冷端溫度及解凍條件對原狀海相軟土凍融前后物理特性影響研究

楊 平，刁鵬程，張 婷，楊國清

（南京林業(yè)大學土木工程學院，江蘇 南京 210037）

隨著地下軌道交通的興建，人工凍結(jié)法以其較強的適用性與可靠性廣泛應用于各類軟弱地層盾構工程、搶險工程等。但凍融作用會影響土的內(nèi)部結(jié)構及物理力學特性[1-2]，這些特性的變化容易改變甚至劣化土體工程性質(zhì)，對建筑和結(jié)構工后沉降與變形產(chǎn)生重要影響。我國沿海地區(qū)廣泛分布著深厚的第四紀瀉湖相、濱海相等海相沉積軟土層，此類土層天然含水量大、孔隙比大、壓縮系數(shù)高、強度低，并具有蠕變性、觸變性等特殊的工程性質(zhì)[3]，凍融后物理特性的變化更易產(chǎn)生不利影響，如軟土在人工凍結(jié)法施工后壓縮性變大[4]，在地鐵運行后易導致長期沉降[5]，若沉降控制不當，容易引發(fā)聯(lián)絡通道開裂漏水、管片錯位等問題[6]。由于物理性質(zhì)在一定程度上可以反映土的力學性質(zhì)，因此研究此類軟土凍融前后物理性質(zhì)的差異對我國沿海地區(qū)廣泛分布的海相軟土進行人工凍結(jié)施工尤為重要。

土體凍融前后物理性質(zhì)變化的研究成果較多。凍融作用后，試樣會發(fā)生水分遷移，含水率出現(xiàn)重分布[7-9]；緊密土干密度減小，松散土干密度增大[10-11]，而孔隙比變化規(guī)律與之相反[12-14]；普遍認為多次凍融將導致土體的界限含水率發(fā)生改變，但具體變化方向與規(guī)律爭議較大[15-17]，而單次凍融對界限含水率變化不明顯[18]；緊密土經(jīng)過凍融后滲透性會增大，松散土會減小[16,19-20]，且滲透性變化與孔隙比、干密度存在一定關聯(lián)[21-23]；土粒比重主要與其礦物組成和有機質(zhì)含量有關，凍融不能改變其礦物組成和有機質(zhì)含量，因此比重不會產(chǎn)生變化[18,24]。

以上研究選用的解凍條件較為單一，均為自然解凍，而實際工程中已開始應用強制解凍，相關研究尚不足，且對海相軟土在不同冷端溫度影響下的物理性質(zhì)變化研究較少，而物理性質(zhì)變化直接影響著凍融土的長期融沉。因此，為全面評價不同凍融作用對海相軟土物理性質(zhì)的影響，試驗以不同凍結(jié)溫度和不同解凍條件為變量，以寧波沿海典型軟土為研究對象，分析各物理參數(shù)凍融前后差異性，獲得一般性變化規(guī)律并深入揭示其機理，為人工凍結(jié)法融沉控制提供依據(jù)和指導。

1 試驗規(guī)劃

試驗土樣取自寧波地鐵5#線一期工程KC5102 標，基本物理性質(zhì)見表1，顆粒曲線見圖1。土樣中各粒組含量為：黏粒組占42.22%，粉粒組占47.69%，砂粒組占10.09%。塑性指數(shù)為21.4，大于17，根據(jù)土的分類標準，試驗用土定名為黏土。試驗研究在-5℃、-10℃、-15℃共3種冷端溫度及強制解凍和自然解凍2種解凍條件（溫度相同）下，寧波原狀軟黏土與凍融軟黏土各項物理參數(shù)的差異性，分析不同溫度、不同解凍條件對各參數(shù)的影響規(guī)律。試驗方案見表2。

