季節(jié)凍土區(qū)粉質(zhì)黏土凍縮現(xiàn)象下的凍脹特性分析

王澤福，周宏飛

(1.黑龍江省856農(nóng)場水務局，黑龍江 密山 158300；2.黑龍江省祥晟水利科技開發(fā)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150080)

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季節(jié)凍土區(qū)粉質(zhì)黏土凍縮現(xiàn)象下的凍脹特性分析

王澤福1，周宏飛2

(1.黑龍江省856農(nóng)場水務局，黑龍江 密山 158300；2.黑龍江省祥晟水利科技開發(fā)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150080)

凍土是一種對溫度極其敏感且性質(zhì)不穩(wěn)定的特殊類型土。在季節(jié)性凍土地區(qū)，氣溫的波動變化將對土體凍脹性造成很大程度的影響。本文選取季節(jié)性凍土地區(qū)極具凍脹敏感性的粉質(zhì)黏土進行凍脹特性試驗，研究凍縮現(xiàn)象的產(chǎn)生及出現(xiàn)凍縮現(xiàn)象時的土體凍脹特性。經(jīng)試驗研究發(fā)現(xiàn)，當土體含水率較低時，水結晶成冰的體積不足以完全填補土體內(nèi)的孔隙，因此造成土體體積縮小的現(xiàn)象。同時，凍縮現(xiàn)象的出現(xiàn)使土體溫度場發(fā)生突變、土內(nèi)水分出現(xiàn)結晶，在土體內(nèi)部水分遷移的情況下含水率也相應發(fā)生變化，土體凍脹量出現(xiàn)負值、凍脹表現(xiàn)也相對較弱。

粉質(zhì)黏土；凍脹量；凍縮量；水分遷移

在我國東北部地區(qū)分布著大面積的季節(jié)性凍土，在這些季節(jié)性凍土地區(qū)工程修建過程中遇到的普遍問題之一就是凍脹破壞[1]。許多水利、農(nóng)田、道路橋梁等工程由于長期處于低溫環(huán)境中，都受到了不同程度的凍脹破壞。而在凍縮問題上，有學者提出了零凍脹型和凍縮型兩種概念，認為當土體含水率較小時，若地下水影響較弱，就會出現(xiàn)凍縮現(xiàn)象[2]?；蛟谕馏w凍脹過程的初期，出現(xiàn)凍縮階段[3]。季節(jié)性凍土地區(qū)，暖土層位于季節(jié)活動層下部，地下水將大量補給上層土體，其凍融循環(huán)特點為單向凍結，雙向融化。本文針對黑龍江省哈爾濱市這一典型季節(jié)性凍土區(qū)域，選取極具代表性的敏感性凍脹土——粉質(zhì)黏土，作為研究對象來分析具有凍縮現(xiàn)象的凍脹問題。

1　土的凍縮

1.1凍縮現(xiàn)象的產(chǎn)生

當土體溫度處于0 ℃以下時，土中將出現(xiàn)冰晶體，冰晶體的膠結作用將原礦物顆粒間的水分聯(lián)結為冰膠結體，即土體凍結。在相同條件下，由于土體含水率不同，會產(chǎn)生凍脹和凍縮兩種情況[4]。通常情況下，土中水分凍結會使土體體積發(fā)生一定程度的膨脹，但當土體初始含水率低于起始凍脹含水率時，土體在低溫作用下則出現(xiàn)不脹反縮的現(xiàn)象，即凍縮現(xiàn)象。當土體含水率低于塑限時，結合水的含量要多于毛細水和重力水，這就使得在土體凍結過程中，土中水分結晶后體積增大的部分不足以填充土顆粒之間的空隙[5]。但由于土顆粒同時受到冰晶體的膠結作用和熱脹冷縮作用，使得土顆粒之間相互緊縮并膠合，從而出現(xiàn)了宏觀上的凍縮現(xiàn)象。因此，可以得出過低的含水率是產(chǎn)生凍縮現(xiàn)象的主要原因。

1.2凍縮現(xiàn)象和冷縮現(xiàn)象的區(qū)別

許多人認為凍縮現(xiàn)象就是冷縮現(xiàn)象，其實不然。冷縮現(xiàn)象的本質(zhì)是物質(zhì)原子的內(nèi)部運動，這和凍縮現(xiàn)象的成因不同。通過室內(nèi)凍脹實驗可知，冷縮現(xiàn)象不會導致土樣產(chǎn)生裂縫而破壞，而凍縮會使局部土樣產(chǎn)生細小的裂縫，這些裂縫將嚴重威脅到土體的整體結構穩(wěn)定性，這是兩者最大的區(qū)別。

