多因素耦合作用下砒砂巖凍脹性能試驗

劉李杰， 白 英， 李曉麗， 于際偉

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 水利與土木建筑工程學院， 呼和浩特 010018)

?

多因素耦合作用下砒砂巖凍脹性能試驗

劉李杰， 白 英， 李曉麗， 于際偉

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 水利與土木建筑工程學院， 呼和浩特 010018)

為研究含水率、溫度、干密度與砒砂巖凍脹率的關系，針對內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準格爾旗砒砂巖進行不同含水率、不同溫度、不同干密度下多因素耦合凍脹試驗. 研究結(jié)果表明：砒砂巖含水率在11%以下時，幾乎不發(fā)生凍脹；含水率為12%～16%時，凍脹率隨含水率增加呈線性增大；凍脹率隨干密度的增大而增大，當冷端溫度達到-20 ℃時，表現(xiàn)異常；凍脹率隨冷端溫度的降低而增大，但干密度為1.85 g/cm3的試件，凍脹率隨冷端溫度的降低凍脹率有減小態(tài)勢. 運用spss軟件對試驗數(shù)據(jù)進行多元非線性回歸，確定了含水率、干密度、冷端溫度多因素耦合作用下凍脹率的回歸方程.

脹凍率；含水率；冷端溫度；干密度

砒砂巖主要分布在陜西省府谷縣至內(nèi)蒙古準格爾旗薛家灣一帶. 內(nèi)蒙古砒砂巖區(qū)屬典型的溫帶大陸性氣候，四季分明. 在冬春兩季，白天在太陽輻射照耀下溫度迅速升高，產(chǎn)生“融解”現(xiàn)象，晚間溫度快速下降產(chǎn)生“凍結(jié)”現(xiàn)象，晝夜“融解”和“凍結(jié)”交替. 砒砂巖土壤晝夜脹縮交替，“水”、“冰”相變頻繁，使得土壤結(jié)構(gòu)更加松散，膠結(jié)力變差，加劇砒砂巖的風化，地表土層因凍融而發(fā)生結(jié)構(gòu)上的變異，相應地砒砂巖發(fā)生了凍融侵蝕. 科研工作者從不同方面對砒砂巖易于侵蝕的內(nèi)在原因開展了許多研究[1-5]，而且關于凍融作用對土的物理性質(zhì)、水理性質(zhì)和力學性質(zhì)的影響已有詳細的描述[6-9]，然而目前關于砒砂巖凍融侵蝕的研究所見甚少. 為此本試驗地選在內(nèi)蒙古南部鄂爾多斯市準格爾旗，東經(jīng)111°12′00″～111°14′40″，北緯40°18′40″～40°23′00″，開展多因素作用下砒砂巖凍脹性能試驗研究. 凍結(jié)溫度條件是影響凍脹行為以及凍脹后土結(jié)構(gòu)變化的一個重要因素，凍結(jié)溫度條件不同，即使是同一初始狀態(tài)(干容重、含水率相同)、同一土類的土樣，其凍融過程的成冰方式、水分遷移量、未凍水含量以及凍脹特性等都是不相同的；土體干密度是衡量凍脹試驗中發(fā)生凍脹量大小及其凍融機理的一個重要因素，目前許多試驗都表明土體的凍脹性、融沉性以及凍融后土物理性質(zhì)的變化，與土的干密度之間存在良好的關系[10]；已有工程實踐證明，并非所有的含水土體都產(chǎn)生凍脹,只有當土中水分達到一定界限后才會發(fā)生凍脹現(xiàn)象，這個含水率被稱為土的起始凍脹含水率. 本文研究冷端溫度、干密度和含水率三者與砒砂巖凍脹率的關系，以期揭示凍脹作用對砒砂巖侵蝕的機理.

1 土的物性和試件制備

試驗研究的砒砂巖粒徑組成見表1，液塑限分別為29.3%和19.6%.

