多因素影響下砒砂巖的融沉特性試驗研究

張 強, 李曉麗, 劉李杰, 解衛(wèi)東

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

多因素影響下砒砂巖的融沉特性試驗研究

張 強, 李曉麗, 劉李杰, 解衛(wèi)東

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

[目的] 探究融沉作用對砒砂巖結(jié)構(gòu)改變，揭示砒砂巖凍融侵蝕機理。[方法] 使用高低溫交變濕熱試驗箱H/GDWJS-100L對砒砂巖進行不同含水率、不同凍結(jié)溫度、不同干密度下的凍融試驗。[結(jié)果] 含水率低于11%的砒砂巖，凍脹量隨著含水率的變化較小，含水率大于11%后凍脹量隨著含水率的增加變化顯著；在融化的過程中，砒砂巖存在起始融沉含水率在13%附近，當(dāng)含水率大于起始融沉含水率發(fā)生融沉，否則發(fā)生融脹；砒砂巖融化時最大位移變化量與干密度有關(guān)，干密度1.80 g/cm3對應(yīng)試件的最大位移變化量最??；相同含水率、干密度條件下的砒砂巖融化時的最大位移變化量，隨著凍結(jié)溫度的降低而增大。[結(jié)論] 凍融過程中砒砂巖的位移變化引起顆粒間的重新排列，使其孔隙特征發(fā)生變化，從而導(dǎo)致砒砂巖結(jié)構(gòu)的改變。

砒砂巖; 融沉量; 含水率; 凍結(jié)溫度; 干密度

文獻參數(shù)： 張強, 李曉麗, 劉李杰, 等.多因素影響下砒砂巖的融沉特性試驗研究[J].水土保持通報，2017,37(1)：045-050.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.008； Zhang Qiang, Li Xiaoli, Liu Jie, et al. Experimental study on thawing settlement performance of feldspathic standstone subjected to various factors[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：045-050.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.008

砒砂巖是指發(fā)育在砒砂巖母質(zhì)上的坡地栗鈣土類的各種土壤，其母質(zhì)主要為白堊、侏羅系砂巖、砂礫巖風(fēng)化物，結(jié)構(gòu)松散，膠結(jié)力差，易被水侵蝕，土壤質(zhì)地為砂壤土，保肥保水能力較差，易受干旱[1]。內(nèi)蒙古砒砂巖地區(qū)位于東勝至準(zhǔn)格爾旗一帶，該區(qū)域地表存在大量風(fēng)沙、碎石、巖屑，雜色紫色巖大量出露，水土流失極其嚴(yán)重，使得砒砂巖區(qū)成為黃河主要粗沙來源地之一[2]。近年來砒砂巖侵蝕及治理研究已經(jīng)成為國內(nèi)研究的熱點問題之一，國內(nèi)許多學(xué)者從不同方面對砒砂巖易于侵蝕的內(nèi)在原因開展研究[3-8]。由于內(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“融化”現(xiàn)象，冰融化成水，而留下的大孔隙又不能恢復(fù)成凍結(jié)前的細(xì)小孔隙。晚間溫度快速下降產(chǎn)生“凍結(jié)”，由于土體孔隙中的水變成冰，并在土體中形成各種結(jié)構(gòu)，土顆粒發(fā)生位移，土體凍脹。晝夜“融化”和“凍結(jié)”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(fēng)化過程，地層因凍融而發(fā)生結(jié)構(gòu)上的變異[9]。

雖然凍融對土的物理性質(zhì)、水理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)的影響已有詳細(xì)的描述[10-13]。朱元林等[13]得到了凍土地基在保持凍結(jié)狀態(tài)下的沉降計算指標(biāo)和方法；何平等[14]、元喜忠[15]分別研究了土質(zhì)因素及其他水熱狀況對融沉和融沉系數(shù)的影響；針對土體的融沉特性[16-17]、融沉計算模型[18-19]也取得了較好的應(yīng)用效果。但由于砒砂巖獨特的性質(zhì)，已有理論都不能很好反映其凍融機理。又由于凍融作用主要取決于3大因素：土質(zhì)(含水量、密度、分散度等)、外界條件(溫度、壓力等)及凍融歷時，因此本文在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗，選擇干密度、含水率和凍結(jié)溫度多因素作用下，開展砒砂巖凍融性能試驗，以期揭示融沉作用對砒砂巖結(jié)構(gòu)改變，進而更深入探究砒砂巖凍融侵蝕機理。

1 材料與方法

1.1 砒砂巖物性指標(biāo)

