黑龍江漠河段粗砂土凍脹性試驗(yàn)研究

汪恩良 ，許春光，韓紅衛(wèi) *，于 俊，馬文博

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省寒區(qū)水資源與水利工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，哈爾濱 150030）

凍土是一種包含土顆粒、冰包裹體、未凍水和氣的復(fù)雜低溫地質(zhì)體[1]。在寒區(qū)建筑施工建設(shè)和后期管護(hù)中，因凍土對溫度極為敏感，氣溫變化可造成土體不同程度凍脹變形和融化下沉，不僅給施工造成巨大困難，還為后期建筑工程使用與養(yǎng)護(hù)帶來不便，如公路路面不均勻沉降、建筑物基礎(chǔ)整體或局部抬高、渠道輸配水渠襯砌破壞[2]、人工凍結(jié)法巖壁開裂和墻面防水層破裂等。隨著國民經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展和國家戰(zhàn)略計(jì)劃相繼實(shí)施，我國在東北和西北等季節(jié)性凍土區(qū)和多年凍土區(qū)開展大量寒區(qū)工程建設(shè)，如青藏鐵路成功修建，高寒鐵路“高大高鐵”和“哈佳快速鐵路”項(xiàng)目竣工，均標(biāo)志著我國在寒區(qū)建設(shè)取得階段性成果，但由此引發(fā)的冰凍災(zāi)害仍亟待解決。

研究人員針對凍脹機(jī)理展開探討[3]，Everett[4]和Miller[5]解釋在負(fù)溫條件下引起土體發(fā)生凍脹變形的機(jī)理，即孔隙水相變結(jié)晶體積增大從而擠壓土顆粒產(chǎn)生相對移動，土中水發(fā)生定向遷移，在土層間形成薄厚不均冰透鏡體致使土體發(fā)生位移變化。土體凍脹方式有原位凍脹和分凝凍脹兩種[6]。砂土作為自然環(huán)境及工程中常見土壤，分布廣泛，國內(nèi)學(xué)者已在現(xiàn)場與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對土體凍脹特征展開深入研究。周池緒和王正秋對粗砂土凍脹性強(qiáng)弱作分類研究[7-8]，張晉勛等研究不同干密度下飽水砂卵石凍脹性，發(fā)現(xiàn)無論在封閉系統(tǒng)還是在開敞系統(tǒng)下，凍脹率均小于1%，屬凍脹不敏感類土[9]。潘高峰等于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究鹽漬細(xì)砂土凍脹特性，發(fā)現(xiàn)土樣在低含水率時有凍縮現(xiàn)象，而在高含水率時僅有凍脹現(xiàn)象[10]。楊小薈等分析非飽和沙漠砂凍脹性，當(dāng)含水率相同時，發(fā)現(xiàn)沙漠砂凍脹率隨密度增大而增大；當(dāng)密度相同時，沙漠砂凍脹率隨含水率增大而增大[11]。程培峰等對粉砂土開展凍脹試驗(yàn)，認(rèn)為在含水率一定情況下，凍脹率隨壓實(shí)度增大而減??；當(dāng)壓實(shí)度一定時，凍脹率隨含水率增大而增大[12]。姜龍等于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展一系列砂凍脹試驗(yàn)，認(rèn)為凍脹率與試樣含水率呈線性關(guān)系，且當(dāng)含水率大于14%時，存在少量泥砂可達(dá)到弱凍脹，在含水率過低情況下，砂類土體表現(xiàn)凍縮現(xiàn)象[13]。臧東亮等指出飽和砂土和碎石土顆粒之間孔隙被水分填滿，在負(fù)溫條件下，孔隙中水相變成冰，擠壓土顆粒，但顆粒本身變形較小，促使土體整體體積增大，表現(xiàn)出凍脹性[14]。吉延峻等通過分析影響土體凍脹性強(qiáng)弱眾多因素，指出試驗(yàn)土樣含水率越高，密度越小，黏粒含量越高，土體凍脹性越強(qiáng)，并提出減少凍脹災(zāi)害防治措施[15]。由于土體結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性，影響凍脹性因素眾多，如顆粒組成、密度、含水率、礦物成分等，外部環(huán)境溫度和壓力影響土體凍脹性。從上述研究成果可看出，土體結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性和區(qū)域性特點(diǎn)，研究成果不具有普適性，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選取與當(dāng)?shù)叵噙m應(yīng)研究成果作為理論依據(jù)。

