間歇凍結(jié)模式下的人工凍土試驗研究

赫景旭，鄭 鑫，程 正，霍彥霖

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163000)

0 引言

我國北方大部分地區(qū)仍利用傳統(tǒng)的土渠進(jìn)行農(nóng)田灌溉，導(dǎo)致由于凍脹破壞產(chǎn)生的渠道滲漏情況普遍存在，水資源利用率不高，浪費(fèi)嚴(yán)重。每年在農(nóng)田灌溉中渠道損失的水量高達(dá) 1.73×1011m3，約占農(nóng)業(yè)總用水量的47%。我國凍土面積分布廣泛，是世界上第三凍土大國，季凍區(qū)面積大約 5.137×106km2，約占國土面積的 53.5%，東北地區(qū)作為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地之一，長期以來，因凍脹造成的襯砌板膨脹、隆起、開裂，凍融后滑坡坍塌等凍害，嚴(yán)重影響了襯砌的穩(wěn)定及其防滲節(jié)水的功能。所以，為了更好滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求，需要重視灌區(qū)混凝土防滲渠道凍脹問題的預(yù)防及處理工作[1]。

由于地下水位埋藏較淺(即高地下水位)而導(dǎo)致基土凍結(jié)過程中存在明顯水分補(bǔ)給的混凝土襯砌渠道稱為開放系統(tǒng)下的混凝土襯砌渠道[2]。而且有無水分供給情況下的凍脹量相差甚遠(yuǎn)。水分的遷移、補(bǔ)給和相變又引起土體凍脹變形破壞了原土體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，且水分遷移后形成的冰層再融化又會加劇土體力學(xué)性質(zhì)的弱化。這對建筑于其上的建筑物是非常不利的，可見深入認(rèn)識和解決開放系統(tǒng)條件下(即考慮水分遷移與補(bǔ)給)的土體凍結(jié)和凍脹問題具有重要的現(xiàn)實意義[3]。1999年，周國慶[4]首次提出了關(guān)于間歇凍結(jié)來控制凍脹的機(jī)理研究，指出了間歇凍結(jié)所形成的凍土區(qū)域溫度高、未凍土區(qū)域溫度梯度低、凍結(jié)速率小等結(jié)果都有利于抑制凍脹的產(chǎn)生與發(fā)展。商翔宇[5]對此進(jìn)行了初步驗證，分析了連續(xù)與間歇不同模式下的凍脹影響，采用間歇凍結(jié)模式來控制凍土凍脹也得到普遍的認(rèn)可。因此進(jìn)一步研究不同影響條件下的間歇模式凍結(jié)也對抑制凍脹這個課題很有意義。

1 試驗方案

1.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)主要包括制冷溫控系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主要設(shè)備為多功能溫濕度傳感器及低溫試驗箱。見圖1。

圖1 低溫試驗箱體

1.2 試驗土樣

試驗采用的是對凍脹較為敏感的粉質(zhì)黏土，試驗土樣在試驗前24 h進(jìn)行風(fēng)干備用，試驗使用的土樣均過0.5 mm篩再使用，試驗土樣指標(biāo)如表1所示。設(shè)計三種不同初始含水量分別為20%、24%、28%；試驗的土樣制成高度12 cm、直徑10 cm的圓柱體。

表1 土壤物理性質(zhì)及指標(biāo)

1.3 試驗條件

試驗在開放系統(tǒng)的條件下進(jìn)行，對不同初始含水率的土樣進(jìn)行不同最低凍脹溫度條件下的凍脹試驗，采用一維凍脹模式，對試驗筒體的側(cè)向及底部進(jìn)行保溫處理，保證自上而下凍結(jié)，而且無任何外載作用。

在試驗進(jìn)行前，提前8 h將試驗箱的溫度恒溫在+5 ℃左右，此條件保證了溫度的一致性，在試件筒體的左右兩側(cè)沿著垂直方向每隔1.5 cm安插溫度傳感器和濕度傳感器，用來實時觀察溫濕度的變化；凍脹量的變化采用精度為0.01 mm的頂點位移計進(jìn)行記錄。在此試驗條件下進(jìn)行不同影響因素的凍脹試驗，發(fā)現(xiàn)凍脹的變化及發(fā)展規(guī)律。

