砂 土 凍 融 特 性 試 驗(yàn) 研 究

張 金, 史長(zhǎng)瑩, 謝世堯

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引 言

季節(jié)性凍土區(qū)氣候變化明顯，土體在外部環(huán)境的影響下，土中的水分會(huì)在低于凍結(jié)溫度的情況下凍結(jié)成冰，形成冰晶體，破壞土體的原本內(nèi)部結(jié)構(gòu)，過多的冰晶體形成會(huì)造成土體的凍脹現(xiàn)象；冰晶體在高于凍結(jié)溫度的情況下會(huì)融化為水，這樣原來由冰晶體的形成而帶來的土體內(nèi)部大孔隙會(huì)由水填充，造成土體結(jié)構(gòu)松散，會(huì)在外部荷載的作用下形成融沉現(xiàn)象[1]。土體的凍脹融沉現(xiàn)象是季凍區(qū)工程建設(shè)面臨的主要問題，嚴(yán)重影響工程建設(shè)的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，為此研究土體凍融過程中的水分遷移情況十分必要。

目前已有很多學(xué)者對(duì)不同類型的土進(jìn)行了不同方法的研究，Sarsembayeva等[2]對(duì)土進(jìn)行周期性凍融后測(cè)量土中水分的變化，發(fā)現(xiàn)土中的去離子水經(jīng)歷了冰分離；Ala Musa等[3]發(fā)現(xiàn)土壤質(zhì)地影響了凍融過程中土壤水分遷移的數(shù)量；Wu等[4-5]對(duì)鹽漬土凍融后水分鹽分的進(jìn)行研究；楊成松等[6]發(fā)現(xiàn)土體在經(jīng)過凍融循環(huán)之后含水率較初始含水率有所增加；包衛(wèi)星等[7]對(duì)天然鹽漬土在凍融作用下的水鹽遷移現(xiàn)象進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)土體中的水自下而上移動(dòng)；景國(guó)臣等[8]通過野外測(cè)定和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究東北黑土凍融作用與土壤水分之間的關(guān)系，認(rèn)為土壤中的地下水埋深是影響凍結(jié)時(shí)水分遷移情況的主要因素之一；趙剛等[9]研究原狀土在含水率和溫度單一因素影響下的水分遷移規(guī)律，得出含水率大水分遷移量大，凍結(jié)溫度大水分積聚多的結(jié)論；高玉佳等[10]則借助地溫測(cè)試儀單方面的對(duì)土體溫度和水分遷移進(jìn)行研究，表明溫度對(duì)凍土的水分遷移有重要作用；王鐵行等[11]自制試驗(yàn)設(shè)備對(duì)非飽和黃土進(jìn)行水分遷移研究，揭示了非飽和黃土在干密度、含水量以及時(shí)間影響下的水分遷移情況；張婷等[12]對(duì)不同類型的土進(jìn)行研究，論述了含水率、干密度以及凍結(jié)時(shí)間對(duì)水分遷移的影響。