表1 砒砂巖的粒徑組成

試件制備：重塑土樣制備滿足GB/T50123—1999《土工試驗方法標準》規(guī)定，將砒砂巖烘干后過篩(篩孔直徑為2 mm)，取篩下足夠土樣放入干燥器. 根據(jù)試樣筒的容積和試驗干密度計算所需干土，再由干土質(zhì)量和含水率計算所需蒸餾水. 利用兩頭壓實法制得直徑為61.8 mm,高度為145 mm的試樣. 凍融試驗的土樣經(jīng)驗算，其干密度與要求干密度之差不大于±0.01 g/cm3,含水率與要求含水率之差不大于0.5%. 試樣的均勻性主要表現(xiàn)在密度和含水率的均勻性上，要求密度和含水率不超過允許差值，以使試驗結(jié)果離散型減小. 每種試驗處理設置兩個重復.

試驗方案：為了系統(tǒng)全面地研究含水率、干密度、冷端溫度對砒砂巖凍脹的影響，試驗采用全面的試驗. 含水率的數(shù)值范圍：采用砒砂巖的天然含水率8%為含水率最小值，制樣機能制得的試件最大含水率16%為含水率上限，以1%的幅度遞增. 冷端溫度的考慮：由于在冷端溫度高于土體的凍結(jié)溫度時土體不發(fā)生凍結(jié)，故在選取冷端溫度范圍時，同時考慮了土中水的凍結(jié)溫度以及要注意幾個冷端溫度要具有一定的間距，以便使試驗結(jié)果具有一定的普遍性和實用性；再綜合考慮試驗地區(qū)的溫度條件，選取-5 、-10 、-15和-20 ℃的凍結(jié)冷端溫度來考察冷端溫度對砒砂巖性質(zhì)的影響. 干密度的取值：以標準擊實的最大干密度1.74 g/cm3為干密度下限，天然干密度1.85 g/cm3為上限，中間插入1.77、1.80 g/cm3兩值. 具體實驗方案見表2，剩余3個干密度重復上述試驗.

表2 測試土樣的物理性質(zhì)參數(shù)和實驗方案

2 凍脹試驗及結(jié)果分析

試驗儀器：在滬升牌高低溫濕熱試驗箱內(nèi)進行，采用封閉系統(tǒng)(即無補水)、自由凍結(jié). 將試件放入表面包裹3 cm厚泡沫保溫材料的不銹鋼筒中，束縛其橫向變形，保證在縱向上發(fā)生凍脹. 試驗箱制冷方式為風冷，在試樣上部覆蓋0.3 mm厚鐵板，在傳遞冷源的同時避免試件含水率的損失. 在鐵板上部安裝精度為0.01 mm的百分表測量其位移，在試件的上部、中部和下部各安裝一個電熱偶反映試件溫度. 將整個試驗裝置固定在固定架上置于試驗箱內(nèi)進行試驗，當監(jiān)測到凍脹停止時，停止凍結(jié).

2.1 含水率對砒砂巖凍脹的影響

凍脹率和含水率關系如圖1所示. 對288個試件進行凍脹試驗后得出：在本試驗研究的含水率范圍內(nèi)，8%～11%含水率的試件，凍脹率幾乎為0; 在冷端溫度和干密度不變的情況下，12%～16%含水率試件的凍脹率隨含水率的增加呈線性增長；以試驗地30a氣象資料為基礎，在-10 ℃持續(xù)的時間較長. 表3給出冷端溫度為-10 ℃時4種干密度的凍脹率和含水率之間的關系式.

表3 凍脹率與含水率的關系

注：ω為含水率.

圖1 凍脹率和含水率關系

已有工程實踐證明，并非所有的含水土體都產(chǎn)生凍脹,只有當土中水分達到一定界限后才會發(fā)生凍脹現(xiàn)象，這個含水率被稱為土的起始凍脹含水率. 而當試樣密度、上部荷重及凍結(jié)溫度等均固定不變時,土體的凍脹量△h將僅是含水率ω的單值函數(shù)，即

所以,在控制其他條件不變僅改變含水率的情況下求出當凍脹量△h=0時的試件含水率,即為該土的起始凍脹含水率. 在試驗中,考慮到試驗條件只能控制在一定精度范圍內(nèi),因此,宜將使凍脹量等于零或接近于零的一個含水率數(shù)值定為該土的起始凍脹含水率[11]. 由上述的4條回歸線，令η=0確定了4個干密度在冷端溫度為-10 ℃時的起始凍脹含水率.

