蘭州地區(qū)黃土水平凍脹力分析

張 正，馬學(xué)寧，朱啟有

（蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

凍土是指溫度低于0 ℃，且含冰的巖土，其由水、冰、氣體和固體礦物顆粒組成[1]。它是一種多相體系，其性質(zhì)受未凍水含量和含冰量的控制，而含冰量的多少會隨溫度的變化而變化。因此凍土是一種不同于普通土的特殊土體。我國凍土分布面積廣大，永久性和季節(jié)性凍土面積約占全國陸地總面積的2/3，凍土主要分布在我國西北和緯度較高的東北部地區(qū)[2]。隨著“一帶一路”國家戰(zhàn)略的進一步推進，西部地區(qū)將建設(shè)許多重大工程項目。這些工程在低溫作用下不可避免的會產(chǎn)生凍害問題，比如水平凍脹力造成支擋結(jié)構(gòu)和輸水渠道的破壞，凍脹造成公路路面開裂、造成鐵路軌面不平順，這些問題都是凍土地區(qū)工程建設(shè)所要面對的挑戰(zhàn)，因此對凍土、土體水平凍脹力的發(fā)展及其危害等問題進行深入研究顯得尤為重要。

EIGENBROD[3]研究發(fā)現(xiàn)土體的體積會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，但后期會慢慢趨于穩(wěn)定。李巖等[4]利用大型三維模擬凍結(jié)試驗系統(tǒng)，對豎向直排凍結(jié)條件下不同深度土體的水平凍脹力分布特性進行了試驗研究。劉鴻緒等[5?6]在凍脹力學(xué)方面做了大量的研究，指出法向凍脹力的大小與地表的總凍脹量無關(guān)，地表的總凍脹量是整個凍結(jié)深度范圍內(nèi)土體凍脹率線性疊加的宏觀表現(xiàn)，還提出土體在凍結(jié)過程中，首先產(chǎn)生水平凍脹壓應(yīng)力，然后該壓應(yīng)力逐漸減小并變?yōu)閮隹s溫度拉應(yīng)力。孫彥福等[7]認為在季節(jié)凍結(jié)層和季節(jié)融化層之間存在水平凍脹力，根據(jù)水平凍脹力與凍結(jié)鋒面的關(guān)系將其分為平行水平凍脹力和垂直水平凍脹力，并提出水平凍脹力有其發(fā)生、發(fā)展及消退的獨特規(guī)律。姜龍等[8]通過室內(nèi)凍結(jié)試驗研究了溫度、含水量、干密度和凍脹率等因素與法向凍脹力的關(guān)系并且分析了土體上覆荷載對土體凍脹的影響。胡坤等[9]通過大量一維凍脹試驗研究了不同約束條件下土體水分場、凍脹量、凍脹率和凍脹力的變化規(guī)律以及土體凍脹量與凍脹力之間的關(guān)系。王建州等[10]通過室內(nèi)模型試驗研究了季凍區(qū)越冬深基坑在凍結(jié)-融化過程中水平凍脹力的變化規(guī)律。呂長霖[11]通過自行研制的一維凍脹試驗系統(tǒng)，研究了不同水平約束剛度和豎向荷載條件下凍脹敏感性土的凍脹規(guī)律以及水平凍脹力。VINSON 等[12]和LING等[13]研究了含水率對凍結(jié)土體動態(tài)特性的影響。

國內(nèi)外學(xué)者對土體凍脹機理、凍脹特性、法向凍脹力的發(fā)展規(guī)律、凍害治理措施和凍害預(yù)測模型做了大量的研究，發(fā)現(xiàn)了大量規(guī)律并提出了許多理論。但對一維凍結(jié)條件下水平凍脹力的發(fā)展研究較少，通過室內(nèi)模型試驗研究水平凍脹力變化的報道也比較少。在我國黃土地區(qū)，既有普速鐵路在建設(shè)時修筑了大量素黃土路基，由于黃土特殊的物理力學(xué)性質(zhì)造成部分路基的凍害比較嚴重，由于維修天窗時間的限制凍害線路處理和維修的難度較大。本文以季節(jié)性凍土區(qū)黃土路基為研究對象，采用室內(nèi)模型試驗方法，研究了路基在一維凍結(jié)過程中土體溫度和水平凍脹力的變化規(guī)律，給出了土體溫度的變化曲線，水平凍脹力與時間之間的關(guān)系。以期通過不同含水率條件下黃土一維凍脹試驗來探索黃土路基凍脹災(zāi)害防治的有效措施和方法。