黑龍江流域地處我國高緯度凍土區(qū)，黑龍江河道具有灘地低平寬闊、土體結(jié)構(gòu)松散、沖刷凍融侵蝕破壞嚴(yán)重等特點(diǎn)。黑龍江漠河段流域地理位置相對特殊，同時受極端氣候和復(fù)雜因素影響，針對此地研究成果甚少。本文選取黑龍江漠河段粗砂土為試驗(yàn)材料，探究其凍脹特性，粗砂土比起其他土體物理力學(xué)性質(zhì)差，易被水流沖蝕而發(fā)生滲透破壞，使河岸穩(wěn)定性降低，加之地處凍土區(qū)，岸灘土體在一年中可發(fā)生多次凍融循環(huán)侵蝕破壞[16-17]，造成岸灘土體結(jié)構(gòu)損傷，土體逐漸疏松散落，土體流失，破壞河道結(jié)構(gòu)物地基。因此，研究黑龍江漠河段粗砂土凍脹特性，可為當(dāng)?shù)厮こ淌┕そㄔO(shè)和后期管理提供理論依據(jù)，對保障當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)安全運(yùn)行，推進(jìn)黑龍江流域寒區(qū)工程建設(shè)發(fā)展具有重要意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及操作方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況及試樣來源

黑龍江亦稱阿穆爾河，有南北兩源，南源額爾古納河，北源石勒喀河，南北兩源交匯于漠河以西洛古河村后始稱黑龍江。黑龍江流域面積廣，河道水流補(bǔ)給主要依靠暖季降雨和冷季降雪，水量極為豐富，暖季受氣溫和輻射影響，河冰消融，流凌堆積，易形成凌汛。

研究區(qū)域選取黑龍江漠河段流域，氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂?，全年平均氣溫?4.9 ℃，多年平均降雨量415 mm，雨量充沛，植被完好，是全國冬季氣溫最低和氣候最寒冷地區(qū)[18]，受地理位置和氣候影響，河流封凍期達(dá)171 d，冬季極端氣溫可達(dá)-52.3 ℃。本次試驗(yàn)土樣取自黑龍江漠河段流域河漫灘地，采樣地地理坐標(biāo)為122°36′E，53°46′N，因地處高緯度多年凍土區(qū)，該地區(qū)受水流侵蝕和凍融侵蝕風(fēng)化作用影響，岸灘土體為黃褐色砂土。

1.2 試樣基本參數(shù)

在黑龍江漠河段采集地采用環(huán)刀法測定粗砂土密度，用電子天平稱量環(huán)刀和環(huán)刀與土的質(zhì)量并記錄完整，選取3個平行試樣，帶回實(shí)驗(yàn)室計(jì)算試樣密度，采用烘干法測定試樣含水率。在實(shí)驗(yàn)室按照《巖土工程勘察規(guī)范》[19]（GB 50021-2001）對土樣分類定名，屬天然粗砂土，基本物理參數(shù)為：含水率15.96%，密度1.835 g·cm-3，比重2.63，孔隙比0.66。顆粒分析曲線如圖1所示。