研究土體中溫度變化及水分遷移的方法可以概括為兩種，一是現(xiàn)場(chǎng)安裝傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)；二是通過人工凍結(jié)的方法[13-14]?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)需要花費(fèi)大量的時(shí)間，目前人工凍結(jié)試驗(yàn)多采用的是凍脹箱或者一些自制的試驗(yàn)設(shè)備，但是其研究的土樣大小存在一定的局限性，一般土樣直徑在10 cm左右，土樣高度也很少有超過20 cm。本試驗(yàn)裝置土體容器有機(jī)玻璃柱高140 cm，直徑15 cm，取試驗(yàn)土樣高度120 cm，以便較好地模擬土體在單向凍結(jié)作用下溫度及含水率的變化。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自黑龍江干流黑龍江省撫遠(yuǎn)段堤防，為細(xì)砂土。土樣的質(zhì)量含水率為10%，干密度為1.54 g/cm3，最大干密度為1.81 g/cm3，最優(yōu)質(zhì)量含水率為10.68%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)為物理模型試驗(yàn)，借助可控溫土體一維瞬時(shí)滲透系數(shù)測(cè)試儀，在設(shè)備自身的基礎(chǔ)上進(jìn)行必要的改進(jìn)以滿足試驗(yàn)需求，該設(shè)備由溫控裝置、水分補(bǔ)給裝置、加載裝置以及數(shù)據(jù)采集裝置構(gòu)成。溫控裝置采用XT5201-R40HG型低溫恒溫液浴循環(huán)槽，可以滿足-55～95 ℃范圍內(nèi)的精度為0.1 ℃的溫度要求，通過循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)土樣的單向凍結(jié)。水分補(bǔ)給裝置分頂部和底部?jī)煞N，本次試驗(yàn)主要模擬的是開放系統(tǒng)中的地下水補(bǔ)給狀態(tài)，因此采用底部水分補(bǔ)給裝置。加載裝置是由一組氣泵裝置以及氣動(dòng)作動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)對(duì)土樣表面進(jìn)行加載，并通過UU-500K型壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)外荷載的變化。數(shù)據(jù)采集裝置主要由DL6體積含水率接收器以及Dater TakerDT80數(shù)據(jù)采集器組成，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，試驗(yàn)裝置示意圖見圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)主要從凍結(jié)溫度、含水率以及系統(tǒng)的不同狀態(tài)進(jìn)行研究，考察土樣在凍融循環(huán)過程中溫度變化及水分遷移情況，從不同高度處的溫度以及含水率變化進(jìn)行研究。溫度選擇依據(jù)的是撫遠(yuǎn)縣多年平均最低氣溫，取-20 ℃和-28 ℃度作冷端溫度。試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 砂土單向凍結(jié)試驗(yàn)方案

1.4 試驗(yàn)步驟

(1)按照GB/T50123—1999《土工試驗(yàn)方法》對(duì)風(fēng)干土進(jìn)行重塑制樣，分別制成體積含水率為18%和21%的土樣，干密度為1.54 g/cm3，與土樣初始干密度保持一致。

(2)為保證土樣各處干密度一致，重塑土裝樣分24層，每層5 cm，共計(jì)120 cm高度的土樣。土樣的左側(cè)裝有8個(gè)ML3型體積含水率傳感器，右側(cè)裝有7個(gè)溫度傳感器，其中第4和第5個(gè)傳感器之間距離為30 cm，其余都為15 cm間距。安裝完成的土樣靜置24 h以保證土柱內(nèi)部的水分均勻分布。

(3)調(diào)試傳感器數(shù)據(jù)接收頻率，設(shè)置低溫槽溫度，按照方案進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 系統(tǒng)狀態(tài)對(duì)砂土凍融特性的影響

在含水率和冷端溫度一致的情況下，對(duì)不同系統(tǒng)狀態(tài)的砂土進(jìn)行凍融循環(huán)后各層土體溫度變化見圖2和圖3。結(jié)果表明系統(tǒng)狀態(tài)對(duì)本試驗(yàn)中砂土的溫度變化影響甚微。由圖2知，封閉系統(tǒng)中凍結(jié)深度可以達(dá)到45 cm，溫度發(fā)生變化的土層從上至下各層溫度依次為-14.9、-6.7、-0.3、13.7 ℃，60 cm及以下部分土體溫度均無變化。各層溫度達(dá)到最低且穩(wěn)定所需時(shí)間依次為4、7、8和9 d，溫度變化曲線由陡趨緩，融化過程與凍結(jié)過程一致，從上而下依次升溫，最終都達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間為14 d。圖3所示開放系統(tǒng)中的溫度變化情況與封閉系統(tǒng)基本一致。

