiàn)為膨脹變形，導(dǎo)致孔隙比增加，密實(shí)度減小，融土壓縮性與未凍土相比變化較大；隨著初始含水率的增加，凍結(jié)成冰量增加，在有效地增大凍脹變形的同時(shí)，也加劇了土體的融沉變形，最終凍融作用后凍脹量與融沉量持平，融土與未凍土相比，孔隙比變化較小，導(dǎo)致兩者壓縮性相比變化不明顯[13]。0.0 ℃/cm和0.4 ℃/cm梯度凍融作用后，融土壓縮性隨含水率變化并不明顯。

圖5 不同含水率的凍結(jié)溫度梯度融土壓縮試驗(yàn)曲線Fig.5 Melted soil compression curves with different water contents under various thermal gradients

圖6 溫度梯度對(duì)融化相對(duì)壓縮系數(shù)的影響Fig.6 Influence of temperature gradient on the compressibility coefficient

（2）隨著溫度梯度的增大，含水率為10%的融土相對(duì)壓縮系數(shù)基本呈線性增大趨勢(shì)，當(dāng)溫度梯度由0.0 ℃/cm增大為1.6 ℃/cm，融土相對(duì)壓縮系數(shù)由0.173 MPa-1增大為0.533 MPa-1，增大了208.1%；含水率為12%和15%的融土相對(duì)壓縮系數(shù)均呈先減小后增大趨勢(shì)，均分別在0.4 ℃/cm和1.6 ℃/cm時(shí)達(dá)到最小值和最大值，在0.0～0.4 ℃/cm之間融土相對(duì)壓縮系數(shù)分別減小了20.4%和28.0%，在0.4～1.6 ℃/cm之間融土相對(duì)壓縮系數(shù)分別增加了90.2%和56.3%。

3.3 溫度梯度凍結(jié)后水分遷移特征分析

試樣在雙向凍結(jié)-單向融化溫度梯度條件下凍融所誘導(dǎo)的水分場(chǎng)重分布，造成了土體結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)，進(jìn)而影響了土體壓縮特性。將試樣按照既定溫度梯度凍結(jié)并穩(wěn)定后，取出試樣進(jìn)行切片處理，測(cè)量土樣含水率分布規(guī)律。由于上下冷源均低于凍結(jié)溫度，因此，試樣凍結(jié)方式為雙向凍結(jié)，但由于溫度梯度的影響，導(dǎo)致相同凍前含水率土樣內(nèi)部水分分布各有差異。

（1）不同凍前含水率土樣在相同凍結(jié)梯度凍結(jié)后內(nèi)部含水率分布如圖7所示，3種不同初始含水率土樣凍結(jié)后均表現(xiàn)出上部、下部含水率增加，中部含水率減小的變化趨勢(shì)，但各部位含水率變化幅度有所差異。凍前含水率為15%的土樣凍結(jié)后，試樣頂端0～1.25 cm平均含水率變化顯著，增加了8.8%，中上部1.25～2.50 cm平均含水率減少了7.5%，底部土樣含水率變化并不明顯；凍前含水率為12%的土樣凍結(jié)后，試樣頂端0～1.25 cm平均含水率略有變化，增加了5.92%，試樣中部含水率沒有明顯減少，最大減少百分比低于5.8%，底部土樣含水率變化依然不明顯；凍前含水率為10%的土樣凍結(jié)后，雖然土樣各部位含水率都有所改變，但變化百分比均低于3.9%。

分析原因：當(dāng)土樣進(jìn)行雙向凍結(jié)時(shí)，由于試樣頂部和底部從正溫到負(fù)溫需要一定時(shí)間，因此，凍結(jié)鋒面存在于頂部和底部的時(shí)間變長(zhǎng)，試樣中部水分有足夠的時(shí)間遷移到上、下冷端，同時(shí)凍前含水率越大，凍結(jié)鋒面在該土層的前進(jìn)速度越小[14]，使得凍后水分遷移越明顯。