圖1 粗砂土顆粒分析曲線Fig.1 Curve of coarse sandy soil

1.3 試樣制備及方案

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[20（]GB/T 50123-2019）將帶回的粗砂土放在通風(fēng)干燥處風(fēng)干，過2 mm 標(biāo)準(zhǔn)篩，放入烘箱內(nèi)，設(shè)置溫度105 ℃，恒溫烘8 h。在拌和砂土?xí)r按照公式（1）計(jì)算出制備試樣所需水量，按公式（2）計(jì)算所需粗砂土質(zhì)量。將計(jì)算好的水量通過噴壺噴入粗砂土內(nèi)部并不斷攪拌，將制作好的粗砂土用保鮮膜包裹并密閉保存，防止水分蒸發(fā)散失，放置24 h，使水分充分散布于粗砂土。試樣尺寸為直徑100 mm×高100 mm，裝樣分層擊實(shí)，嚴(yán)格控制各層土質(zhì)量和高度，分3 次放入擊實(shí)桶內(nèi)并用落錘擊實(shí)成樣，層與層之間用土刀刮毛，便于試樣各層之間相結(jié)合，使土樣成為整體，防止分層。試驗(yàn)根據(jù)粗砂土現(xiàn)場天然狀態(tài)設(shè)計(jì)含水率分別為14%、16%、18%和20%，干密度設(shè)計(jì)為1.50、1.55 、1.60 和1.65 g·cm-3，本次試驗(yàn)為在試驗(yàn)規(guī)范溫度控制模式下探究干密度和含水率對粗砂土凍脹特性影響。

1.4 試驗(yàn)儀器設(shè)備

本試驗(yàn)于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院凍土工程實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展，試驗(yàn)設(shè)備主要包括土工凍脹試驗(yàn)箱（XT5405FSC）、數(shù)據(jù)采集器（DT80G）、熱敏電阻溫度傳感器（中國科學(xué)院凍土工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，測量精度±0.02℃）、位移傳感器（KTR-50 mm）和試驗(yàn)?zāi)＞叩?，如圖2所示。

土工凍脹試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由箱體溫控系統(tǒng)、頂板溫控系統(tǒng)和底板溫控系統(tǒng)等組成，箱體內(nèi)有風(fēng)扇可對內(nèi)部空氣擾動以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部溫度均衡，在箱體拉門上設(shè)有觀察窗口，可配合凍脹箱內(nèi)部燈光觀察試驗(yàn)變化過程。箱體溫度控制為-30 ℃～50 ℃，頂板和底板溫度控制為-40 ℃～60 ℃，3個溫控系統(tǒng)相互獨(dú)立，可精確控制試驗(yàn)溫度。制冷方式采用酒精循環(huán)液控制頂板和底板溫度，頂板和底板采用與試樣直接接觸方式給試樣降溫，降溫和升溫速率快，制冷效果好效率高，可在短時間內(nèi)達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，滿足本次凍脹試驗(yàn)要求。數(shù)據(jù)采集裝置采用DT80G 數(shù)據(jù)采集器，將傳感器電阻絲與采集器上端子相連接，設(shè)置采集程序，即可監(jiān)測試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)變化，該數(shù)據(jù)采集器可設(shè)置不同采集頻率和搭接各種類型傳感器，應(yīng)用范圍廣，操作簡單，耐低溫效果好。

圖2 試驗(yàn)儀器設(shè)備Fig.2 Test instruments and equipment

圖3 土工凍脹試驗(yàn)箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及模具Fig.3 Internal structure of geosynchronous frost heave test chamber and mould

1.5 凍脹試驗(yàn)過程及方法

將試樣放入土工凍脹試驗(yàn)箱內(nèi)試驗(yàn)?zāi)＞唔敯迮c底板之間，將熱敏電阻溫度傳感器沿模具薄壁孔洞插入試樣內(nèi)部，用以監(jiān)測土體內(nèi)部溫度變化。位移傳感器抵住頂板，監(jiān)測土體在凍結(jié)過程中位移變化，保溫材料將試驗(yàn)?zāi)＞咄鈧?cè)包裹完整，以減少試驗(yàn)過程中熱量交換。待試驗(yàn)儀器安置完成后，設(shè)置和調(diào)試采集系統(tǒng)，以保證在試驗(yàn)過程中完整記錄數(shù)據(jù)。

本試驗(yàn)為有側(cè)限封閉系統(tǒng)試驗(yàn)，僅允許試樣在豎直方向發(fā)生變形，且溫度由頂板和底板控制，可模擬野外土體“單向凍結(jié)”規(guī)律，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）中凍脹率試驗(yàn)溫度控制要求，即在試驗(yàn)開始前將箱體、頂板和底板均設(shè)置為1 ℃，以便在降溫過程中試樣可快速發(fā)生凍結(jié)，并將試樣恒溫6 h，待試樣各土層溫度均一且恒定時，即可按照試驗(yàn)規(guī)范中降溫方式開始降溫，使試樣從頂端開始凍結(jié)。