圖1 顆粒分析曲線Fig.1 Particle analysis curve

表2 試驗方案Table2 Experiment planning

為模擬自然凍土與人工凍結(jié)均為由冷端向暖端的單向凍結(jié)過程，采用單向凍結(jié)方式研究凍融土物理參數(shù)的差異性更符合實際。

凍融試驗采用南京林業(yè)大學自制凍脹融沉儀進行，試驗裝置示意圖如圖2所示。凍脹試驗方法為：環(huán)境箱溫度始終保持為1℃，凍結(jié)開始前設置頂板和底板溫度1℃，在土樣各高度溫度均勻恒定于1℃后，采用封閉系統(tǒng)底端單向凍結(jié)方式，將底板冷端溫度設置到相變量開始單項凍結(jié)試驗；當試樣溫度梯度恒定，且凍脹量在2 h 內(nèi)變化率小于1%，視凍結(jié)完成。融沉試驗采用自然解凍與強制解凍2種解凍方式：自然解凍方法為同時停止上、下端冷板供冷，將恒溫箱溫度設定為20℃，讓土樣緩慢融化下沉；強制解凍方法為將恒溫箱溫度設定為1℃，停止下端冷板供冷，增大上端冷板溫度，使上端土樣受60℃的熱水循環(huán)傳熱，實現(xiàn)土樣自上向下的單向融沉，當試樣完全為正溫且位移變化2 h 內(nèi)小于0.01 mm時融沉完成。最后對原狀土樣和凍融后試樣按照土工試驗標準進行密度、含水率和孔隙比試驗。

圖2 凍脹融沉儀原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of frost heaving and hawing settlement instrument

由于單向凍結(jié)存在溫度梯度，不同高度處土樣凍結(jié)情況不同，擾動情況不一，易導致各高度處滲透性變化不同，而試樣滲透能力的大小由最小滲透系數(shù)決定，考慮到滲透試驗試樣較厚，采用單向凍融方式制得的試樣不同高度滲透性存在差異，所得數(shù)據(jù)難以真實反映出變量對滲透性的影響。因此，本文研究滲透系數(shù)變化時，采用恒溫環(huán)境凍融方式進行實驗；同時由于采用恒溫環(huán)境凍融方式，強制解凍與自然解凍差別僅為提高了環(huán)境溫度，加速了融沉，實質(zhì)與自然解凍并無差別，故對滲透系數(shù)差異性的研究僅以溫度為變量。

滲透系數(shù)試驗試樣由原狀土在高低溫交變試驗箱中凍融后再進行環(huán)刀取樣制得。試樣在封閉環(huán)境箱中先進行12 h 凍結(jié)，確保試樣凍透后，將試驗箱溫度設定為20℃，進行8 h 自然解凍，獲得凍融軟黏土。制樣采用TST-55型滲透儀專用環(huán)刀（Φ61.8×40 mm）對原狀土和凍融土取樣，同時測定試樣的含水率和密度，制樣后按照土工試驗標準要求進行滲透試驗。試樣制備與試驗方法見表3。

表3 試樣制備與試驗方法Table3 Specimen preparation schedule

2 試驗結(jié)果分析

單向凍結(jié)達到穩(wěn)定，試樣存在凍結(jié)區(qū)與未凍區(qū)，不同溫度條件下凍結(jié)區(qū)與未凍區(qū)厚度不同，充分了解二者厚度大小，有助于分析凍融后物理特性差異的原因。表4為本試驗試樣凍結(jié)穩(wěn)定后不同高度的溫度，對溫度分布線性回歸后，由凍結(jié)溫度為-0.4℃可得凍結(jié)區(qū)的高度在-5℃時為 7.8 cm、-10℃時為9.0 cm、-15℃時為9.4 cm。

表4 試樣凍結(jié)穩(wěn)定時不同高度處溫度Table4 Temperature of different heights of the sample when the freezing is stable

2.1 含水率差異分析

2.1.1 冷端溫度對含水率分布的影響

3種冷端溫度下試樣凍融前后不同高度處的含水率變化量Δw如圖3所示。由圖3（a）可見，試樣在經(jīng)歷1次凍融后，土樣沿高度呈現(xiàn)的含水率的不同變化說明含水率出現(xiàn)了明顯的重分布現(xiàn)象，這是由于凍結(jié)過程中凍結(jié)區(qū)對未凍區(qū)存在吸力，未凍區(qū)為負壓，水分在壓力作用下遷移至凍結(jié)區(qū)凍結(jié)，而底部凍結(jié)鋒面自下而上推進直至穩(wěn)定，期間未凍區(qū)水分不斷向下遷移相變成冰，導致含水率發(fā)生重分布。封閉情況下，因無水分持續(xù)補給，隨著上部未凍區(qū)水分在遷移作用下越來越少，導致越早凍結(jié)的區(qū)域水分累積量越大，而0～2 cm處由于凍結(jié)過快水分來不及全部遷移至此，故2～4 cm處含水率增長最大，這與前人封閉狀態(tài)下凍融后水分遷移與分布規(guī)律研究成果基本一致[25]。

圖3 冷端溫度對軟黏土含水率變化影響Fig.3 Moisture content changes of the clay under the influence of different temperatures

