不同凍結(jié)條件下季節(jié)凍土粉質(zhì)粘土凍融特性試驗(yàn)研究

鄭美玉 李香瑞 劉 旭

（綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院 黑龍江綏化 152061）

我國(guó)凍土分布面積很廣，其中凍土區(qū)占全國(guó)陸地面積的75%。[1-2]凍土區(qū)土體受自然因素影響冬季凍結(jié)，夏季融化，土體在凍融作用下其物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致諸多工程出現(xiàn)了如：邊坡失穩(wěn)、道路翻漿、岸坡滑塌、擋墻開裂等問(wèn)題。土體凍結(jié)變形的原因，與土的顆粒級(jí)配、凍結(jié)溫度、干密度、補(bǔ)水情況、含鹽量等因素有關(guān)。[1]在上述原因中，水分的遷移和補(bǔ)給是土體產(chǎn)生凍脹的直接原因。在土體發(fā)生水分遷移的過(guò)程中，形成的冰透鏡體改變了土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)凍土融化后，這些不連續(xù)分布的冰透鏡體往往成為土體中的軟弱結(jié)構(gòu)面，影響到土體的穩(wěn)定性。[3]

對(duì)于凍土的工程凍害問(wèn)題，諸多學(xué)者從不同的角度已進(jìn)行了研究，試圖了解破壞的機(jī)理，進(jìn)而采取有效的方法降低工程的凍害破壞。Taber研究發(fā)現(xiàn)，土體凍脹的主要原因是外界水源的遷移，而非水的相變體積膨脹所致。[4,5]徐學(xué)祖等對(duì)凍土中水分遷移機(jī)制、影響因素以及水分遷移過(guò)程中的冷生現(xiàn)象等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。[6]陳肖柏等系統(tǒng)闡述了土在凍結(jié)過(guò)程中的水分遷移和凍脹的影響因素以及凍脹對(duì)工程的影響及其防治措施。[7]吳禮舟等研究了非飽和黏土凍脹過(guò)程中凍結(jié)鋒面的移動(dòng)規(guī)律，含水率越大,凍結(jié)鋒面移動(dòng)越快。[8]

本文針對(duì)粉質(zhì)粘土，進(jìn)行了凍脹融沉試驗(yàn)，研究了不同干密度情況下，開放系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)的凍脹率和融沉系數(shù)變化規(guī)律，對(duì)比分析了凍脹量、融沉量的變化，并研究了土樣水分重分布特點(diǎn)。

二、試驗(yàn)材料和方法

（一）土樣基本物理性質(zhì)。試驗(yàn)土樣取自黑龍江哈爾濱萬(wàn)家凍土試驗(yàn)場(chǎng)，土樣的基本物理性質(zhì)為最大干密度1.75g/cm3，最優(yōu)含水率14.5%，液限31.0%，塑限18.3%，塑性指數(shù)12.7，天然干密度1.62g/cm3，天然含水率20.4%，土體經(jīng)過(guò)顆粒分析實(shí)驗(yàn)確定該土質(zhì)為粉質(zhì)黏土。

（二）試驗(yàn)方案。為研究開放條件和封閉條件下土體凍融特性變化情況，對(duì)粉質(zhì)黏土確定了土體的初始含水率為24%，冷端凍結(jié)溫度為-4℃，試驗(yàn)方案見表 1。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

（三）試驗(yàn)方法。試驗(yàn)土體為重塑土，將試驗(yàn)用土過(guò)2mm的篩，按照試驗(yàn)需要配成含水率為24%的土，密封放置48h。待土體含水率均勻后，將土體制成高120mm，直徑為100mm的試樣，試樣放置在有機(jī)玻璃筒內(nèi)，試樣頂端和底端分別由凍融試驗(yàn)箱的頂板和底板控制溫度，試驗(yàn)時(shí)設(shè)置頂板為-4℃，底板保持+1℃，試樣周圍溫度也控制+1℃，使土樣產(chǎn)生自上而下的單向凍結(jié)。有機(jī)玻璃筒的側(cè)壁每間隔1.5cm打孔，安裝溫度傳感器，試樣頂端安裝位移傳感器，監(jiān)測(cè)土體位移量的變化情況。試樣的頂板和底板均有補(bǔ)水孔，可以實(shí)現(xiàn)與外界水源連通。本次試驗(yàn)從底板補(bǔ)充水源，底板補(bǔ)水孔通過(guò)軟管與馬氏瓶相連接，并采用恒水頭補(bǔ)水。