本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

1.2 試件制備

土樣制備滿足GB/T50 123—1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》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，其干密度誤差不大于±0.01 g/cm3，含水率誤差不大于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(shè)置2個重復(fù)。

1.3 試驗方案

為系統(tǒng)全面的研究含水率、干密度、凍結(jié)溫度對砒砂巖凍融的影響，本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，以試樣的飽和含水率16%為含水率上限，以1%的幅度遞增。凍結(jié)溫度的考慮：由于在凍結(jié)溫度高于土體的凍結(jié)溫度時，土體不發(fā)生凍結(jié)。因此，本文在選取凍結(jié)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凍結(jié)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，-20 ℃4個不同的溫度凍結(jié)，采用20 ℃進行融化。干密度的取值：以自然干密度1.74 g/cm3為下限，標(biāo)準(zhǔn)擊實的最大干密度1.85 g/cm3為干密度為上限，中間插入1.77，1.80 g/cm3。具體試驗方案見表2，剩余3個干密度重復(fù)上述試驗。

表2 測試土樣的物理性質(zhì)參數(shù)和試驗方案

1.4 試驗方法

試驗在高低溫交變濕熱試驗箱H/GDWJS-100L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(fēng)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(dāng)監(jiān)測到凍脹穩(wěn)定時，停止凍結(jié)，然后改變箱體溫度，在20 ℃進行融化，當(dāng)監(jiān)測到變形停止時，停止融化，完成一次凍融過程，觀察各因素對砒砂巖凍融的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率對砒砂巖凍脹量的影響

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)(如圖1所示)，當(dāng)干密度為1.77 g /cm3凍結(jié)溫度為-20 ℃時，含水率以11%為界限，當(dāng)含水率低于11%時凍脹率很小，凍脹量最大值在0.11 mm范圍內(nèi)，隨含水率減小凍脹愈不明顯，最大凍脹都在0.02～0.04 mm。當(dāng)含水率達(dá)到12%時，發(fā)生凍脹的最值增加至0.43 mm，然后隨含水率增加凍脹量增加顯著，當(dāng)含水量到16%，其最大凍脹量為1.88 mm。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：在干密度以及凍結(jié)溫度不變的條件下，當(dāng)含水率很小時，試件中有足夠的孔隙去承擔(dān)水份凍結(jié)膨脹引起的體積變化，所以在含水率較小的情況下試件的凍脹量很??；隨著含水率的增大，沒有改變試件的密度情況下卻使試件的飽和度增加，在這種情況下水分凍結(jié)膨脹引起的體積變化對試件的影響增大，隨著含水率的增大這種影響也越來越大，相應(yīng)的凍脹量隨著含水率的增大而增大。

相同降溫速率下，隨含水率增加達(dá)到凍脹最值的歷時逐漸增大，當(dāng)含水率11%以下，1.5 h凍脹趨于穩(wěn)定，16%時2.5 h穩(wěn)定，3.25 h后所有的凍脹結(jié)束，凍脹量保持不變。

圖1 凍脹量隨時間變化關(guān)系

2.2 含水率對砒砂巖融化過程中位移的影響

將試件繼續(xù)凍結(jié)至7 h，使其凍脹量達(dá)到充分穩(wěn)定后，將試件在20 ℃下融化。含水率是影響砒砂巖融沉性的重要指標(biāo)。圖2表示的為本次試驗過程中凍結(jié)溫度分別為-5，-10，-15，-20 ℃時的砒砂巖融化過程中最大位移變化量(試件融化前后高度差)與含水率關(guān)系曲線。

從圖2可以看出，雖然凍結(jié)溫度、干密度不同，但均在13%含水率附近，發(fā)生融脹和融沉的轉(zhuǎn)變：含水率低于13%時砒砂巖在融化過程中發(fā)生膨脹現(xiàn)象，當(dāng)含水率高于13%時砒砂巖在融化過程中發(fā)生沉降現(xiàn)象。由此可知并非所有含水率的砒砂巖在融化過程中都產(chǎn)生融沉，只有當(dāng)砒砂巖含水率增長到某一界限后才發(fā)生融沉現(xiàn)象。較小含水率的試件發(fā)生膨脹的原因是在一定含水量范圍內(nèi)，凍結(jié)過程中試樣內(nèi)只有孔隙冰而沒有結(jié)構(gòu)冰，水變成冰對試件體積影響較弱，故土中冰融化不會導(dǎo)致融沉，相反還會因試樣內(nèi)部土顆粒及其集合體熱脹而使其體積略有增大，從而產(chǎn)生融脹；而發(fā)生沉降的原因是土體融化過程中冰變成水體積變小，在土的自重下而進一步下沉。在這里將發(fā)生膨脹現(xiàn)象向發(fā)生沉降現(xiàn)象過渡的含水率稱為砒砂巖的起始融沉含水率。