1 模型試驗

1.1 材料性質(zhì)

試驗土料取自甘肅省蘭州市九州臺地區(qū)，基本物理指標(biāo)依據(jù)《鐵路工程土工試驗規(guī)程》[14]中的相關(guān)規(guī)定進行，試驗測得其基本物理指標(biāo)如表1所示。

表1 黃土基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of loess

1.2 試驗裝置

試驗采用單向封閉凍結(jié)試驗系統(tǒng)，試驗系統(tǒng)可以按照試驗要求控制溫度，該系統(tǒng)由溫度控制系統(tǒng)、環(huán)境箱和模型箱、測量系統(tǒng)3 部分組成（圖1）。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the testing system

溫度控制系統(tǒng)使用杭州雪中炭恒溫技術(shù)有限公司生產(chǎn)的低溫恒溫循環(huán)器，其輸出溫度范圍為?30 ℃～+50 ℃，精度0.2 ℃，循環(huán)液使用無水乙醇。

使用試驗室環(huán)境箱其尺寸為2 m×2 m×1.8 m。模型箱由角鋼和有機玻璃制成，尺寸為0.8 m×0.6 m×0.8 m，側(cè)壁和底部均粘貼保溫棉。

測量系統(tǒng)包括：(1)水平凍脹力的測量：使用定制的微型土壓力盒，其外形尺寸為Φ30 mm×9 mm，量程為200 kPa，精度為±0.5%，為了使水平凍脹力測量準確，埋設(shè)土壓力盒時保證其正面與模型箱壁嚴格平行，土壓力盒均居中布置；(2)溫度的測量：溫度測量采用鉑熱電阻pt100，其工作范圍：?50～+200 ℃，精度為0.1 ℃。溫度測量傳感器的埋設(shè)位置和微型土壓力盒在相同深度并且錯開一定的水平距離，土體從上表面開始沿深度每隔12 cm 設(shè)置一個；(3)數(shù)據(jù)采集：使用32 通道靜態(tài)應(yīng)變采集儀，LCXAF 溫度巡檢儀和安裝相關(guān)采集軟件的計算機。為保證試驗數(shù)據(jù)的準確與可靠性，溫度和凍脹力測量傳感器均布設(shè)了兩個斷面（圖2）。

1.3 試驗技術(shù)路線

本研究采用閉式一維凍脹模型試驗系統(tǒng)，來模擬冷源單向凍結(jié)條件。試驗過程中記錄溫度場和水平凍脹力的變化數(shù)據(jù)。試驗中土體的含水率分別為14%、16%和20%，壓實度為0.9，研究采用封閉系統(tǒng)，環(huán)境箱溫度為?20 ℃。在模型箱和環(huán)境箱之間的空隙中填充保溫棉，由于其導(dǎo)熱系數(shù)很小，可以認為試驗設(shè)備的溫度邊界條件能滿足試驗設(shè)計的一維凍結(jié)條件。為了模擬自然條件下的排水邊界條件，模型箱底部鋪5 cm 中粗砂。按照試驗方案將拌和均勻的土分層填入模型箱，填土過程中將溫度傳感器和土壓力盒按照試驗要求安裝在相應(yīng)位置，填筑完成后對箱內(nèi)土體進行補水，然后將箱內(nèi)土體靜置72 h，使土體中水分分布均勻。開啟低溫環(huán)境試驗箱的溫度控制系統(tǒng)，設(shè)置控制溫度為?20 ℃，對模型進行降溫凍結(jié)并定期檢查所采集的數(shù)據(jù)。當(dāng)土體溫度下降到試驗方案的設(shè)計值時，停止凍結(jié)。設(shè)置控制溫度為20 ℃來模擬融化過程。填筑完成后的模型如圖2所示。

