琿烏高速公路凍土原狀樣融沉特性試驗研究

覃 宇

(廣西翔路建設有限責任公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

凍土物理學中將溫度為負溫或零度，并且含有冰的各種土統(tǒng)稱為凍土[1]。我國凍土面積約占國土總面積的1/2以上，是世界第三大凍土國。隨著全球氣候變暖，世界各地的凍土資源呈現(xiàn)出退化的趨勢。我國凍土退化現(xiàn)象也極為顯著，東北地區(qū)的多年凍土南界不斷向北推移，地下冰融化形成熱融湖、熱融沉陷；一些地區(qū)的凍脹丘數(shù)量逐年減少，個別甚至消失得不見蹤影。凍土退化伴隨而來的凍土融沉問題，給凍土區(qū)內的交通工程及建筑物安全穩(wěn)定運營帶來了嚴重的影響。

凍土融沉一直是國內外工程界比較關注的問題。前蘇聯(lián)在凍土研究方面貢獻卓越，崔托維奇早在20世紀30年代就開始研究凍土的物理力學性質；戈里什騰對凍土融沉壓縮性進行了研究[2]；舒謝麗娜與崔托維奇一同給出了凍土融化壓縮系數(shù)的確定方法[3]。其它國家的凍土研究也開展得比較早，美國的Virgil.J.Lunardini研究了凍土融化于地面溫度線性變化之間的關系[4]；加拿大的W.G.Brown和G.H.Johnston確定了凍土融沉試驗方法[5]；日本學者T.Ono設計了三軸凍融試驗儀等[6]。我國凍土研究起步相對較晚，中國科學院蘭州冰川凍土研究所從1965年開始，相繼在青海省木里、熱水、將倉、青藏高原風火山、大興安嶺滿歸和黑龍江省大慶等地開展了凍土融化下沉試驗研究。鐵道部第三勘測設計院在大興安嶺地區(qū)、黑龍江省低溫建筑研究所在龍鳳地區(qū)也開展過試驗工作。此外，西北研究所、齊齊哈爾科學技術研究所、牙克石林業(yè)設計研究院、吉林大學、蘭州大學等單位也陸續(xù)開展了房屋、路基、管道、礦山、巷道的凍土地基融化深度的計算、預報以及防治凍土融化的施工等研究，為研究凍土區(qū)的凍土融沉問題奠定了堅實的基礎。

本文依托琿烏高速公路凍土勘察項目，對沿線鉆孔所取原狀樣進行凍土融沉壓縮試驗，通過對試驗結果的分析，掌握凍土原狀樣的融沉特性，對琿烏高速公路沿線的地基土做出危險性評價。

1 試驗概況

凍土融沉壓縮試驗可分為室內試驗與原位測試兩種。本文采用的是室內試驗方法，試驗土樣來自中俄原油管道二期工程沿線的凍土勘察鉆探取樣。

1.1 土樣制備

將凍土原狀樣在低溫實驗室中，用環(huán)刀切取成樣，制樣過程中需要保持凍土原狀樣不能融化，低溫實驗室內溫度要保持在-5 ℃。切取之后的試樣要保持層面與原狀樣層面一樣，并且平整，不能有突出或凹陷。樣品制備之后，需要將其用塑料薄膜進行密封，并放置于冰柜一段時間，使試樣盡可能地保持凍結狀態(tài)。

1.2 試驗儀器

試驗所用儀器主要為融化壓縮儀，該儀器由固結壓縮儀改造而成。與固結壓縮試驗不同，融化壓縮試驗首先在低溫恒溫室的墻上布置了一根紫銅管，該管與恒溫室外的熱水器相連，并且每隔30 cm設置一個出水口。而試驗用的土樣盒也與固結壓縮試驗有所不同，其傳壓板為加工制作而成，傳壓板內部中空，板上設置熱循環(huán)水進出口，每個傳壓板上的進水口均與紫銅管上的出水口用橡膠管連接。其它試驗所需的百分表、透水石、計時器等均和固結壓縮試驗相同。融化壓縮儀如圖1所示，試樣盒如圖2所示。

圖1 凍土融沉壓縮儀現(xiàn)場圖

圖2 融沉試驗試樣盒示意圖

1.3 試驗步驟

(1)在低溫實驗室內取樣結束后，立即將試樣稱重，精確至0.01 g；再將其用塑料薄膜密封，放于冰柜冷凍30 min。剩余土料用于測定其基本物理性質指標。

(2)對融沉壓縮儀進行標定，記錄試驗儀器設備變形值，用于試驗結果的修正。

(3)將試樣從冰柜中取出，放入融沉壓縮儀內，上下各放置一張濾紙，之后在下面放置一塊透水石，上面放置一塊透水板；將百分表擺正，調零。

(4)開動外部熱水循環(huán)器，保持恒溫室內溫度為-5 ℃。當熱水開始循環(huán)后，熱融沉陷開始，隨即開動秒表，分別記錄5 min、10 min、30 min、60 min時的變形量，并每小時觀測一次，記錄變形量，直至在連續(xù)2 h內的變形量<0.05 mm時為止。

(5)融沉穩(wěn)定后，關閉熱水循環(huán)器，并開始逐級加荷進行壓縮試驗。融沉試驗采用三級加荷，第一級荷載為50 kPa，第二級荷載為100 kPa，第三級荷載為200 kPa。每級荷載加載完畢后，待變形穩(wěn)定之后進行觀測記錄，直至最后一級荷載加載完畢為止。

(6)試驗結束后，將試樣從環(huán)刀內取出，并放置在烘箱內測定其含水率。

(7)按照式(1)計算凍土融沉系數(shù)a0(%)：

(1)