圖2 封閉系統(tǒng)，18%，-20 ℃溫度變化圖

圖3 開放系統(tǒng)，18%，-20 ℃溫度變化圖

從溫度變化的角度無法判別出系統(tǒng)狀態(tài)對(duì)水分遷移的影響，圖4和5分別是與圖2和3對(duì)應(yīng)的土體中各層含水率的變化情況。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，45 cm以上部分凍結(jié)后的土體體積含水率為8.6%，60 cm處的體積含水率為13.1%，90 cm及105 cm處的含水率沒有變化。與圖2所示的溫度變化情況吻合，凍結(jié)鋒面能夠達(dá)到45 cm，冷端溫度影響深度在60～90 cm之間。在頂端單向凍結(jié)的情況下，頂端溫度影響下的土體從上至下各層含水率依次減小，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間分別為3、5、7和8 d，比溫度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間略微提前，這是由于含水率達(dá)到穩(wěn)定只需要達(dá)到凍結(jié)溫度即可。圖5中45 cm及以上部分土層的含水率變化情況與圖4基本一致，而60 cm處的體積含水率為14.2%，較封閉系統(tǒng)有所增加，90 cm及以下部分土體的含水率亦有所增加，主要是由于下部存在水分補(bǔ)給，而水分補(bǔ)給的情況取決于補(bǔ)給裝置中的水頭高度以及砂土自身的毛細(xì)力作用，但水分補(bǔ)給的效果不明顯，因此本試驗(yàn)中系統(tǒng)狀態(tài)對(duì)砂土的水分遷移可以認(rèn)為沒有影響。

圖4 封閉系統(tǒng)，18%，-20 ℃含水率變化圖

圖5 開放系統(tǒng)，18%，-20 ℃含水率變化圖

2.2 溫度對(duì)砂土凍融特性的影響

溫度是土中水分遷移的主要驅(qū)動(dòng)力，在溫度的作用下土中的水發(fā)生相變，產(chǎn)生水分遷移完成水分重分布[15]。在封閉系統(tǒng)中，保持含水率一致，改變冷端溫度為-28 ℃對(duì)砂土進(jìn)行凍融試驗(yàn)的溫度及含水率變化情況如圖6和7所示。

圖6 封閉系統(tǒng)，18%，-28 ℃溫度變化圖

由圖6所示，土體能夠達(dá)到的凍深超過60 cm，各高度土層傳感器最低溫度分別為-25.2、-19.1、-11.7、-1.6、10.9、18.2、24.5 ℃，凍結(jié)過程中第12 d各層溫度達(dá)到最低且穩(wěn)定，融化過程中第17 d各層溫度與室溫一致。土樣在凍融過程中，不同深度土樣溫度變化趨勢(shì)基本一致，都是先迅速下降后逐漸減緩直至達(dá)到穩(wěn)定，整個(gè)過程靠近頂部的土樣溫度變化比次一層的溫度變化快。與圖2比較發(fā)現(xiàn)，冷端溫度降低影響到土體的凍結(jié)深度以及土體凍結(jié)鋒面的移動(dòng)速度，相同位置各土層達(dá)到最低溫度且穩(wěn)定的時(shí)間較-20 ℃短。在含水率一致時(shí)，隨著冷端溫度的降低，凍結(jié)鋒面移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力會(huì)增加，從而快速形成凍結(jié)鋒面并迅速下移。

由圖7發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)鋒面最大深度超過60 cm，凍結(jié)鋒面處的體積含水率為9.7%，90 cm處的體積含水率為16.3%，減少了1.6%，105 cm處的土體含水率沒有發(fā)生變化，冷端溫度沒有影響到105 cm及以下部分土體。凍結(jié)過程中，從上至下各層含水率到達(dá)最低且穩(wěn)定的時(shí)間依次為3、4、6、8和11 d；融化過程與凍結(jié)過程順序一致，從上而下依次升溫，最終都達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間為17 d。結(jié)合圖2和圖4，在含水量相同的情況下，冷端溫度-28 ℃的凍結(jié)過程中，含水率達(dá)到穩(wěn)定時(shí)凍結(jié)鋒面處的含水率較-20 ℃的高，水分遷移量較小，主要是因?yàn)槔涠藴囟鹊?，凍結(jié)速率過快，溫度向下侵入的速度很快，此時(shí)凍結(jié)速率已經(jīng)高于水分遷移的速率，從而導(dǎo)致部分水分來不及遷移就已經(jīng)形成冰晶體。