（2）相同凍前含水率、不同梯 度凍結(jié)后試樣內(nèi)部含水率分布如圖8所示，3種溫度梯度凍結(jié)后，土樣頂部和底部含水率相對(duì)凍前含水率變化微弱，但中部含水率變化差異顯著。0.8 ℃/cm和1.6 ℃/cm梯度凍結(jié)后含水率變化一致，中上部1.25～2.50 cm平均含水率分別增加了17.6%和14.0%，中下部2.5～3.75 cm平均含水率分別減小了 10.6%和3.4%；0.4 ℃/cm梯度凍結(jié)后中上部1.25～2.50 cm和中下部2.50～3.75 cm平均含水率均呈減小趨勢(shì)，分別減小了5.7%和4.9%。

圖7 0.4 ℃/cm梯度凍結(jié)后試樣內(nèi)部含水率分布Fig.7 Moisture content distribution inside the samples freezing under a thermal gradient of 0.4 ℃/cm

圖8 不同梯度凍結(jié)后試樣內(nèi)部含水率分布Fig.8 The moisture content distribution in the samples freezing under different thermal gradients

上述數(shù)據(jù)表明，大梯度凍結(jié)土體頂部冷源溫度較低，凍結(jié)鋒面迅速向下移動(dòng)，上部土體未得到水分補(bǔ)給而凍結(jié)，而下部未凍水受溫度梯度影響繼續(xù)向上移動(dòng)，在土體中上部相變區(qū)形成分凝冰，造成中上部相變區(qū)含水率突增；隨著凍結(jié)梯度的減小，中上部相變區(qū)分凝冰含量繼續(xù)增加，但當(dāng)凍結(jié)梯度進(jìn)一步減小時(shí)，即土樣處于高溫凍結(jié)，中上部含水率低于凍前含水率，可能是因相變區(qū)分凝冰逐漸上移所致。

4 結(jié)論

（1）0.8 ℃/cm和1.6 ℃/cm梯度凍融作用對(duì)土壓縮性影響具有雙向作用，使低密度土壓縮性減小，而高密度土壓縮性增大；0.0 ℃/cm和0.4 ℃/cm梯度凍融作用使得低、高密度土的壓縮性均減小。

（2）0.8 ℃/cm和1.6 ℃/cm梯度凍融作用使不同凍前含水率土體壓縮性均增大，隨著含水率的增加，影響程度減弱；0.0 ℃/cm和0.4 ℃/cm梯度凍融作用后土體壓縮性受凍前含水率變化響應(yīng)并不明顯。

（3）隨著凍融循環(huán)溫度梯度的增大，不同干密度融土相對(duì)壓縮系數(shù)均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，在0.4 ℃/cm時(shí)發(fā)生突變；不同凍前含水率融土相對(duì)壓縮系數(shù)呈總體增大趨勢(shì)。

（4）小梯度凍結(jié)土樣，上部含水率明顯增加，中部含水率顯著減少，下部含水率略有增加；凍前含水率越大，凍后水分遷移越明顯；凍結(jié)土樣中部含水率受凍結(jié)梯度影響較大，隨著凍結(jié)溫度梯度的減小，試樣中部含水率先增大后減小。

由于實(shí)際多年凍土區(qū)路基下部?jī)鋈谘h(huán)層傳熱方式為帶有溫度梯度的雙向傳熱方式，因而本文的研究成果可為實(shí)際路基工程的病害評(píng)價(jià)提供借鑒，如根據(jù)多年凍土區(qū)地溫氣溫類型，對(duì)多年凍土區(qū)路基進(jìn)行分區(qū)，根據(jù)不同分區(qū)路基下部?jī)鋈谘h(huán)層所受凍融梯度大小對(duì)凍融循環(huán)層融沉特性進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)路基工程病害進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。本文針對(duì)的是一次溫度梯度凍融循環(huán)作用后融土的壓縮特性研究，而多次溫度梯度凍融循環(huán)與一次溫度梯度凍融循環(huán)后融土的力學(xué)特性具有一定差異，研究其變化行為同樣具有很好的科學(xué)價(jià)值；同時(shí)，研究溫度梯度凍結(jié)作用后土體的水分遷移導(dǎo)致土體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化，更能從機(jī)制上揭示水分遷移與土體壓縮性之間的關(guān)系，當(dāng)然這也正是筆者下一步研究工作的重點(diǎn)。

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