長春地區(qū)季節(jié)性凍土凍融作用下的力學(xué)性質(zhì)研究

郭紅梅

(北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

0 引言

長春市城區(qū)內(nèi)分為松遼波狀平原臺(tái)地及伊通河一級(jí)階地兩個(gè)地貌單元體。第四系覆蓋層分布較為穩(wěn)定，巖土類型在平面上變化不大，在立面上變化較大，第四系覆蓋層厚度不等，在市區(qū)中心至周邊最厚可達(dá)30 m，一般為9～15 m，分布特征受地貌及巖性影響，在臺(tái)地上有下更新統(tǒng)冰水砂礫石、中更新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土及黏土，河谷平原廣布全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土，下部為含礫中粗砂和砂礫石[1]。

長春地處季節(jié)性凍土地區(qū)，每年結(jié)凍期為11月至翌年4月，長達(dá)6個(gè)月之久，凍結(jié)深度為1.5～1.8 m，凍結(jié)深度內(nèi)的土層為粉質(zhì)黏土、粉土、黏土層，按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ118—2011)判別，凍脹類別為弱—強(qiáng)凍脹土。

隨著冬凍春融的變化，土體會(huì)經(jīng)歷多次的凍融，這種交錯(cuò)不斷的作用改變著土體中孔隙結(jié)構(gòu)和固體顆粒的聯(lián)結(jié)，致使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化，嚴(yán)重降低土體的物理力學(xué)性質(zhì)，自然環(huán)境凍融對(duì)土體的作用是一個(gè)長期的過程。為盡快獲得凍融循環(huán)作用下土體的物理力學(xué)性質(zhì)變化，可以通過室內(nèi)凍融試驗(yàn)來研究土體凍融特性[2-3]。

為研究長春地區(qū)季節(jié)性凍土在凍融循環(huán)下土層力學(xué)參數(shù)變化，在室內(nèi)模擬對(duì)三種不同狀態(tài)下(原狀土、一次凍融土、二次凍融土)土樣的主要力學(xué)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)對(duì)二次凍融循環(huán)下的的凍脹及融沉性進(jìn)行了試驗(yàn)，提出相應(yīng)的凍害防治措施建議。

1 試驗(yàn)方法與內(nèi)容

對(duì)進(jìn)行分析測(cè)試的典型地層在不同的鉆孔不同深度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采取原狀土樣，土樣尺寸為φ110 mm×200 mm。常規(guī)土試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)進(jìn)行，凍土試驗(yàn)按煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《人工凍土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)》(MT/T5934—1996)進(jìn)行。此次試驗(yàn)在試驗(yàn)室保濕條件下進(jìn)行，涉及到兩次凍結(jié)兩次融化，一次凍融未凍土為現(xiàn)場(chǎng)采取的原狀土，原狀土削制成試驗(yàn)所需尺寸進(jìn)行，凍結(jié)后得到一次凍融凍結(jié)土，一次凍融凍結(jié)土自然解凍得到的土體稱為一次凍融土，一次凍融土在二次凍融時(shí)稱為二次凍融未凍土，對(duì)二次凍融未凍土削制成試驗(yàn)所需尺寸進(jìn)行凍結(jié)后得到二次凍融凍結(jié)土，對(duì)二次凍融凍結(jié)土自然解凍后得到的土體稱為二次凍融土[4]。試驗(yàn)室條件下用保鮮膜對(duì)土體密封后一次、兩次凍結(jié)至-20 ℃。然后在密封保濕條件下進(jìn)行自然解凍。

具體的物理力學(xué)試驗(yàn)性質(zhì)測(cè)試項(xiàng)目有：密度、含水率、孔隙比、塑限、液限、土粒比重、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、壓縮模量、直接剪切試驗(yàn)，同時(shí)還對(duì)凍脹力、凍脹率及融沉率進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 壓縮模量試驗(yàn)