2.2 干密度對砒砂巖凍脹的影響

一般情況下土中孔隙會隨干密度增加而縮小,在不改變土體含水率時卻改變了土體飽和度. 它們之間存在著如下關系[12]：

(1)

式中:ω為土體含水率，%；Sr為飽和度，%；γd為土的干容重，g /cm3；Gs為土顆粒的重度；γω為水的容重，g/cm3.

式(1)表明:在一定含水率條件下，密度較小的土體凍結(jié)時，土中有著充分的孔隙容納固態(tài)冰的自由膨脹，不會影響到土體顆粒之間分離；密度增大時自由水充填孔隙程度增大，土體飽和度增高，因此在單向凍結(jié)溫度場中凍脹性也增大；當土體密度達到某一標準密度時，土顆粒間達到最佳團聚條件，這種狀態(tài)能夠保證提供水分遷移的薄膜結(jié)構(gòu)處于最有利條件，土體凍脹性也達到最大程度.

凍脹率與干密度的關系如圖2所示. 從圖2可以看出：冷端溫度為-20 ℃時，凍脹率隨著干密度的增大而減??；冷端溫度為-15 ℃時，凍脹率隨著干密度的增大而增大，在干密度為1.80 g /cm3處凍脹最大，當干密度繼續(xù)增大到1.85 g /cm3時，凍脹率反而降低到最大值的一半；冷端溫度為-10 ℃時，在干密度為1.74 g /cm3處凍脹率最大，干密度增大到1.77 g /cm3時，凍脹率大幅下跌，之后凍脹率隨著干密度的增大而增大；冷端溫度為-5 ℃時，凍脹率的變化規(guī)律與冷端溫度為-10 ℃時相同. 整體上，凍脹率隨干密度的增大在增大，同時，冷端溫度的不同也影響著凍脹率與干密度之間的關系.

2.3 冷端溫度對砒砂巖凍脹的影響

凍脹率與冷端溫度的關系如圖3所示. 干密度為1.85 g /cm3的試件，溫度較低時，試驗過程中土樣的凍脹率較??；隨著冷端溫度的升高，試件的凍脹率逐漸增大. 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，冷端溫度不同，土樣的凍脹機理是不同的. 冷端溫度較低(-20 ℃)時，在凍結(jié)過程中，土體中的溫度梯度比較大，凍結(jié)速率較快，下部土體中水分也來不及遷移便在快速推進的凍結(jié)鋒面作用下全部凍結(jié)，所以，孔隙水主要發(fā)生原位凍結(jié)(膠結(jié)成冰作用)，同時分凝冰層很細小，分布均勻. 土中能量處于動態(tài)平衡狀態(tài)，凍脹變形停止并在土中形成近似穩(wěn)定的溫度場，孔隙變化不大，其擴大不超過9%(因為有未凍水存在)，凍脹率較小. 隨著溫度的逐漸升高(-15 ℃、-10 ℃、-5 ℃)，土體中的溫度梯度逐漸減小，凍結(jié)速率也逐漸降下來，凍結(jié)鋒面前進的速度較慢，遷移到鋒面附近的水分增多，此時土中水逐漸由原來膠結(jié)成冰作用占主導地位向分凝成冰作用占主導地位過渡，土體中形成一系列相間隔的分凝冰層，分凝冰層逐漸變厚. 冰體積大大超過凍結(jié)前土體中的孔隙，土體凍脹率相應較大. 而干密度為1.80、1.77和1.74 g /cm3的試件，不再符合上面規(guī)律. 干密度為1.80、1.77 g /cm3試件的凍脹率隨冷端溫度的降低逐漸增大，在-15 ℃時凍脹率達到最大，當冷端溫度繼續(xù)降低時，凍脹率反而減小. 1.74 g /cm3試件的凍脹率隨冷端溫度的降低逐漸增大. 而且，在1.74、1.77和1.80 g /cm33個干密度，均在-15 ℃時凍脹率達到最大.