圖2 試驗裝置實物圖Fig.2 Physical drawings of the test facility

2 試驗結(jié)果分析

2.1 溫度場

圖3為一個凍融循環(huán)周期試驗過程中土體不同深度處溫度的變化曲線。以土體含水率14%、16%和20%的結(jié)果為例進行說明，環(huán)境箱內(nèi)的環(huán)境溫度在試驗開始25 h 后達到試驗所設(shè)定的溫度并且基本穩(wěn)定。試驗進行320 h 后由凍結(jié)階段轉(zhuǎn)變?yōu)槿诨A段，環(huán)境溫度快速上升到試驗設(shè)定的溫度。由溫度變化曲線可以看出，距離土體表面越遠溫度曲線就越對稱，降溫速率相近。靠近表面的點，土體凍結(jié)和融化過程曲線差異較大，升溫的速率大于降溫的速率并且在0.4 ℃出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，降溫階段的溫度變化速率0.051 ℃/h，升溫階段的溫度變化速率0.155 8 ℃/h。

圖3 溫度的變化曲線Fig.3 Variation curve of temperature

溫度變化到0.4 ℃處時較深處的土體降溫速率出現(xiàn)一個平穩(wěn)階段，降溫曲線基本平行于橫坐標(biāo)，并且在降溫和升溫兩個階段表現(xiàn)出很強的對稱性。造成這一現(xiàn)象的主要原因是土體中的水分釋放相變潛熱，并且含水率越高這種現(xiàn)象越明顯。凍結(jié)后期(土體溫度從0.4 ℃下降到試驗降溫結(jié)束)各深度處土體的溫度下降速率較慢，這主要是土體凍結(jié)后土體導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容發(fā)生了變化。含水率不同的土體溫度變化規(guī)律相似，土體不同深度處的升溫過程與降溫階段對稱。

2.2 水平凍脹力

土體凍結(jié)過程中，隨著土體溫度的逐漸降低土中的液態(tài)水變?yōu)楸ü虘B(tài)水），未凍水含量減少，土體含冰量增加，同時伴隨著土體體積逐漸增大，并且土體產(chǎn)生凍脹位移和凍脹力。一個凍融循環(huán)周期土體水平凍脹力與凍結(jié)時間的關(guān)系如圖4所示。由圖可知，當(dāng)溫度降低到起始凍結(jié)溫度時土體開始產(chǎn)生水平凍脹力，起始凍脹力為0.6 ℃；隨著環(huán)境箱內(nèi)的溫度進一步的降低，水平凍脹力快速增長并達到最大值，土體某一點最大水平凍脹力對應(yīng)的溫度稱為最大凍脹力溫度：然后溫度繼續(xù)下降時水平凍脹力逐漸減?。弘S著溫度的進一步降低，水平凍脹力出現(xiàn)負值。當(dāng)溫度開始回升時水平凍脹力有波動增大的趨勢。距離表面為12 cm 處的土地凍結(jié)150 h后土地開始出現(xiàn)水平凍脹力，水平凍脹力先逐漸增加并出現(xiàn)最大值，凍結(jié)260 h 之后水平凍脹力然后逐漸減小。

圖4 水平凍脹力隨溫度變化曲線Fig.4 Variation of horizontal frost heaving force with the temperature

根據(jù)曲線變化趨勢，可將一個凍融循環(huán)過程中水平凍脹力的變化分為4 個區(qū)段：①土體溫度在?0.6 ℃以上基本不產(chǎn)生水平凍脹力；②當(dāng)土體溫度下降到?0.6 ℃時水平凍脹力開始增長，當(dāng)土體溫度下降到某一溫度（最大凍脹力溫度）時水平凍脹力出現(xiàn)最大值，不同含水率的土體出現(xiàn)凍脹力最大值的溫度不同；③土體溫度低于最大凍脹力溫度后，土體中水平凍脹力逐漸降低；④融化階段當(dāng)土體溫度開始升高時水平凍脹力產(chǎn)生波動，又進一步有所增大。