1.3試驗設計

實驗材料：本次試驗選用的材料是在寒區(qū)工程中被廣泛應用的粉質(zhì)黏土，來自于季節(jié)性凍土區(qū)哈爾濱萬家凍土試驗場。為確保所取土樣的基本物理性質(zhì)能夠符合凍脹試驗要求，在凍脹試驗前進行一系列的常規(guī)土工試驗。測得其各項物理指標見表1。

表1　土的基本物理性質(zhì)指標

該種土的粉粒含量高達82.44%，屬于敏感性凍脹土。通過土工試驗可知，所研究土質(zhì)的塑限值為21.8%，實驗測得的起始凍脹含水率在15.48%～18.75%范圍內(nèi)，這也驗證了黏性土的塑限含水率略大于起始凍脹含水率這一規(guī)律。由于該種土的含鹽量很小，可以忽略鹽分對凍脹性的影響。

實驗器材：根據(jù)《土工試驗規(guī)程》(SL 237-1999)中對凍脹量試驗中所需儀器的要求，本試驗用到的儀器主要有XT5405FSC型土工凍脹試驗箱、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為Data taker85智能數(shù)據(jù)采集器、中國科學院寒區(qū)旱區(qū)研究所研制的熱電阻式溫度傳感器、FXg-81/±30 mm差動式位移傳感器，以及試樣制作時所用到的電子稱、模具、擊實儀、脫模器等。

實驗方案：把土樣制成直徑為10 cm，高為10 cm的圓柱，將7枚溫度傳感器插入間隔1.5 cm的土樣中，將位移傳感器安裝于試樣頂部。在實驗過程中，采用連續(xù)式降溫模式進行試驗，利用數(shù)據(jù)采集儀同時進行溫度和位移數(shù)據(jù)的采集。本實驗溫度邊界條件為-3～-9 ℃，含水率水平19%～23%，干密度范圍值1.50～1.58 g/cm3。當土樣含水率低于塑限時，宏觀上將產(chǎn)生凍縮現(xiàn)象，現(xiàn)以溫度為-6 ℃，含水率為21%(該值貼近且低于塑限值，具有最佳代表性)，干密度為1.54 g/cm3的土樣為例來分析伴隨有凍縮現(xiàn)象的凍脹特性。

2　產(chǎn)生凍縮現(xiàn)象的凍脹特性分析

2.1溫度場特性分析

根據(jù)數(shù)據(jù)采集儀所采集的溫度試驗數(shù)據(jù)繪制圖1。

圖1　連續(xù)式降溫模式土樣隨溫度變化曲線

由圖1可知，連續(xù)式降溫模式溫度場變化曲線呈現(xiàn)出先線性下降后維持穩(wěn)定的趨勢。其溫度場變化可分為兩個階段：第一階段的降溫結晶階段和第二階段的溫度穩(wěn)定階段。在第一階段內(nèi)，土樣各層溫度急劇下降，總體呈現(xiàn)出線性下降趨勢，且每層土樣溫度的下降率大致相同，根據(jù)時間和溫度的比例關系得到其降溫速率平均為0.42 ℃/h。相對中部土層溫度下降率，頂部土層溫度下降率較小，而底部土層溫度下降率較大。在開始降溫的前100～200 min內(nèi)，土樣最頂層溫度較鄰近層溫度下降幅度大，而土樣最底層溫度下降幅度最大，也最為顯著。在該階段初期，土內(nèi)水分在低溫環(huán)境下開始結晶并產(chǎn)生凍脹量，隨著試驗的進行，凍脹量隨時間持續(xù)增大并最終達到峰值。在第二階段內(nèi)，土樣內(nèi)部的各層溫度基本不再發(fā)生變化，溫度維持恒定。土樣各層溫度逐層下降，最頂層溫度最高，最底層溫度最低，且上部各層溫降差大致相同，下部各層溫降差相差較大。

2.2凍縮量特性分析

根據(jù)數(shù)據(jù)采集儀所采集的位移試驗數(shù)據(jù)繪制圖2。

圖2　凍脹量隨時間的變化曲線

由圖2可知，土樣凍脹量產(chǎn)生負值，即凍縮量。凍縮量的值等于產(chǎn)生凍縮情況下凍脹量的絕對值。凍縮量的值要大于熱脹冷縮作用于土體的變化值。產(chǎn)生凍縮量的過程共分為兩個階段：Ⅰ凍縮階段、Ⅱ穩(wěn)定階段。在凍縮階段，即試驗的前1000 min內(nèi)凍縮量成線性比例增大，最大值接近1.5 mm。該階段相對應著溫度場的第一階降溫結晶階段，在此階段內(nèi)由于降溫作用，土樣內(nèi)部水分產(chǎn)生結晶，較低的含水率使冰晶體無法填滿土顆粒之間的空隙，而結晶過程中的膠結作用又使存在空隙的土顆粒之間更加緊密，表現(xiàn)為土顆粒間越發(fā)密實，即凍縮量越來越大。在穩(wěn)定階段，凍縮量曲線基本成水平線型，凍縮量維持在1.4～1.6 mm范圍內(nèi)。該階段對應著溫度場的第二階溫度穩(wěn)定階段，當土樣各層溫度到達穩(wěn)定時，凍縮量也達到了最大值并進入穩(wěn)定階段，此后凍縮量基本保持不變。

