凍融作用下地基土水分遷移試驗(yàn)研究

徐 爽 郭 穎,2

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.東北林業(yè)大學(xué)工程咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

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凍融作用下地基土水分遷移試驗(yàn)研究

徐 爽1郭 穎1,2*

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.東北林業(yè)大學(xué)工程咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

為研究季節(jié)性凍融區(qū)地基土水分遷移的規(guī)律，對不同初始含水量以及溫度梯度作用下的重塑土進(jìn)行了凍融試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著初始含水量的增加，土樣水分遷移更加明顯；溫度梯度越大，土樣凍結(jié)速率越大，水分聚集層越靠近暖端。

地基土，凍融試驗(yàn)，水分遷移，含水量，溫度梯度

0 引言

凍土廣泛分布于我國中高緯度帶和高海拔地區(qū)，其中多年凍土主要集中在青藏高原以及大小興安嶺，季節(jié)性凍土則遍布緯度高于24°的地區(qū)[1]。上述很多地區(qū)冬季長時(shí)間處于負(fù)溫狀態(tài)，導(dǎo)致各類地基土由地表向下部深處漸漸凍結(jié)，引起土中水分發(fā)生遷移以及土體凍脹。等到了春季氣溫回升之時(shí)，表層凍結(jié)土體開始融化，由于上部土體的融化較慢，而凍結(jié)滯水的融化又無法及時(shí)蒸發(fā)或向下透過冰層，所以造成了上部土體含水率的劇增，繼而引發(fā)道路典型的翻漿冒泥等一系列病害。

目前，國內(nèi)已有許多學(xué)者開展有關(guān)土中水分遷移的研究，也取得了一些成果。高玉佳等[2]通過對野外不同深度土層地溫和水分變化的研究，發(fā)現(xiàn)溫度對水分遷移具有重要影響。張婷等[3]以江蘇南部典型表層土為研究對象，研究了不同含水率、壓實(shí)度和凍結(jié)時(shí)間對人工凍土的影響。許健等[4]指出溫度對水分遷移影響較小，而溫度梯度是誘發(fā)水分遷移的重要因素。石群等[5]在對羅布泊天然鹽漬土開張多次凍融循環(huán)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，探究了水鹽變化規(guī)律。針對凍土水分遷移的研究集中在東北三省、青藏高原、中國西北干旱地區(qū)以及部分沿海區(qū)域，但很少有涉及內(nèi)蒙古東部地區(qū)鹽漬土的研究。內(nèi)蒙東部夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，是典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。而季節(jié)性的凍融使該地區(qū)大片土地鹽漬化。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，多條高等級公路在這里新建，因此對當(dāng)?shù)丶竟?jié)性凍土的研究變得很有必要。本文通過改變含水率以及溫度梯度對呼倫貝爾市典型鹽漬土進(jìn)行了室內(nèi)重塑土的水分遷移試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

1.1 試驗(yàn)用土

實(shí)驗(yàn)用土取自內(nèi)蒙古呼倫貝爾市一條在建公路某處地基表層，為鹽漬土，主要鹽類成分為碳酸鹽和氯化鹽，顏色為灰褐色。根據(jù)JTG E40—2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程，對其進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)得到該鹽漬土為粉質(zhì)黏土，最大干密度為1.86 g/cm3，最佳含水率為17.04%，塑限為11.68%，液限為28.14%。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)已有的大量研究，同種土凍融過程中的水分遷移主要由含水率的大小和溫度梯度這兩個(gè)外因引起，所以本文著重通過對上面兩因素的單一變化來進(jìn)行試驗(yàn)探究。

首先，將試驗(yàn)用的土樣放入烘箱內(nèi)盡可能達(dá)到充分烘干，然后取小部分烘干過的土測試殘留的含水率，并將剩余烘干后的土樣碾碎成細(xì)顆粒，用2 mm的篩孔進(jìn)行篩分，加入一定的水配置為幾份不同質(zhì)量含水率的土樣，蓋上保鮮膜靜置48 h，使配置好的土樣含水率均勻。燜料結(jié)束后，將土樣倒入高為38 cm，內(nèi)徑為10 cm的模具中，拂平土樣的表面，通過靜壓力壓實(shí)成高為20 cm的土柱，土柱直徑和模具內(nèi)徑相同。緊接著，用脫土器把土柱從模具中脫出，然后把土柱輕輕放入內(nèi)壁涂有凡士林的有機(jī)玻璃管內(nèi)。該有機(jī)玻璃管內(nèi)徑為10 cm，外徑為11 cm，高24 cm，管壁厚0.5 cm，置于一塊底板上，使土柱放入玻璃管時(shí)與底板接觸。此外，玻璃管側(cè)面和底板外面由一定厚度的保溫、隔水性能良好的材料包裹，保證試驗(yàn)時(shí)土柱只能由上往下單向凍結(jié)。土柱放入管內(nèi)之后，將整個(gè)裝置放入凍融試驗(yàn)箱內(nèi)，凍融試驗(yàn)箱具有控制正負(fù)溫的功能，保證試樣在恒定溫度下試驗(yàn)。之后，調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱內(nèi)溫度，使試樣在某一負(fù)溫下進(jìn)行72 h的單向凍結(jié)。待凍結(jié)時(shí)間一到，馬上將試驗(yàn)箱溫度調(diào)到某一正值，對土柱進(jìn)行融化，融化過程持續(xù)4 h。融化結(jié)束之后，馬上打開試驗(yàn)箱，將土柱從玻璃管內(nèi)取出，沿高度方向?qū)⑼林骄殖?0層，其中最上面的記為第1層，最底下的記為第10層。取每層中心土樣放入鋁盒中，用烘干法測試凍融結(jié)束后土柱豎直方向上含水率的變化。試驗(yàn)共對5個(gè)試件進(jìn)行了不同因素條件下的研究，試件試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 試件試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 初始含水量對水分遷移的影響