未凍土、一次凍融土及二次凍融土的壓縮模量試驗(yàn)成果如表1所示，各個(gè)狀態(tài)的土樣壓縮模量隨干密度變化關(guān)系如圖1所示。

表1 壓縮模量試驗(yàn)成果表

圖1 壓縮模量與干密度關(guān)系圖

從三種狀態(tài)土的壓縮模量試驗(yàn)成果表可以看出，與未凍土的壓縮模量相比，凍融后的土樣壓縮模量隨著土樣干密度的增大而降低，二次凍融土與一次凍融土的壓縮模量數(shù)值比較接近。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

未凍土、一次凍融土及二次凍融土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果如表2所示，各個(gè)狀態(tài)的土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨取樣深度的變化關(guān)系如圖2所示。

圖2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與深度變化關(guān)系圖

從表2、圖2可以看出，凍融后的土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù)值要小于未凍土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值；二次凍融土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值比一次凍融土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù)值小。

表2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果表

2.3 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

未凍土、一次凍融土及二次凍融土的直接剪切試驗(yàn)成果如表3所示，各個(gè)狀態(tài)的土樣抗剪強(qiáng)度數(shù)值隨取樣深度的變化關(guān)系如圖3、圖4所示。

表3 直剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)成果表

圖3 黏聚力隨深度變化圖

圖4 內(nèi)摩擦角隨深度變化圖

從表2及圖3、圖4可以看出，同一深度凍融后的土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)值小于未凍土的抗剪強(qiáng)度值，二次凍融土的抗剪強(qiáng)度值比一次凍融土的抗剪強(qiáng)度數(shù)值小。凍融作用通過改變土體顆粒之間咬合力和聯(lián)結(jié)能力降低土體黏聚力[5]。

2.4 凍脹力與凍脹率試驗(yàn)

不同土層的顆粒組成、重力密度和含水率是影響凍脹力和凍脹率的重要因素。土的凍脹性與土顆粒的粒徑、礦物成分等因素有關(guān)，不同類別的土發(fā)生凍脹的敏感程度不同。土中親水礦物含量較高時(shí)，土的凍脹性會(huì)顯著增大，這是由于親水性礦物吸水造成土的含水量增加而引起的[6]。

未凍土、一次凍融土及二次凍融土的凍脹力與凍脹率試驗(yàn)成果如表4所示，凍脹力與影響因素的變化如圖5—圖8所示，凍脹率與影響因素的變化如圖9—圖12所示。

表4 凍脹力和凍脹率試驗(yàn)結(jié)果表

圖5 凍脹力與含水量的關(guān)系圖

圖6 凍脹力與超塑含水量的關(guān)系圖

圖7 凍脹力與干密度的關(guān)系圖

圖8 凍脹力與深度的關(guān)系圖

圖9 凍脹率與含水量的關(guān)系圖

圖10 凍脹率與超塑含水量的關(guān)系圖

圖11 凍脹率與干密度的關(guān)系圖

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，地面以下3～4 m左右的黏性土樣凍脹力與凍脹率數(shù)值很小，凍脹性不明顯，而粉質(zhì)黏土層凍脹性較明顯。凍脹力與凍脹率均隨著含水量與超塑含水量的增大而增大，隨著干密度的增大而減小。經(jīng)過一次凍融循環(huán)，凍脹力和凍脹率都略有增加。

圖12 凍脹率與深度的關(guān)系圖

2.5 融沉率試驗(yàn)

一次凍結(jié)凍土及二次凍結(jié)凍土的融沉率試驗(yàn)成果如表5所示，融沉率與影響因素的變化如圖13—圖14所示。

表5 凍結(jié)凍土融沉率試驗(yàn)結(jié)果表

圖13 融沉率與干密度的關(guān)系圖

圖14 融沉率與深度的關(guān)系圖

凍土的融沉率試驗(yàn)結(jié)果表明，凍土的一次融沉率在0.448%～7.593%之間，二次融沉率在1.873～8.28%之間。融沉率基本隨著含水量增大而增大，隨著干密度增大而減小。