為具體比較含水率增大與減小情況，由圖3（a）可見試樣高度8～10 cm（頂部）和試樣高度2～4 cm（底部）處|Δw|最大，分別繪制2個高度處含水率變化率與冷端溫度關系曲線（圖3b）。由圖3（b）可知：

（1）隨冷端溫度每降低1℃，含水率變化程度隨之減小4%～8%，說明了水分遷移量隨冷端溫度降低而逐漸減小。這是由于冷端溫度越低，凍結(jié)峰面推進速度越快，試樣完成凍脹越快，水分遷移時間就越短，水分遷移量隨之減少。所以，冷端溫度的高低直接影響著凍土水分遷移量的大小。

（2）相同冷端溫度下，試樣底部含水率增長量總小于上部含水率減少量。這是由于封閉系統(tǒng)凍結(jié)含水率一定，試樣上部（6～10 cm）處含水率減小，而中下部（0～6 cm）含水率增大，試樣含水率減少比增長更為集中，使含水率最大增量小于含水率最大減量。

2.1.2 解凍條件對含水率分布的影響

自然與強制解凍條件下試樣凍融前后不同高度處的含水率如圖4（a）所示。由圖4（a）可知，雖然解凍方式不同，但凍融土試樣沿試樣高度含水率變化規(guī)律相似，且與圖3（a）表現(xiàn)的規(guī)律相同。由此可見，凍融土含水率重分布情況主要受凍結(jié)過程影響，解凍條件對含水率重分布規(guī)律造成的差異性較小。

圖4 解凍條件對軟黏土含水率變化影響Fig.4 Moisture content changes of clay under the influence of different thawing ways

依據(jù)上文比較方法，將2種解凍方式下黏土凍融前后2～4 cm和8～10 cm處含水率差值繪于圖4（b）中，由圖4（b）可知：

（1）自然解凍的最大含水率增量比強制解凍多約30%，但最大含水率減量卻相反。這種特殊差異的產(chǎn)生主要是由于自然解凍完成時間比強制解凍長，融化鋒面推進較慢，水分在自重作用下向下遷移時間更為充足，造成自然解凍試樣下部含水率增量大于強制解凍；而強制解凍時最大含水率減量更多，這是因為自然解凍采用提高環(huán)境溫度的方式，過程平緩，水分揮發(fā)量少，而強制解凍方式為試樣頂部冷板以恒定60℃熱水循環(huán)，試樣在大溫差下上部不僅迅速融化升溫，水分損失也隨之增大，從而造成這種現(xiàn)象。因此，強制解凍對凍土解凍過程中含水率的影響程度比自然解凍約低23%。

（2）同一試樣含水率最大增量總小于含水率減量，其原因與冷端溫度影響下的凍融土含水率變化規(guī)律相似。

2.2 干密度與孔隙比差異分析

2.2.1 冷端溫度對干密度和孔隙比的影響

對不同冷端溫度凍融前后土樣，分別在試樣上（0～3 cm）、中（3.5～6.5 cm）、下（7～10 cm）段用環(huán)刀取樣，測得各試樣不同高度的干密度和孔隙比，繪制各高度處干密度與孔隙比變化率隨冷端溫度變化關系（圖5）。

由圖5可知：

（1）凍融作用使土的干密度減小，孔隙比增大。這是由于凍結(jié)過程中存在水分遷移與重分布，使孔隙形態(tài)與分布發(fā)生改變，同時由于水成冰體積增大，擠壓土顆粒，使其產(chǎn)生位移，一方面破壞了土樣原有結(jié)構，另一方面使孔隙體積比增加。而冰融化時，在融化水分遷移和土顆粒自重的影響下，土粒再次位移，但由于土是非線彈性材料，已損傷的結(jié)構無法恢復，新增的孔隙無法消失。因此，凍融作用后土樣干密度減小，孔隙比增加。

（2）隨冷端溫度每降低1℃，凍融作用對土樣干密度和孔隙比的變化影響減小4%～8%。由上文可知，隨著冷端溫度降低，水分遷移量與相變量減少，土顆粒受擠壓和孔隙改變程度逐漸緩和，土體體積縮小量和孔隙增加量變少，因此干密度和孔隙比受到的影響程度減小。

（3）不同高度處，凍融土試樣的干密度和孔隙比變化量均呈現(xiàn)上端最小、中間次之、下端最大的變化規(guī)律。這是由于試樣采取自下向上的單向凍結(jié)方式，水分向下遷移，累積在凍結(jié)鋒面處，而含水率越大，凍脹越強烈，這就造成試樣結(jié)構不同高度受到損傷程度不同，孔隙的增加量也隨之不同，干密度與孔隙比的變化程度也不同。