圖7 封閉系統(tǒng)，18%，-28 ℃含水率變化圖

2.3 含水率對(duì)砂土凍融特性的影響

圖8表明，土體能夠達(dá)到的凍深超過60 cm，各高度土層傳感器最低溫度分別為-25.6、-19.2、-11.7、-2.6、10.8、17.9、23.4 ℃，凍結(jié)過程中第13 d各層溫度達(dá)到最低且穩(wěn)定，融化過程中第19 d各層溫度與室溫一致?？梢园l(fā)現(xiàn)，在溫度保持不變的情況下，高含水率土體的凍結(jié)深度以及各層溫度與低含水率基本一致，土體的初始含水率對(duì)凍融后溫度變化不存在影響。

圖8 封閉系統(tǒng)，21%，-28 ℃溫度變化圖

圖9所示凍結(jié)鋒面最大深度超過60 cm，凍結(jié)鋒面處的體積含水率為9.6%，90 cm處的體積含水率為16.4%，減少了4.6%，105 cm處的土體含水率沒有發(fā)生變化，冷端溫度沒有影響到105 cm及以下部分土體。凍結(jié)過程中，從上至下各層含水率到達(dá)最低且穩(wěn)定的時(shí)間依次為3、4、7、9和12 d。與圖7比較發(fā)現(xiàn)，高含水率的土體達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間較低含水率的土體略長(zhǎng)，表明在凍結(jié)速率一定的情況下，高含水率會(huì)對(duì)土中水分遷移產(chǎn)生影響，高含水率影響凍結(jié)鋒面下移的速率，從而導(dǎo)致穩(wěn)定時(shí)間增加，增加了總體的水分遷移量。低含水率時(shí)，凍結(jié)速率大于水的遷移能力，砂土中各層水分達(dá)到穩(wěn)定需要的時(shí)間較高含水率的時(shí)間短。高含水率時(shí)，土中的水分先緩慢減小再迅速減小再緩慢減小，第1階段是由于土中未凍層中的水分向凍結(jié)鋒面處遷移，第2階段是由于凍結(jié)鋒面逐漸靠近，土層溫度迅速降低，土中水凍結(jié)成冰，第3階段是由于在凍結(jié)鋒面處仍會(huì)有其他未凍層的水分遷移過來，從而在一定程度上減緩?fù)林兴值募眲p小，延長(zhǎng)了穩(wěn)定時(shí)間。

圖9 封閉系統(tǒng),21%,-28 ℃含水率變化圖

3 結(jié) 論

(1)開放系統(tǒng)有外界水源補(bǔ)給的情況下，地下水位的埋深以及砂土毛細(xì)力作用強(qiáng)弱對(duì)土體凍融過程中含水率變化有影響，水分補(bǔ)給的效果不明顯使得凍結(jié)鋒面處的含水率變化與封閉系統(tǒng)基本一致，沒有起到減緩凍結(jié)鋒面推進(jìn)速度的作用。

(2)冷端溫度對(duì)砂土凍融過程中的水分遷移影響顯著，冷端溫度低凍深大，凍結(jié)速率快，土中水迅速成冰，同樣凍結(jié)鋒面的快速推進(jìn)使得水分遷移時(shí)間減少，水分遷移量減小。

(3)土體的含水率影響砂土水分遷移的速率，從而客觀上影響了水分遷移量。凍結(jié)速率不變，隨著含水率的增加，土中水分遷移耗時(shí)增加，從而增加水分遷移量。