試驗(yàn)土樣在一次凍結(jié)時(shí)土體結(jié)構(gòu)在成冰作用下會(huì)發(fā)生破壞，凍土融化后將重新固結(jié)，但此時(shí)無外荷載作用，土體會(huì)變得松散，導(dǎo)致在二次凍結(jié)后凍土的融沉率略大于一次凍結(jié)土的融沉率。融沉試驗(yàn)是在封閉系統(tǒng)且不加壓解凍條件下進(jìn)行的，而工程的實(shí)際情況是土體要承受上部土水壓力且是一個(gè)開放式的系統(tǒng)，實(shí)際的融沉率比試驗(yàn)測(cè)得的要大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮，施工時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的控制融沉措施[7]。

3 凍脹防治措施

在季節(jié)性凍土地區(qū)，影響地基土凍脹性的因素主要有氣溫、土的類別、凍前含水量及地下水位等。凍脹與融沉一般都是不均勻的，季節(jié)性凍土每年凍融交替，在地下水水位較高、土中細(xì)粒多、承載力差的土層中，凍害尤為嚴(yán)重[8]。凍害治理應(yīng)根據(jù)不同情況采取相應(yīng)措施。

當(dāng)?shù)叵滤惠^淺時(shí)，由于毛細(xì)水作用，地下水會(huì)在一定深度范圍內(nèi)不斷補(bǔ)充水位與細(xì)顆粒土，從而導(dǎo)致凍脹量不斷增大，此時(shí)應(yīng)先降低地下水位、設(shè)置盲溝等，再對(duì)地基土進(jìn)行粗顆粒土換填處理，同時(shí)加強(qiáng)排水。地下水位以上的凍脹地層可采用夯實(shí)措施，使土體顆粒重組，降低土體孔隙率、透水性和抗?jié)B性能，有效削弱土體凍脹能力，同時(shí)在基礎(chǔ)外圍邊側(cè)回填粗砂、中砂、礫石、火山灰和爐渣等非凍脹性材料，以減少凍切力的作用。

當(dāng)?shù)叵滤惠^深且地基土凍脹等級(jí)為不凍脹或弱凍脹時(shí)，地基土凍脹量較小，但當(dāng)由于雨水或雪水等下滲致地基土含水量增大后，凍脹量就會(huì)增加，此時(shí)應(yīng)設(shè)置系統(tǒng)排水設(shè)施，防止施工和使用期間的雨水、地表水、施工用水、生活污水等侵入地基土增加凍脹危害。當(dāng)?shù)叵滤惠^深且地基土凍脹等級(jí)為凍脹、強(qiáng)凍脹或特強(qiáng)凍脹時(shí)，應(yīng)采取換填措施，采用透水性較好的粗粒土如級(jí)配碎石、砂礫石等換掉部分凍脹細(xì)顆粒土，同時(shí)加強(qiáng)排水等措施。

4 結(jié)論

(1)與未凍土的壓縮模量相比，凍融后土樣的壓縮模量隨著土樣干密度的增大而降低，二次凍融土與一次凍融土的壓縮模量數(shù)值比較接近。凍融后土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù)值要小于未凍土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值，二次凍融土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值比一次凍融土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù)值小。

(2)凍融作用會(huì)改變土層的力學(xué)性質(zhì)，使土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)值變小。同一深度凍融后的土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)值小于未凍土的抗剪強(qiáng)度值，二次凍融土的抗剪強(qiáng)度值比一次凍融土的抗剪強(qiáng)度數(shù)值小。

(3)凍脹力與凍脹率均隨著含水量與超塑含水量的增大而增大，隨著干密度的增大而減小，且經(jīng)過一次凍融循環(huán)，凍脹力和凍脹率都略有增加。融沉率基本隨著含水量增大而增大，隨著干密度增大而減小。

(4)影響地基土凍脹性的因素主要有氣溫、土的類別、凍前土體含水量以及地下水位等。季節(jié)性凍土地區(qū)凍害的治理應(yīng)查清凍害產(chǎn)生的主要因素并根據(jù)不同的情況采取相應(yīng)措施。