(a)冷端溫度-20 ℃，凍脹率與干密度的關系

(c)冷端溫度-10 ℃，凍脹率與干密度的關系

(b) 冷端溫度-15 ℃，凍脹率與干密度的關系

(d) 冷端溫度-5 ℃，凍脹率與干密度的關系

(a) γ=1.85 g /cm3，凍脹率與冷端溫度的關系

(c) γ=1.77 g/cm3，凍脹率與冷端溫度的關系

(b) γ=1.80 g/cm3，凍脹率與冷端溫度的關系

(d) γ=1.74 g /cm3，凍脹率與冷端溫度的關系

2.4 多因素耦合作用下凍脹率分析

運用spss軟件對實驗所得數(shù)據(jù)進行非線性擬合，得到凍脹率與溫度、含水率及干密度之間的關系如下：

η=-1.024t+1.349ω+5.044γ2-0.002t2+ 0.009ω2+0.56γt-0.797γω-0.003ωt- 16.763.

式中:η為凍脹率，%；ω為土體含水率，%；t為溫度，℃；γ為土的干密度，g /cm3. R2=0.787，修正后的R2=0.763，標準差為0.186，F(xiàn)=32.845.

3 結(jié) 論

1)在試驗范圍內(nèi)，冷端溫度-20 ℃、干密度1.80 g /cm3、含水率為16%的試件凍脹率最大.

2)含水率在11%以下(包含11%)的試件凍脹率不明顯，幾乎為0. 試件凍脹率與含水率呈線性關系，隨著含水率的增加凍脹率增大，粉砂凍脹率是淤泥質(zhì)粘土凍脹率的十分之一,冷端溫度、含水率兩個因素變化對其凍脹率幾乎不產(chǎn)生影響. 而砒砂巖的凍脹率對含水率最為敏感，所以，砒砂巖不是一種單純的粉砂，它也具有一定的黏性.

3)凍脹率整體隨干密度的增大而增大，但也有反常，尤其在冷端溫度為-20 ℃時.

4)干密度為1.85 g/cm3的試件，凍脹率隨冷端溫度的降低凍脹率減小，1.80、1.77和1.74 g/cm3的試件凍脹率整體隨冷端溫度的降低凍脹率增大.

5)運用spss軟件對試驗數(shù)據(jù)進行多元非線性回歸，確定了含水率、干密度、溫度多因素耦合作用下凍脹率的回歸方程為η=-1.024t+1.349ω+5.044γ2-0.002t2+0.009ω2+0.56γt-0.797γω-0.003ωt-16.763.

[1] 王愿昌，吳永紅，寇權(quán)，等. 砒砂巖分布范圍界定與類型區(qū)劃分[J]. 中國水土保持科學,2007,5(1):14-18.

Wang Yuanchang, Wu Yonghong, Kou Quan, et al. Definition of arsenic rock zone borderline and its classification[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2007, 5(1): 14-18. DOI:10.3969/j.issn.1672-3007.2007.01.003.

[2]唐政洪，蔡強國，李忠武，等. 內(nèi)蒙古砒砂巖地區(qū)風蝕、水蝕及重力侵蝕交互作用研究[J]. 水土保持學報,2001,15(2):25-29.

TANG Zhenghong, CAI Qiangguo, LI Zhongwu, et al. Study on Interaction Among Wind Erosion, Hydraulic Erosion and Gravity Erosion in Sediment-Rock Region of Inner Mongolia[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2001, 15(2): 25-29. DOI:10.3321/j.issn:1009-2242.2001.02.007.

[3]葉浩，石建省，王貴玲，等. 砒砂巖化學成分特征對重力侵蝕的影響[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì),2006,36(6):5-8.