圖1～圖3分別為試件1、試件2、試件3在凍融結(jié)束后剖面上水分含量分布圖。可以看出，各個(gè)土樣在凍融后都出現(xiàn)上部水分增大，而下部水分減少的現(xiàn)象，各條曲線具有相似的規(guī)律。其中，在試件頂端出現(xiàn)一個(gè)含水量較大值，分析原因，可能是因?yàn)樵囼?yàn)剛開始時(shí)土樣頂端溫度較高，接近于室溫，而要降到土凍結(jié)點(diǎn)需要較長時(shí)間，使得下層土的水分大量遷移到頂層。另外，每個(gè)試件凍融之后都存在一個(gè)含水量極大的區(qū)域，該區(qū)域都集中在土柱第6層附近，而且該數(shù)值較各個(gè)試件初始含水量的增加值隨著初始含水量的增大而增大。1號試件該最大值比初始含水量增加了3.69%，2號試件增加了4.51%，3號試件增加了5.55%。考慮到試驗(yàn)融化時(shí)間較短，該水分極大層是處在試驗(yàn)最終的凍結(jié)鋒面附近。隨著土柱初始含水量的增大，土體凍結(jié)時(shí)就需要釋放出更多的熱量，這無疑會減緩凍結(jié)的速率，但與此同時(shí)，含水量的增加使得土體導(dǎo)熱系數(shù)增大，土柱凍結(jié)速率會加快，兩者此消彼長，相互制約，使得3個(gè)試件凍結(jié)鋒面幾乎在同一位置。最后，從曲線總體來看，初始含水量越高的試件水分遷移發(fā)生得越劇烈，遷移范圍越廣，比如1號試件第10層含水量減少了4.68%，2號試件該層減少了5.32%，而3號試件則減少了5.92%。

2.2 溫度梯度對水分遷移的影響

在試驗(yàn)土柱暖端溫度恒定的情況下，冷端溫度的降低使土的溫度梯度和凍結(jié)速率增大，從凍融結(jié)束后的試件中能夠明顯看到許多裂紋，這些裂紋是由水分遷移聚集后凍結(jié)形成的分凝冰留下的，而隨著冷端溫度的降低，裂縫在試件中出現(xiàn)的范圍更廣，數(shù)量更多。圖4，圖5分別為試件4、試件5凍融之后含水率的分布，從圖1，圖4，圖5中可以看出，在相同初始含水量，相同干密度的情況下，隨著冷端溫度越低，土柱凍結(jié)過程中水分遷移量減少，頂端含水量較大層的含水量增加值減少，而含水率極大值出現(xiàn)的位置則更加靠近暖端，但該數(shù)值的增加值幾乎相同，比如4號試件增加值為3.51%，5號試件為3.54%，兩者和1號試件的3.69%比較接近。上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是由于冷端溫度的降低使得土體凍結(jié)速率增大，使得頂端土體更快凍結(jié)，于是下層土中的水不能充分地向冷端遷移，同樣的情況也都發(fā)生在接下來的幾層土中，最終造成土柱整體水分遷移量減少，凍結(jié)鋒面明顯下移，故冷端溫度的降低會對土體水分遷移造成阻礙。

3 結(jié)語

通過對不同初始含水率、不同試驗(yàn)溫度的土樣進(jìn)行水分遷移試驗(yàn)，探究分析了其中的規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：相同干密度，不同含水量的土樣，在控制相同凍融溫度的條件下，初始含水量高的土，其水分遷移現(xiàn)象越明顯，遷移量越大，凍結(jié)鋒面處的含水量增加值越大；相同干密度，相同含水率的土樣，在控制不同冷端溫度的條件下，水分遷移的量隨著冷端溫度的降低而減小，但凍結(jié)速率變大，凍結(jié)鋒面向暖端偏移。

[1] 徐學(xué)祖.土體凍脹和鹽脹機(jī)理[M].北京：科學(xué)出版社，1995.

[2] 高玉佳，王 清，陳慧娥,等.溫度對季節(jié)性凍土水分遷移的影響研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010，18(5):698-702.

[3] 張 婷，楊 平.土體單向凍結(jié)對土中水分遷移的影響[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，37(1):117-121.

[4] 許 健，牛富俊，牛永紅，等.凍結(jié)過程路基土體水分遷移特征分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，36(4):150-158.

[5] 石 群，張遠(yuǎn)芳，李 炎，等.羅布泊天然鹽漬土凍融循環(huán)條件下水鹽遷移規(guī)律[J].工程勘察，2016(4)：1-4，10.

Experimental study on soil moisture transfer under freezing and thawing

Xu Shuang1Guo Ying1,2*

(1.SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China; 2.ConsultingandDesignInstitute,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study the law of soil moisture transfer in the seasonal freezing and thawing area, the freezing and thawing tests were carried out on the reconstituted soil under different initial water content and temperature gradient. The results show that: with the increase of initial water content, soil moisture transfer is more obvious, the greater the temperature gradient, the greater the soil sample freezing rate, more closer the water collection layer approach to the warm port.

foundation soil, freezing and thawing test, moisture transference, water content, temperature gradient

1009-6825(2016)24-0056-02

2016-06-14

徐 爽(1992- )，男，在讀碩士

郭 穎(1971- )，女，博士，教授級高級工程師

TU448

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