將融化過程中最大位移變化量與含水率關(guān)系進行擬合，得出表3凍結(jié)溫度為-5 ℃時，4個干密度融化過程中最大位移變化量與含水率關(guān)系式。求得最大位移變化量為零時試件的含水量即為該土的起始融沉含水量，即η=0時4個干密度在凍結(jié)溫度為-5 ℃時的起始融沉含水率表3所示。結(jié)合其他3個凍結(jié)溫度所得的數(shù)據(jù)分析亦可得出：砒砂巖的起始融沉含水率在均在13%左右，基本上保持定值。

圖2 融化過程中最大位移變化量與含水率關(guān)系

干密度/(g·cm-3)二者關(guān)系式相關(guān)系數(shù)起始融沉含水率/%1.74η=-0.0310ω2+0.6235ω-2.87950.995512.931.77η=-0.0204ω2+0.3959ω-1.60380.959913.651.8η=-0.0155ω2+0.3014ω-1.25490.943113.401.85η=-0.0225ω2+0.1062ω-1.48850.906912.94

2.3 干密度對砒砂巖融化過程中位移的影響

在含水率以及凍結(jié)溫度一定時，干密度是影響砒砂巖融沉性的另一重要指標(biāo)。以含水率為8%，10%，12%，14%，16%為例，當(dāng)凍結(jié)溫度分別為-5,-10,-15,-20 ℃時，砒砂巖融化過程中最大位移變化量與干密度的關(guān)系曲線如圖3所示。

由圖3可以看出干密度從1.74 g/cm3變化到1.85 g/cm3時，砒砂巖最大位移變化量大致呈先減小后增大趨勢，干密度為1.80 g/cm3時試件的最大位移變化量最小。將融化過程中位移變化量的轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的干密度稱為臨界干密度，則砒砂巖的臨界干密度為1.80 g/cm3。當(dāng)試驗所取的干密度小于臨界干密度時，試件中土顆粒之間的孔隙比較大，砒砂巖試件經(jīng)過凍融后的最大位移變化量是由融化時土體自重引起的試件中孔隙減小，因此干密度較小時試件的融沉量相對較大。當(dāng)試驗所取得干密度大于臨界干密度時，試件中孔隙率變小，融化時試件的自重對試件最大位移變化量的影響減弱，此時試件的飽和度卻隨著干密度的增大而增大。對于同一含水率的試件，干密度較小的試件在凍結(jié)時，土體中有足夠的空間容納固態(tài)冰的自由膨脹，不會破壞土顆粒之間的連接；干密度較大時，凍結(jié)時土體中的孔隙不能滿足固態(tài)冰的自由膨脹致使土體顆粒間連接作用產(chǎn)生破壞，使試件的凍脹量增大，相應(yīng)的融化時位移變化量的增大。

2.4 凍結(jié)溫度對砒砂巖融化過程中位移的影響

圖4給出了4個干密度下砒砂巖在融化過程中最大位移與凍結(jié)溫度的關(guān)系曲線。由圖4中可以看出，隨著凍結(jié)溫度的降低融化時試件的最大位移變化量也增大。由于本次試驗采用的是封閉系統(tǒng)(即無補水)、自由凍結(jié)，所以在試驗過程中發(fā)生凍脹的主要原因是水凍結(jié)成冰時的體積變化。凍結(jié)溫度較低時，土體發(fā)生凍結(jié)的過程中并非所有的水都發(fā)生凍結(jié)，只是一部分水發(fā)生凍結(jié)，仍存在一部分未凍結(jié)的水。隨著凍結(jié)溫度降低土體中的未凍結(jié)的水越少，發(fā)生凍結(jié)的水量就越多，這個過程中水結(jié)成冰引起的體積變化量就越大，從而試件的凍脹量就越大，相應(yīng)的融化時試件的位移變化量就越大。

圖3 融化過程中最大位移變化量與干密度的關(guān)系

圖4 融化過程中最大位移變化量與凍結(jié)溫度的關(guān)系

3 討論與結(jié)論

(1) 凍結(jié)時，凍脹量與含水率有關(guān)，當(dāng)含水率小于11%時，凍脹量隨著含水率的增大凍脹量變化不明顯，最大值僅為0.43 mm，當(dāng)含水率大于11%時隨著含水率的增加凍脹量變化越來越明顯，最大值可達(dá)1.88 mm。