圖5 冷端溫度對不同高度干密度和孔隙比影響Fig.5 Changes in dry density and void ratio at different heights under the influence of temperatures

2.2.2 解凍條件對干密度和孔隙比的影響

不同解凍條件下凍融土試樣不同高度處干密度和孔隙比變化率如圖6所示。

分析圖6可知：

（1）自然解凍土樣干密度經(jīng)歷凍融作用后減小，而孔隙比增大；強制解凍土樣中、下段干密度減小，孔隙比增加，而上端干密度增加，孔隙比減小。自然解凍和強制解凍共存的干密度減小、孔隙比增大現(xiàn)象是因為凍融作用破壞了土體結(jié)構，土體不再致密且孔隙增加，從而導致干密度減小，孔隙比增大。而強制解凍試樣上部卻出現(xiàn)干密度增加、孔隙比減小的特殊現(xiàn)象，究其原因是強制解凍時，利用60℃熱源對頂部土樣加熱，在此過程中，試樣上端溫度上升至接近頂板溫度，土體水分減少更多，同時在熱融沉陷作用的影響下，上部土體孔隙量減少，土體變得更加密實，干密度不減反增，孔隙比反而減小。

（2）自然與強制解凍土樣均呈現(xiàn)自上而下受凍融作用影響越來越大的規(guī)律，這與上文結(jié)論一致。

圖6 解凍方式對不同高度干密度和孔隙比影響Fig.6 Changes in dry density and void ratio at different heights under the influence of different thawing ways

（3）自然解凍時凍融作用對土樣干密度和孔隙比的影響更強烈，約為強制解凍的2倍。這是因為自然解凍，融沉過程平緩，融化鋒面推進較慢，土中冰晶融化與水分遷移更充分，對土體結(jié)構產(chǎn)生的影響更大，促進了土顆粒的位移，且土體無法恢復原狀結(jié)構，因此自然解凍對土體干密度和孔隙比的影響更大。

2.3 滲透性差異分析

本文對原狀土及凍融土除進行變水頭滲透試驗，同時也測定相應試樣含水率、干密度、孔隙比的物理參數(shù)指標，以探究溫度影響下凍融作用對軟黏土滲透性的影響規(guī)律。滲透試驗成果如表5所示。

表5 不同溫度滲透試驗結(jié)果Table5 Results of permeability experiment under the influence of different freezing temperatures

由表5對比分析可知：

（1）凍融作用后，黏土含水率略有增大，干密度略微減小，孔隙比稍有增大，滲透系數(shù)明顯增大1～4倍。含水率增大，這與凍融過程中不可避免接觸空氣中冷凝成冰的額外水分有關，且溫差越大，冷凝水分越多；而干密度、孔隙比參數(shù)變化與上文凍融作用下的結(jié)論一致。由于土的顆粒形狀、溶液性質(zhì)、礦物成分、孔隙大小和分布等因素決定了土體的滲透性，凍融作用破壞了土體原有結(jié)構，減小了干密度，增大了孔隙比，導致滲透性增大。

（2）隨凍結(jié)溫度降低，滲透系數(shù)增大。究其原因是：由于采取在恒溫環(huán)境中進行整樣12 h的凍結(jié)方式，試樣凍結(jié)由外向內(nèi)，外部環(huán)境溫度越低，土樣內(nèi)外的溫度梯度愈大，凍結(jié)鋒面的形成與推移愈快，水分凍結(jié)也隨之加快，土體孔隙中水的相變作用也越劇烈，此時凍融作用對土體結(jié)構破壞越嚴重，土顆粒不再致密，干密度隨之減??；同時，隨著水成冰越劇烈，冰體積越大，導致土顆粒位移越大，孔隙數(shù)目增加越多，滲流孔隙面積越大，由于土顆粒表面積越大，液相表面的作用更強烈，這進一步增強了水的流動性，而凍土完全融沉后，無法恢復到原有結(jié)構。綜合因素影響下，滲透性隨環(huán)境凍結(jié)溫度的降低而增大。

3 綜合分析

（1）凍融海相軟黏土滲透性與干密度和孔隙比的變化相關性較強。分別將干密度、孔隙比與滲透系數(shù)隨溫度變化的曲線繪制為圖7。由圖7可以看出：凍融軟黏土的滲透性與孔隙比呈正相關性，與干密度呈負相關性。而考慮到土體的滲透性由土的顆粒形狀、溶液性質(zhì)、礦物成分、孔隙大小和分布等因素決定，在凍融作用不改變土的溶液性質(zhì)和礦物成分的情況下，凍融土滲透性的變化直接受干密度和孔隙率的影響，因此，凍融前后的滲透系數(shù)產(chǎn)生差異性本質(zhì)上仍是由水分遷移和水分相變引起的。