YE Hao, SHI Jiansheng, WANG Guiling, et al. Effect of chemical compositions of Pisha sandstone on the gravity erosion[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2006, 33(6): 5-8. DOI:10.3969/j.issn.1000-3665.2006.06.002.

[4]畢慈芬，王富貴. 砒砂巖地區(qū)土壤侵蝕機理研究[J]. 泥沙研究,2008(1):70-73.

BI Cifen, WANG Fugui. Research on soil erosion mechanism in soft rock regions[J]. Journal of Sediment Research, 2008, (1): 70-73. DOI:10.3321/j.issn:0468-155X.2008.01.012.

[5]吳利杰,李新勇,石建省,等. 砒砂巖的微結(jié)構(gòu)定量化特征研究[J]. 地球?qū)W報,2007,28(6):597-602.

WU Lijie, LI Xinyong, SHI Jiansheng, et al. Quantitative Characteristics of the Microstructure of Pisha-sandstone[J]. Acta Geoscientia Sinica,2007,28(6):597-602. DOI:10.3321/j.issn:1006-3021.2007.06.014.

[6] CHAMBERLAIN E J, GOW A J. Effect of freezing and thawing on the permeability and structure of soils[J]. Engineering Geology, 1979, 13 (79) : 73-92.

[7] VIKLANDER P. Permeability and volume changes in till due to cyclic freeze-thaw[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1998, 35 (3) : 471-477.

[8] GRAHAM J， AU V C S. Effects of freeze-thaw and softening on a natural clay at low stresses[J]. Canadian Geotechnical Journal， 1985, 22(1): 69-78.

[9] ELLIOTT R P， THORNTON S I. Resilient modulus and AASHTO pavement design[J]. Transportation research record， 1988， 1196:116-124.

[10]童長江. 我國凍土融化壓縮性研究[J]. 冰川凍土，1988(3):327-331.

Tong Changjiang. Thaw Consolidation of Frozen soils[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 1988, 03: 327-331.

[11]陳金樁. 關于起始凍脹含水率的討論[J]. 冰川凍土，1986(3): 223-226.

Chen Jinzhuang. Discussion on Critical Water Content of Frcst Heave[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 1986, 03: 223-226.

[12]童長江,管楓年.土的凍脹與建筑物凍害防治[M].北京：水利電力出版社，1985.

Tong Changjiang, Guan Fengnian. Frost heave of soil&Prevention of buildings’frost damage[M]. Water conservancy and electric power press, 1985.

(編輯 王小唯 苗秀芝)

Experimental research on the freeze capacity of pisha sandstone under the multifactors

LIU Lijie, BAI Ying, LI Xiaoli, YU Jiwei

(College of Water Conservancy and Civil Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China)

In order to study the relationship between freeze capacity of pisha sandstone and its moisture rate, temperature, and dry density as well, this paper focuses on the multi-factor experiment on different moisture, temperature, and dry density at Zhungeer Banner, Erdos City, Inner Mongolia Autonomous Region. According to the study, it will almost not be frozen, when the moisture rate is below 11%. When it comes between 12% to 16%, the moisture rate will be changed. The freeze rate is increased with the increase of the dry density. It will be performed exceptionally, when the temperature is below -20 centi-degree. The freeze rate is increased with the decrease of the temperature of its cold end portion. However, as for the materials which own 1.85 g/cm3dry density, the freeze rate is in decreasing state with the decrease of the temperature of its cold end portion. By SPSS software on the study of its data with multi-non-linear regression, the regression equations of freeze rate is confirmed under multi-factor among the moisture rate, dry density, and temperature.

freeze rate; moisture rate; the temperature of its cold end portion; dry density

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.11.026

2015-03-26

教育部“創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃”(IRT13069)；國家自然科學基金(41261070)；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金(2012MS0616)作者簡介: 劉李杰(1987—)，男，碩士研究生

白 英，byy90@sohu.com

TU443

A

0367-6234(2016)11-0169-05