在封閉一維凍結(jié)條件，隨著環(huán)境箱溫度下降，土體溫度也逐漸降低，當(dāng)土體溫度降至起始凍結(jié)溫度后，含水量超過起始凍脹含水量的土體將會產(chǎn)生凍脹并且在水平方向出現(xiàn)水平凍脹的內(nèi)應(yīng)力。此時，在垂直方向由于土體表面是無約束的，因而會產(chǎn)生凍脹量。當(dāng)土體溫度繼續(xù)降低土體中的未凍水大部分會逐漸凍結(jié)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的冰，在此期間凍脹過程基本完成，水平凍脹力達到最大值。當(dāng)土體溫度繼續(xù)降低時，由于土體中未凍水含量較少因而產(chǎn)生的凍脹很小，土顆粒的降溫收縮的效果將會大于未凍水凍結(jié)而產(chǎn)生的體積增大，土體收縮會使水平凍脹力逐漸減??；土體降溫至某一溫度值水平凍脹力則會減小到零，此時土中水由于凍結(jié)而增大的體積和土顆粒由于冷縮減小的體積相等；土體溫度繼續(xù)降低水平凍脹力出現(xiàn)負值，由于土壓力盒不能測量拉應(yīng)力，理論上負值的水平凍脹力的量值最大等于土體凍結(jié)前的土壓力。

最大水平凍脹力沿深度的分布如圖5所示，由圖可知，最大水平凍脹力的量值在0～24 cm 處相對穩(wěn)定，變化較小，在36～48 cm 處出現(xiàn)最大值?？傮w趨勢沿著土體深度先是較為穩(wěn)定，數(shù)值變化較??；然后增大出現(xiàn)最大值最后減小。水平凍脹力最大值隨含水率有很明顯的變化，而其它值的大小受含水率的影響較小。水平凍脹力最大值出現(xiàn)在相對深度0.6～0.8 處，含水率為14%的土體最大水平凍脹力為15.46 kPa，含水率16%的土體為22.69 kPa，含水率20%的土體為25.12 kPa。

2.3 水平凍脹力、土體溫度和環(huán)境溫度之間的關(guān)系

為了更方便的分析水平凍脹力、土體溫度和環(huán)境溫度之間的關(guān)系，以土體含水率為14%試驗中深度36 cm的數(shù)據(jù)為例繪制圖6，環(huán)境溫度可以很快達到設(shè)定溫度，水平凍脹力在土體溫度低于0.6 ℃時開始產(chǎn)生，隨著土體溫度降低水平凍脹力逐漸增大并出現(xiàn)最大值，然后土體溫度繼續(xù)降低時水平凍脹力減?。蝗诨A段，當(dāng)土體溫度高于0.6 ℃時水平凍脹力有一定的波動變化。

2.4 含水率對溫度和水平力的影響

影響土體凍脹特性的因素有：土質(zhì)、含水率、溫度和壓實度等。而在相同的土質(zhì)條件下，含水率則是凍脹的主要影響因素。本研究分別進行了不同含水率的試驗，結(jié)果如圖5和圖6所示。試驗結(jié)果表明，不同含水率土體的溫度和水平凍脹力的變化規(guī)律相似，含水率越高的土體降溫速率就越快，不同含水率土體的最大水平凍脹力不同，含水率越高土體水平凍脹力越大。

圖5 水平凍脹力沿深度的分布Fig.5 Distribution of horizontal frost heaving force along depth

圖6 時間-水平凍脹力和溫度Fig.6 Time-horizontal frost heaving force and temperature

3 結(jié)論

通過室內(nèi)閉式一維凍脹模型試驗研究了蘭州地區(qū)黃土的溫度場及凍脹力的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)土體不同深度處的降溫過程可分為三個階段，降溫凍結(jié)初期各深度土體的溫度下降速率較快；土體溫度下降到0.4 ℃時降溫曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，土層各深度降溫速曲線出現(xiàn)近乎平行于橫坐標(biāo)的平穩(wěn)段，并且含水率越高這種現(xiàn)象越明顯；凍結(jié)后期各深度土體的溫度下降速率較慢。土體不同深度處的升溫過程與降溫過程曲線對稱。

(2)凍脹力變化曲線按照變化趨勢分為三個階段：穩(wěn)定不發(fā)展階段，增長階段，減小階段，不同含水率土體經(jīng)歷各階段的時間有所不同。

(3)在相同土質(zhì)和溫度條件下凍脹力發(fā)展的起始溫度相同，含水率不同的土體最大凍脹力溫度不同。

(4)最大水平凍脹力沿著土體深度先較為穩(wěn)定，然后增大最后減小，最大值出現(xiàn)在相對深度0.6?0.8 處。

(5)水平凍脹力在土體溫度低于0.6 ℃時開始產(chǎn)生，隨著土體溫度降低水平凍脹力逐漸增大并出現(xiàn)最大值，然后土體溫度繼續(xù)降低時水平凍脹力減小。