2 結(jié)果與分析

2.1 起始凍結(jié)溫度過程

土體凍結(jié)溫度是指土體內(nèi)部孔隙水開始凍結(jié)時溫度，是判定土樣是否處于凍結(jié)狀態(tài)重要依據(jù)[21]。土體在凍結(jié)過程中，受土體內(nèi)部顆粒吸附作用、水分含量和含鹽量影響，孔隙水在達(dá)到冰點(diǎn)即0 ℃后并不發(fā)生凍結(jié)，而是低于0 ℃某一溫度下發(fā)生凍結(jié)，且起始凍結(jié)溫度隨含鹽量的增加而降低[22]。因此，在開展粗砂土凍脹試驗(yàn)前，測定試樣起始凍結(jié)溫度具有重要意義。

粗砂土起始凍結(jié)溫度測定步驟：按照試驗(yàn)要求將制備好試樣放入試樣杯中，用保溫材料完整包裹試樣杯外壁，防止溫度散失帶來的試驗(yàn)誤差。再將試樣杯放入土工凍脹試驗(yàn)箱箱體內(nèi)，在試樣表面覆蓋保鮮膜以防止在試驗(yàn)過程中水分蒸發(fā)散失，在試樣杯中心插入一根熱敏電阻溫度傳感器，監(jiān)測試樣內(nèi)部溫度變化。待試樣安置完畢后，開啟土工凍脹試驗(yàn)箱溫度控制系統(tǒng)，對試樣降溫，設(shè)置采集間隔為5 s，待試樣完全凍結(jié)后，下載并處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖4為粗砂土起始凍結(jié)溫度過程曲線，此過程可分為4 個階段：第Ⅰ階段為粗砂土過冷階段：粗砂土受環(huán)境溫度影響，試樣溫度逐漸降低，當(dāng)溫度達(dá)0 ℃時，粗砂土內(nèi)水分仍未凍結(jié)成冰，即溫度低于水凍結(jié)溫度，水卻未發(fā)生凍結(jié)，原因在于，水結(jié)成冰先決條件是結(jié)晶核存在，結(jié)晶核僅在低于水本身結(jié)晶溫度時生成；第Ⅱ階段為溫度突變階段：隨溫度進(jìn)一步降低，結(jié)晶核生成，孔隙水開始結(jié)晶，釋放潛熱，使溫度驟升，圖中可見粗砂土凍結(jié)過程中溫度存在驟升現(xiàn)象，因?yàn)榇稚巴猎嚇觾?nèi)部遵守能量守恒定律，在試樣凍結(jié)過程中水分子自由度降低，逐漸相變成冰，在此過程下水結(jié)冰析出大量熱能，打破原來熱量平衡，促使試樣內(nèi)部溫度發(fā)生突增；第Ⅲ階段為水結(jié)晶階段：因粗砂土顆粒大，表面能小，且土中水多為自由水，所以在潛熱析出后，凍結(jié)溫度十分穩(wěn)定，試樣溫度接近0 ℃，試樣中水分在穩(wěn)定溫度下開始凍結(jié)。在此階段過程中，土體內(nèi)部接受外界冷能與土中水相變成冰釋放潛熱達(dá)到能量平衡，至粗砂土試樣內(nèi)部水分完全凍結(jié)；第Ⅳ階段為試樣恒定凍結(jié)階段，土樣受環(huán)境負(fù)溫影響將進(jìn)一步冷卻，原來存在少量薄膜水等開始凍結(jié)。土起始凍結(jié)溫度受試樣土質(zhì)、含水率、干密度和含鹽量等因素共同影響，所以不同試樣起始凍結(jié)溫度略有差異。

2.1.2 質(zhì)譜條件 采用電噴霧離子源（ESI），正、負(fù)離子模式檢測；掃描范圍：m/z 100～1 200；干燥氣：N2（純度：99.999 9%）；干燥氣流速：15 L/min；干燥氣溫度：350℃；碰撞低能量：4 V；碰撞高能量：10～40 V。

在凍結(jié)過程中粗砂土起始凍結(jié)溫度為溫度出現(xiàn)突增躍變后所達(dá)到的最高最穩(wěn)定時溫度，由試驗(yàn)結(jié)果圖4可知，在該試驗(yàn)條件下，粗砂土起始凍結(jié)溫度為-0.19 ℃。