(2) 砒砂巖結(jié)構(gòu)性雖強，具有堅硬的巖性特征，但水對其作用極其敏感。在融解的過程中并非所有含水率的砒砂巖試件都發(fā)生融沉，低含水率下產(chǎn)生融脹，高含水率則發(fā)生融沉。在這里將發(fā)生融脹現(xiàn)象向發(fā)生融沉現(xiàn)象過渡的含水率稱為砒砂巖的起始融沉含水率，將最大位移變化量與含水率關(guān)系進行擬合，得出砒砂巖的起始融沉含水率均在13%左右，基本上保持定值。

(3) 反復(fù)凍融的過程必然伴隨砒砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不斷變化，同時砒砂巖在成巖的過程中，各處的密度并不完全相同，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)不同干密度的砒砂巖融解過程中的位移變化也不盡相同。砒砂巖試件融解時最大位移變化量與臨界干密度有關(guān)，試驗所測砒砂巖的臨界干密度為1.80 g/cm3，當(dāng)試驗所取干密度小于臨界干密度時，最大位移變化量隨干密度增大而減小；大于臨界干密度時，最大位移變化量隨干密度增大而增大。

(4) 砒砂巖土體發(fā)生凍結(jié)時，并非所有土中水分都凍結(jié)，而是存在一部分未凍水，凍結(jié)溫度越低，未凍水含量越少，發(fā)生凍結(jié)的水量越多，凍脹越強烈，相應(yīng)的融解時試件的位移變化量就越大。對于同一含水率、干密度條件下的砒砂巖試件融化時的最大位移變化量隨著凍結(jié)溫度的降低而增大。

總之凍融作用會引起砒砂巖顆粒間的重新排列，使得砒砂巖土體的孔隙特征發(fā)生變化；而孔隙的變化必然導(dǎo)致巖土體骨架特征發(fā)生相應(yīng)變化，使傳力結(jié)構(gòu)的體系發(fā)生內(nèi)部位移，因此凍融循環(huán)作為一種溫度變化的具體形式，可以被理解為一種特殊的強風(fēng)化作用，對砒砂巖的結(jié)構(gòu)有著強烈的影響。

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Experimental Study on Thawing Settlement Performance of Feldspathic Standstone Subjected to Various Factors

ZHANG Qiang, LI Xiaoli, LIU Jie, JIE Weidong

(CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot,InnerMongolia010018,China)

[Objective] In order to reveal the structural change of feldspathic sandstone caused by thaw collapse, the mechanism of the freezing and thawing erosion of feldspathic sandstone was discussed. [Methods] Freezing-thawing tests were conducted using high-low temperature heat chamber H/GDWJS-100L with different moisture content, different freezing temperature and different dry densities. [Results] The amount of frost heave changed slightly when the moisture content of feldspathic sandstone was below 11%, while it increased significantly when the moisture content was over 11%. In the process of thawing, the initial thawing settlement moisture content was about 13%. When the moisture content was higher than 13%, thaw settlement occurred, otherwise, frost heave occurred. The maximum displacement of the feldspathic sandstone was closely related to dry density, the variation of maximal displacement was the least when dry density was 1.80 g/cm3. With the same moisture content and dry density, the maximum displacement of the feldspathic sandstone during melting increased with the decrease of temperature. [Conclusion] In the process of freezing-thawing, the displacement of feldspathic sandstone can cause the rearrangement of particles and the change of the pore characteristic, resulting in the structure change of feldspathic sandstone.

feldspathic sandstone; thaw settlement amount; moisture content; freezing temperature; dry density

2016-01-20

2016-07-20

國家自然科學(xué)基金項目“鄂爾多斯丘陵區(qū)砒砂巖風(fēng)—凍融復(fù)合侵蝕力學(xué)機理研究”(41261070)，“鄂爾多斯丘陵區(qū)砒砂巖水蝕動力學(xué)機理研究”(41561061); 教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃“寒旱區(qū)水文過程與環(huán)境生態(tài)效應(yīng)”(IRT13069)

張強(1989—),男(漢族),河北省張家口市人,碩士研究生,研究方向為巖土環(huán)境力學(xué)研究。E-mail:494779468@qq.com。

李曉麗(1969—),女(漢族),內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市人,博士,教授,主要從事巖土環(huán)境工程及結(jié)構(gòu)工程方面研究。E-mail:nd-lxl@163.com。

A

1000-288X(2017)01-0045-06

S157, TU44