2.3水分遷移特性分析

將凍脹后土樣每間隔1.25 cm分為8層，測出每層土樣的含水率，得到含水率沿土樣高度的分布圖，見圖3。

圖3　土樣含水率隨高度的變化曲線

由圖可知，在產(chǎn)生凍縮的情況下，連續(xù)式降溫土體內(nèi)部仍然發(fā)生了水分遷移，含水率值變化范圍不大，在19%～22%范圍內(nèi)波動，表現(xiàn)為土樣上部和底層含水率高于初始含水率，中下部土層含水率低于初始含水率，土層25～35 mm處含水率接近19.5%，達到土樣含水率最低值。根據(jù)含水率分布情況，可以分析得出土樣頂部和底層含水率增加值明顯高于中下部，這與土樣內(nèi)部水分向凍結鋒面遷移以及受重力作用下沉有關。

2.4土樣破壞特性分析

產(chǎn)生凍縮情況的土樣凍脹破壞現(xiàn)象并不顯著，少見較大的裂縫，傾角約為15°的細小裂縫較多且集中分布在土樣5～7 cm處，但這些裂縫的傾向并不能呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。土顆粒間的空隙因膠結作用而收縮變小，使得土顆粒間更加緊密?？煞治龅贸鲞@些裂縫正是因此過程中土顆粒受到拉應力作用而形成。

3　結　論

在土體凍脹過程中，當土內(nèi)含水率較低且含水率低于塑限一定程度時，往往會出現(xiàn)凍縮現(xiàn)象，從而使得土體出現(xiàn)不脹反縮的情況，表現(xiàn)為負凍脹量。凍縮現(xiàn)象的存在，證明了并非所有土體凍結作用都會引起土體體積的增大。凍脹是季節(jié)性凍土地區(qū)常見的凍害表現(xiàn)形式，凍脹破壞也是工程中一類不可忽視的問題，往往決定著工程能否正常安全運行。掌握土體凍縮情況下的凍脹特性有助于解決季節(jié)性凍土地區(qū)的許多工程凍害問題。在未來，季節(jié)性凍土領域的研究有其廣闊的理論空間和應用前景。

[1]曲祥民，張洪雨.工程凍土概論[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2005.

[2]唐益群．人工凍結作用下淤泥質(zhì)黏土凍脹特性試驗研究[J]．巖土工程學報,2009，31(5)：772-776．

[3]童長江，管楓年.土的凍脹與建筑物凍害防治[M].北京：水利水電出版社，1985.

[4]ZHAO Huixin,ZHONG Jing,WANG Zhengjun.Experimental study on the influence of different cooling rate to frost heave of silty clay[J].Advanced Materials Research,2014(4):136-140.

[5]ZHAO Huixin,WU Zhiqin,LI Zhaoyu.Experimental Study on Frost heave of Silty Clay in Seasonally Frost Soil Regions[J].Procedia Engineering,2012(28):282-286.

The frozen heave characteristics analysis of silty clay in frozen shrinkage phenomenon

WANG Zefu1,ZHOU Hongfei2

(1.HeilongjiangFarm856WaterBureau，MiShan158300,China；2.HeilongjiangXiangShengProvinceWaterScience&TechnologyDevelopmentCo.,Ltd，Harbin150080,China)

Frozen soil is a kind of special type of soil, it’s sensitive to temperature and quite unstable. In seasonal permafrost region, the fluctuations of temperature will cause a large degree of influence on frozen heaving characteristics. This paper selects the highly frozen heave sensitive silty clay of the seasonal frozen soil region and does the frozen heaving characteristic test, research on the occurrence of frozen shrinkage phenomenon and the frozen heaving characteristic of frozen shrinkage phenomenon. The results prove that when the soil moisture content is low, the volume of water crystallize into ice is not enough to fill the porosity of the soil completely, cause the phenomenon of soil volume reduction. At the same time, the emergence of the phenomenon of frozen shrinking makes the soil temperature field a mutation, the soil moisture occurs crystallization, corresponding change in moisture content with soil inside moisture migration, frozen heave is negative, frozen heaving performance is relatively weak.

silty clay; frozen heave; frozen shrinkage; moisture migration

王澤福(1965-)，男，工程師，主要從事農(nóng)田水利技術工作。

P642.14

A

2096-0506(2016)03-0012-03