圖4 粗砂土起始凍結(jié)溫度曲線Fig.4 Initial freezing temperature curves of coarse sandy soil

2.2 粗砂土凍結(jié)發(fā)展過程

2.2.1 溫度場變化過程

待試驗(yàn)結(jié)束后采集溫度數(shù)據(jù)，通過分析試驗(yàn)過程溫度變化，結(jié)合粗砂土凍結(jié)試驗(yàn)測得粗砂土起始凍結(jié)溫度，確定試樣開始凍結(jié)，并對溫度數(shù)據(jù)作插值處理，繪制粗砂土試樣內(nèi)部溫度變化過程圖，圖5為粗砂土凍結(jié)過程溫度場沿試樣深度隨時間發(fā)展過程。由圖5可知，試樣在試驗(yàn)規(guī)范溫度控制模式下，試樣溫度場隨時間呈一定梯度變化，表現(xiàn)為隨試驗(yàn)歷時增加，試樣溫度從最初1 ℃左右開始迅速降溫，試樣土層距離頂板冷端越近，試樣降溫速率越快，距離頂板冷端越遠(yuǎn)降溫速率越慢，原因在于試驗(yàn)采用單向凍結(jié)方式，當(dāng)試樣頂部達(dá)到負(fù)溫后便開始凍結(jié)，凍結(jié)鋒面開始向下推移，凍結(jié)深度開始增加，但因試樣內(nèi)部孔隙水不斷結(jié)晶釋放潛熱，同時土層內(nèi)部存在熱阻作用，一定程度上抑制負(fù)溫向更深土層傳遞；在靠近暖端附近土體，傳遞到此處冷能已被大部分耗散，同時在暖端熱量作用下凍結(jié)鋒面推移緩慢，直至凍結(jié)鋒面停止移動。由于采用試驗(yàn)規(guī)范中線性溫度控制模式，頂板溫度隨試驗(yàn)歷時增長逐漸降低，降溫強(qiáng)度逐漸增大，因此土層凍結(jié)深度發(fā)展過程隨時間變化較為緩慢。

2.2.2 溫度梯度變化過程

監(jiān)測粗砂土凍結(jié)過程溫度變化，按公式（3）計(jì)算土體溫度梯度，繪制凍結(jié)粗砂土試樣內(nèi)部溫度梯度隨時間變化曲線，以更好研究冷端溫度對粗砂土試樣影響效應(yīng)，如圖6所示。

由圖6可知，試樣在試驗(yàn)規(guī)范線性溫度控制條件下，試樣頂端溫度逐漸降低，不同土層之間形成溫度梯度不同，表現(xiàn)為隨凍結(jié)時間增加，試樣靠近頂板冷源一端土層溫度變化越明顯，且溫度波動較大，靠近底板暖端土層溫度變化程度較小，溫度梯度曲線趨于平緩。試樣整體表現(xiàn)為隨土層深度不斷增加，土層之間溫度梯度變化逐漸變緩，原因在于土樣頂端不斷接受來自頂板冷能，沿試樣逐漸向試樣底部傳遞，破壞土層中原有熱平衡狀態(tài)，因試樣頂端與底端存在溫度差，在各土層之間形成大小不均的溫度差值，所以試樣內(nèi)部形成溫度梯度。與此同時，隨試樣凍結(jié)深度增大，試樣內(nèi)部熱阻作用增強(qiáng)，導(dǎo)致試樣頂端向底端傳導(dǎo)的冷能逐漸衰減，試樣自上而下溫度逐漸升高，負(fù)溫衰減程度隨試樣深度增加逐漸增大，在試樣內(nèi)部形成隨試樣深度增加逐漸減小的溫度梯度。