其中：a0——凍土融沉系數(shù)(%)；

h0——試樣初始高度，本試驗試樣尺寸與環(huán)刀尺寸相同，為40 mm；

Δh0——凍土融化下沉量(mm)。

某一級壓力穩(wěn)定后的單位固結變形量按式(2)計算：

(2)

其中：si——某一級壓力范圍內的單位固結變形量(mm)；

Δhi——某一級壓力下的變形量(mm)。

某一級壓力范圍內的凍土融化壓縮系數(shù)按式(3)計算：

(3)

其中：atc——融化壓縮系數(shù)(MPa-1)；

pi——某一級壓力值(MPa)。

2 試驗結果分析

本次融沉壓縮試驗共完成36個，根據(jù)開樣時的描述與顆粒分析試驗結果對土樣進行定名分類，并對各類土的融沉系數(shù)a0與含水率w、干密度γd進行回歸分析。為了便于統(tǒng)計分析，將試驗土樣分成三類，即細粒土、粗粒土與泥炭質土。其中細粒土和粗粒土可作為非泥炭化土進行分析。

2.1 a0-w關系

將計算所得的細粒土和粗粒土的融沉系數(shù)與含水率進行回歸分析，其散點圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 細粒土融沉系數(shù)與含水率關系圖

圖4 粗粒土融沉系數(shù)與含水率關系圖

從圖3～4中融沉系數(shù)的分布可知，細粒土與粗粒土的融沉系數(shù)均隨含水率的增大而增大。這一規(guī)律表明，凍土在融化過程中原本呈固態(tài)的冰，隨著溫度不斷升高而變成液態(tài)的水排出，從而使土體結構發(fā)生改變。在荷載作用下，顆粒將重新集結，因此產生豎向沉降?？梢?，凍土融沉特性受含水率的影響十分明顯。對融沉系數(shù)與含水率進行回歸分析，分析結果驗證了這一顯著規(guī)律?；貧w方程如表1所示。

通過數(shù)據(jù)分析可知，如果地基土的持水能力很高，在經過一個凍融循環(huán)周期后，勢必要產生較大的沉降量，對建筑物帶來嚴重的影響。相對而言，粗粒土的持水能力較差，比較適合作為地基土與回填土。

表1 回歸分析計算匯總表

2.2 a0-γd關系

將計算所得的細粒土與粗粒土的融沉系數(shù)與干密度進行回歸分析，其散點圖如圖5、圖6所示。各種土融沉系數(shù)與干密度的回歸分析方程如表1所示。

圖5 細粒土融沉系數(shù)與干密度關系圖

圖6 粗粒土融沉系數(shù)與干密度關系圖

由圖5～6可知，融沉系數(shù)隨干密度的增大而減小，這表明土體干密度越大，固體顆粒越密實，相對的其含水率越低，在凍土融化過程中，融沉變形量越小。

通過分析可知，干密度大的土，其密實程度較高，通常含水率較低，這類土比較適合作為地基土與回填土。粗粒土通常具有較高的透水性，對水系廣布的大興安嶺地區(qū)而言，有利于降低凍脹與融沉的發(fā)生幾率，但是需要注意控制粗粒土中的含泥量，否則將適得其反。

2.3 泥炭化土試驗結果分析

本次凍土原狀樣中，還有7個泥炭化土樣。由于泥炭化土樣的融沉特性除了與含水率和干密度有關，其有機質含量對融化沉降變形量的影響也非常大，因此在分析泥炭化土樣融沉特性時，必須考慮其有機質含量的影響。泥炭化土融沉系數(shù)散點圖如圖7、圖8所示。

圖7 融沉系數(shù)與含水率關系圖

圖8 融沉系數(shù)與干密度關系圖

如圖7～8所示，融沉系數(shù)隨含水率的增大而增大，隨干密度的增大而減小，但是趨勢線比粗粒土和細粒土要相對平緩。而泥炭化土又會因其內部所含顆粒成分與有機質含量的不同，呈現(xiàn)出不同的融沉特性。通過對比，泥炭化粉質黏土的融沉系數(shù)要比泥炭化粉砂的融沉系數(shù)小。其中有三個泥炭質土試樣的融沉系數(shù)并沒有因為含水率的增大而增大，也不隨干密度的增大而減小，而是隨有機質含量的增大而增大。

分析表明，泥炭化含細粒土礫砂、泥炭化含細粒土角礫的融沉性對水的敏感度相對較弱，融沉變形量相對較小。而泥炭化黏性土由于其細粒含量較多，并且比較均勻，內部容易形成細小均勻的孔隙，對融沉變形十分有利。

3 結語

本文通過對凍土融沉壓縮儀器進行改進，并利用改進的儀器對琿烏高速公路沿線凍土原狀樣進行了融沉壓縮試驗，分析了凍土原狀樣的融沉特性，得出結論：

(1)利用改進的儀器所得試驗結果與普遍規(guī)律一致，驗證了試驗儀器的可適用性，其試驗數(shù)據(jù)的精度滿足規(guī)范要求。

(2)細粒土、粗粒土的融沉特性與含水率、干密度的關系基本相同，融沉特性隨含水率的增大而增大，隨干密度的增大而減小。在實際工程中，為了避免產生較大融沉變形，還需采用含泥量較少的砂礫、角礫等融沉特性較好的土作為回填材料。

(3)泥炭化土的融沉特性除了受含水率與干密度的影響外，還受有機質含量的影響。此外，泥炭化土的細粒含量多少同樣會影響其融沉特性。在實際工程中，必須對泥炭化土進行處理，否則對路基十分不利。