三、試驗(yàn)結(jié)果及分析

（一）凍土融沉特性分析。土體在融化階段的頂板控制溫度為20℃，當(dāng)土體的融化變形量趨于穩(wěn)定時(shí)，融沉試驗(yàn)結(jié)束。圖1為試樣1和試樣5的融沉量隨時(shí)間變化關(guān)系線，通過(guò)該圖可以看出，無(wú)論是開放系統(tǒng)還是封閉系統(tǒng)，在對(duì)土樣施加正溫度后，土樣的融沉量都隨著時(shí)間的增加而累積增大，但在融化初期，融沉量變化最為顯著。由于試樣1和試樣5是在不同的補(bǔ)水條件下進(jìn)行的，故融沉量的大小，有明顯差異。封閉條件下試樣1的融沉量大于開放條件下的試樣5的融沉量。分析其原因，試樣5在有外界水補(bǔ)給的情況下，從凍結(jié)狀態(tài)過(guò)渡到融化狀態(tài)，土體內(nèi)的自由水含量增加，飽和度增加，增加的自由水又無(wú)法排除，因此在重力作用下，融沉量下降較小。

圖1 開放與封閉系統(tǒng)下的融沉量關(guān)系曲線

圖2為開放條件及封閉條件下，不同干密度土體的融沉系數(shù)擬合關(guān)系線。由圖可見，融沉系數(shù)與干密度的關(guān)系呈負(fù)相關(guān)。表2為不同條件下的融沉系數(shù)與干密度的擬合情況表，由表可以看出，擬合情況較好。

圖2 開放（封閉）系統(tǒng)條件下融沉系數(shù)與干密度關(guān)系線

表2 開放（封閉）系統(tǒng)下的融沉系數(shù)與干密度的擬合關(guān)系

（二）凍土凍脹特性分析。圖3為試樣1和試樣5的凍脹量隨時(shí)間變化過(guò)程線，由圖可見，凍脹量是逐漸增加的，試樣1在凍結(jié)初期凍脹量增大較明顯，而試樣5在凍結(jié)持續(xù)一段時(shí)間后，增長(zhǎng)速率較大，并最終趨于穩(wěn)定值。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是試樣5由于有外界水的補(bǔ)給，土體內(nèi)的熱平衡狀態(tài)受到了影響，導(dǎo)致凍結(jié)鋒面發(fā)展滯后，因此，相對(duì)于封閉系統(tǒng)條件下，開放條件的凍脹在初期體現(xiàn)較小。由于有外界水分的補(bǔ)充，試樣5的土體含水率增加，故凍脹量較封閉條件下的土體增加較明顯。

圖3 開放與封閉系統(tǒng)下的凍脹量關(guān)系曲線

圖4為開放條件及封閉條件下的凍脹率與干密度的關(guān)系線，從圖中可以看出，凍脹率是隨著干密度的增加而增加，且開放系統(tǒng)大于封閉系統(tǒng)。表3為凍脹率與干密度的擬合關(guān)系情況，由表可見，凍脹率與干密度的線性相關(guān)性擬合較好。凍脹率與干密度的關(guān)系，分析其原因，當(dāng)土體密度增加，孔隙體積減少，水的總量不變情況下，飽和度增加，土體在負(fù)溫度作用下，水相變成冰，體積增加，土顆粒原有結(jié)構(gòu)受到破壞，體現(xiàn)為土顆粒骨架間距離增加，故凍脹量增加明顯。

圖4 干密度與凍脹率關(guān)系曲線

表3 干密度與凍脹率關(guān)擬合系式

（三）凍土水分重分布特征。圖5為開放系統(tǒng)與封閉系統(tǒng)，在圖a為干密度為1.45g/cm3，圖b為干密度1.49g/cm3，圖為干密度1.54g/cm3，圖d為干密度1.58g/cm3條件下水分遷移情況對(duì)照?qǐng)D。從圖中可以看出，開放條件下水分遷移量總體較封閉系統(tǒng)遷移量大，但在相同的補(bǔ)水條件下，水分遷移隨著干密度的增加，移量在逐漸減小。土體上端含水率較初始含水率有所增加，愈靠近土體底端，含水率愈低。分析上述情況產(chǎn)生的原因?yàn)椋河捎陂_放條件下水分補(bǔ)給充分，水分在毛管力的作用下向上遷移，當(dāng)干密度增加時(shí)，土體的孔隙體積減小，水分遷移受限，所以呈現(xiàn)此規(guī)律。

圖5 不同條件土體水分遷移圖

四、結(jié)論

土體在開放系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)條件下，融沉量和融沉系數(shù)存在較大差異，封閉條件下土體的融沉量大于開放條件下的融沉量，融沉系數(shù)隨干密度增加而減小。開放系統(tǒng)的凍脹量明顯大于封閉系統(tǒng)條件的凍脹量，并體現(xiàn)出凍脹率隨干面度的增大而增加。開放系統(tǒng)的水分遷移量較封閉系統(tǒng)條件遷移量大，干密度愈大水分遷移量愈小。