式中，gradT-溫度梯度（℃·cm-1）；ΔT-土層間溫度差值（℃）；Δh-與ΔT相對應(yīng)土層高度（cm）。

2.3 含水率對粗砂土凍脹率的影響

試樣在凍結(jié)過程中，試樣溫度受頂板負(fù)溫影響溫度逐漸降低，當(dāng)溫度降低至土體起始凍結(jié)溫度以下時，試樣發(fā)生凍結(jié)，表現(xiàn)為試樣內(nèi)部孔隙水尤其是自由水釋放相變潛熱后不斷結(jié)晶，生成的冰晶體充斥于試樣內(nèi)部殘余孔隙之中，當(dāng)試樣內(nèi)部孔隙不足以容納產(chǎn)生的冰晶體時擠壓土顆粒，使土顆粒發(fā)生相對移動，土體表面逐漸隆起，產(chǎn)生凍脹變形量，土體在負(fù)溫條件下凍結(jié)引起的變形量即為凍脹量。凍結(jié)深度是指試樣在凍結(jié)過程中所能達(dá)到最大土層厚度，在試驗(yàn)初期，試樣受冷端影響較大，凍結(jié)速度快，凍結(jié)深度快速增加。隨凍結(jié)深度逐漸向底板靠近，受底板熱能影響逐漸增強(qiáng)，凍深增加逐漸放緩，待土體內(nèi)部能量達(dá)到平衡后，試樣凍結(jié)深度穩(wěn)定在一固定深度，此時凍結(jié)深度為試樣凍結(jié)過程中所能達(dá)到最大凍深，試樣凍結(jié)深度是凍結(jié)鋒面推移和凍脹量發(fā)展共同作用結(jié)果。

表征土體凍脹性強(qiáng)度指標(biāo)即凍脹率，其為試樣在試驗(yàn)過程中形變量和相對應(yīng)的凍結(jié)深度比值，可按公式（4）計(jì)算[23]，凍脹率從空間維度探究和討論土樣的凍脹性強(qiáng)弱，是判定土體凍脹敏感性重要特征值之一。

式中，η-試樣凍脹率(%)；Δh-試驗(yàn)期間內(nèi)試樣總凍脹量（mm）；Hf-試樣凍結(jié)深度（mm）。

水作為引起試樣凍脹來源，其含量高低對試樣凍脹性具有顯著影響。為探究含水率對試樣凍脹率的影響，考慮在試驗(yàn)規(guī)范溫度控制模式下試樣凍脹性強(qiáng)弱，當(dāng)干密度為1.60 g·cm-3時，含水率分別為14%、16%、18%和20%條件下凍脹率變化情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，粗砂土在不同含水率情況下，粗砂土凍脹率均不足1%。試樣在溫度逐漸降低條件下，內(nèi)部水分通過毛細(xì)作用向凍結(jié)鋒面聚集，因粗砂土中細(xì)顆粒組分少，顆粒比表面積小，導(dǎo)致土樣毛細(xì)作用差，持水性差，對水分束縛力和約束力小，導(dǎo)致粗砂土中水分子多以自由水形式存在。在粗砂土降溫過程中，溫度傳遞速率快，水分遷移量很小，自由水多在原位發(fā)生凍結(jié)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，粗砂土凍脹率隨試樣含水率升高而增大，原因在于試樣內(nèi)部含水率越大，將會有更多水分相變成冰，引起試樣體積變化相對增大，從而增大試樣凍脹量，引起凍脹率增大。再將試驗(yàn)結(jié)果擬合，擬合結(jié)果如公式（5）所示。上述試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[12]中規(guī)律相似。

式中，η-凍脹率(%)；w-含水率(%)。

從擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)粗砂土含水率和凍脹率之間存在線性關(guān)系，R2為0.9753，相關(guān)性較好，即粗砂土的凍脹率隨試樣含水率線性增加。

圖7 粗砂土凍脹率和含水率關(guān)系Fig.7 Relationship between frost heave ratio and moisture content of coarse sandy soil