（2）相較于原狀土，單向凍融作用下，隨冷端溫度降低，試樣含水率、干密度和孔隙比三參數(shù)變化程度減小，而采取環(huán)境恒溫凍結(jié)時，卻呈現(xiàn)變化程度增大的現(xiàn)象，這并不矛盾。比較兩種凍結(jié)方式后發(fā)現(xiàn)：單向凍融以位移變化量穩(wěn)定為結(jié)束標準，此類凍結(jié)，冷端溫度越高，水分遷移和相變量越多。而以恒溫環(huán)境溫度凍結(jié)，時間一定，溫度越低時，土體中水分遷移與相變越劇烈，水分遷移和相變量越多，對土體結(jié)構破壞程度越大，干密度越來越小，孔隙比反之越來越大，滲透系數(shù)越大。因此不同凍結(jié)溫度與凍融方式實質(zhì)是影響著水分遷移量和相變量大小，其變化量直接影響著凍融土物理參數(shù)的變化程度。

圖7 溫度影響下滲透系數(shù)與孔隙比及干密度的變化曲線Fig.7 Changes in void ratio and permeability coefficient,dry density and permeability coefficient under the influence of different freezing temperatures

因此，凍融作用使土體發(fā)生水分遷移，導致含水率重分布，而水分的遷移與相變，擾動與擠壓了土顆粒，破壞了土體結(jié)構，增大了孔隙比，減小了干密度，導致滲透性變大，這進一步使軟黏土凍融后物理力學性質(zhì)變差，且由于軟黏土自身工程性質(zhì)差，列車運營荷載易使凍融后的軟黏土進一步沉降，產(chǎn)生長期融沉。除此之外，水分遷移量與相變量的大小直接影響著試樣不同條件下和不同高度處各參數(shù)的變化量。由此可見，凍融土各物理參數(shù)彼此存在較大的關聯(lián)，而它們共同受水分的遷移與相變影響，所以工程實際中，運用人工凍結(jié)法時，選擇合理的制冷溫度和強制解凍方式更有利于減小凍融軟黏土的物理性質(zhì)變化；同時，水分遷移機理的研究有助于深入揭示各參數(shù)的變化內(nèi)在機理，而現(xiàn)階段對水分遷移機理的研究尚無統(tǒng)一的定論，對水分遷移機理的研究有待進一步探討。

4 結(jié)論

（1）凍融作用使軟黏土內(nèi)水分發(fā)生遷移和相變，含水率沿單向凍結(jié)方向發(fā)生重分布；干密度總體減小并呈現(xiàn)上端最大、中間次之、下端最小的分布規(guī)律；而孔隙比與干密度變化呈負相關性，孔隙比總體增大并呈現(xiàn)上端最小、中間次之、下端最大的分布規(guī)律；滲透系數(shù)變化與孔隙比呈現(xiàn)正相關，與干密度呈現(xiàn)負相關的關系，凍融引起軟黏土的干密度減小和孔隙比增大會導致黏土滲透系數(shù)增大。

（2）單向凍融作用中，隨冷端溫度降低，水分遷移越劇烈，完成時間越短，但水分遷移與相變量也減少，土體水分重分布的變化程度逐漸減弱，干密度和孔隙比變化量隨之減小，凍結(jié)溫度每降低1℃，凍融作用對3個參數(shù)產(chǎn)生的影響減小4%～8%；而環(huán)境恒溫凍融作用下，隨冷端溫度降低，水分遷移越劇烈，水分遷移與相變量越大，滲透系數(shù)隨之增大1～4倍。

（3）不同解凍條件下，含水率均出現(xiàn)重分布，其分布規(guī)律與溫度影響下的凍融土相似；干密度呈現(xiàn)自然解凍下自上而下減小越多，而強制解凍下暖端卻稍有增大的情況；孔隙比的變化則與干密度相反。與自然解凍相比，強制解凍對土體水分變化影響程度減小約23%，對干密度和孔隙比的影響程度減小約50%。

（4）凍融作用引起土樣凍融前后物理性質(zhì)產(chǎn)生變化的根本原因是土體凍融過程中存在水分遷移現(xiàn)象，對水分遷移機理的探究有助于揭示凍融土物理性質(zhì)變化的內(nèi)在機理，這有待于進一步深入研究。