2.4 干密度對粗砂土凍脹率的影響

為探究干密度對試樣凍脹率的影響，在規(guī)范溫度控制情況下，控制粗砂土含水率為16%，設(shè)計(jì)4個干密度水平，即1.50、1.55、1.60和1.65 g·cm-3。在此條件下分別開展粗砂土凍脹率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)粗砂土含水率一定時，試樣凍脹率隨干密度增大而增大，原因在于，當(dāng)粗砂土溫度降低到負(fù)溫時，土顆粒之間水分受冷相變成冰后體積增大，一部分冰晶優(yōu)先填充土顆粒之間孔隙，待孔隙被冰晶填充完全后，余下冰晶擠壓土顆粒，引起土顆粒移動，致使試樣表面脹起。隨粗砂土干密度增大，試樣被進(jìn)一步壓實(shí)壓密，使顆粒間孔隙進(jìn)一步縮小，在含水率相同情況下，試樣干密度越大，土顆粒分子間孔隙越小，孔隙不夠容納產(chǎn)生的冰晶，所以冰晶更大程度擠壓土顆粒，引起試樣凍脹量變形，從而增大試樣凍脹率。在含水率一定條件下，粗砂土凍脹率隨干密度增大而增大，擬合試驗(yàn)結(jié)果，擬合關(guān)系如式（6）所示，擬合決定系數(shù)R2為0.9618，擬合效果較好，且與文獻(xiàn)[11]中非飽和條件下凍脹率隨干密度變化一致。

式中，η-凍脹率（%）；ρd-干密度（g·cm-3）。

圖8 粗砂土凍脹率和干密度關(guān)系Fig.8 Relationship between frost heave rate and dry density of coarse sandy soil

由以上試驗(yàn)過程和結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在粗砂土試樣中，土顆粒粒徑較黏土和粉土顆粒粒徑大，粒徑越小，比表面積大，越吸附并束縛更多水分子。所以，粗砂土中土顆粒無法與水分子形成緊密結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致絕大多數(shù)水分子均以自由水形式存在于粗砂土顆粒之間孔隙中，僅極少部分水分子和土顆粒結(jié)合成為不連續(xù)弱結(jié)合水。試樣在負(fù)溫情況下，由于粗砂土顆粒間毛細(xì)作用較小，薄膜水量不足和不連續(xù)性導(dǎo)致顆粒間難以形成使水分子發(fā)生遷移的通道。同黏土相比，粗砂土無法使水分子在溫度梯度下發(fā)生定向遷移，難以形成層狀或者網(wǎng)狀冷生構(gòu)造。且粗砂土顆粒間水分子因未被顆粒吸附，導(dǎo)致粗砂土顆粒與水分子之間范德華力較弱，水分子通過氫鍵作用相互聚集形成較大水分子團(tuán)，水分子團(tuán)重力作用大于使其遷移動力，所以在水分子受冷后多發(fā)生原位凍脹，由于凍脹量多來自水分遷移而引起的分凝凍脹，故粗砂土無法產(chǎn)生較大凍脹量。

3 結(jié) 論

a.研究粗砂土起始凍結(jié)溫度，從冷卻凍結(jié)過程曲線中發(fā)現(xiàn)，粗砂土凍結(jié)過程經(jīng)歷4個階段，即粗砂土過冷階段、溫度突增階段、孔隙水結(jié)晶階段和穩(wěn)定凍結(jié)階段，在本次試驗(yàn)條件下測得粗砂土起始凍結(jié)溫度為-0.19 ℃。

b. 通過監(jiān)測粗砂土凍結(jié)過程中溫度，分析粗砂土試樣溫度場和溫度梯度，試樣內(nèi)部溫度場呈梯度變化趨勢，距離冷端越近，溫度變化程度越大，距離冷端越遠(yuǎn)，溫度變化程度越??；溫度梯度隨試驗(yàn)時間推移，各土層之間溫度梯度逐漸發(fā)展，表現(xiàn)為靠近冷端土層之間溫度梯度較大，靠近暖端土層之間溫度梯度較小。

c.于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展黑龍江漠河段流域粗砂土凍脹試驗(yàn)，在規(guī)范溫度控制模式下粗砂土產(chǎn)生凍脹量較小，且凍脹率不足1%，說明該粗砂土樣為凍脹不敏感土樣。

d. 探究含水率與干密度對砂土凍脹性強(qiáng)弱的影響，當(dāng)粗砂土干密度一定時，粗砂土凍脹率隨試樣含水率增加而增大；當(dāng)粗砂土含水率一定時，粗砂土凍脹率隨試樣干密度增大而增大。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，粗砂土含水率和干密度與凍脹率存在線性關(guān)系。