在土樣經(jīng)過恒溫后進(jìn)行試驗，在控制凍深的間歇凍結(jié)模式下，開始階段采用提前預(yù)設(shè)好的最低凍脹溫度進(jìn)行凍結(jié)，當(dāng)凍結(jié)鋒面達(dá)到預(yù)定的凍深后，再以-0.5 ℃進(jìn)行凍結(jié)，如此循環(huán)使得試樣的凍結(jié)鋒面始終在預(yù)設(shè)的0.5～1 cm左右范圍內(nèi)波動。

試驗共分為五組，試驗取用三種不同的初始含水率及三種不同的最低凍脹溫度條件，分別對初始含水率為20%、24%、28%的土樣在最低凍脹溫度為-15 ℃的條件下凍結(jié)48 h；再對初始含水率為24%的土樣分別在最低凍脹溫度為-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃的條件下凍結(jié)48 h，最后將得到的凍脹量進(jìn)行對比。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 初始含水率對凍脹效果的影響

圖2、圖3和圖4是對三種不同初始含水率凍結(jié)條件條件下的溫濕度變化曲線，由于采用了不同的初始條件，因此在凍結(jié)過程中曲線變化狀態(tài)及凍脹量都有些許的變化。

圖2 -15 ℃含水率20%條件下的溫濕度變化曲線

圖4 -15 ℃含水率24%條件下的溫濕度變化曲線

通過溫度變化曲線可以看出降溫階段的過程可以分為快速降溫階段及溫度循環(huán)階段，循環(huán)階段平均每240 min完成一次。在快速降溫階段過程中，對比含水率變化曲線可知，在此階段過程中，凍結(jié)鋒面的推進(jìn)速度要快于循環(huán)階段，此時凍結(jié)鋒面初步形成，土樣也基本處在原位凍結(jié)狀態(tài)。通過含水率變化曲線可知，土樣隨著溫度的循環(huán)，土中水分也進(jìn)入了一個循環(huán)且緩慢上升的狀態(tài)，但是由于溫度條件的干擾，凍脹始終無法進(jìn)入到一個穩(wěn)定的狀態(tài)，使其無法持續(xù)上升，這也導(dǎo)致這種凍結(jié)方式的凍脹量要遠(yuǎn)小于持續(xù)凍結(jié)狀態(tài)下的凍脹量。通過含水率變化曲線還可以看出，初始含水率為28%的土樣在凍結(jié)過程中變化的幅度要大于初始含水率為20%的土樣，說明前者所形成的凍結(jié)面要大于后者。通過對比三種不同初始含水率的凍脹試驗最后得到的凍脹量結(jié)果可知，初始含水率為28%時的凍脹量為2.34 mm，初始含水率為24%時的凍脹量為2.13 mm，初始含水率為20%時的凍脹量為1.82 mm。

2.2 最低凍脹溫度對凍脹效果的影響

圖4、圖5和圖6是對三種不同最低凍脹溫度凍結(jié)條件條件下的溫濕度變化曲線。凍脹過程同樣分為降溫階段和循環(huán)階段，而且同樣也是循環(huán)且緩慢上升的趨勢。通過三組試驗的溫度變化曲線圖可知，最低凍脹溫度不僅僅影響著凍脹量，還影響著凍脹形成的速率及穩(wěn)定性，圖5中循環(huán)階段的過程所用的時間要大于圖6中循環(huán)過程所用的時間，而且由于圖5中最低凍脹溫度較低，凍結(jié)鋒面形成的穩(wěn)定性也較差，波動幅度較大；同時土中含水率的波動稍小于后者。通過試驗最后所得到的凍脹量結(jié)果可以看出，當(dāng)凍脹最低溫度越低時，凍脹量會隨之增大，凍脹最低溫度為-10 ℃時凍脹量結(jié)果為1.68 mm；凍脹最低溫度為-15 ℃時凍脹量結(jié)果為2.13 mm；凍脹最低溫度為-20 ℃時凍脹量結(jié)果為2.23 mm。

圖5 -10 ℃含水率24%條件下的溫濕度變化曲線

圖6 -20 ℃含水率24%條件下的溫濕度變化曲線

圖7 凍脹量對比

3 結(jié)論

本文主要針對不同初始含水率和不同最低凍脹溫度條件下的粉質(zhì)黏土進(jìn)行了凍脹試驗，最終通過對比凍脹量得到以下結(jié)論：

1)通過凍脹量對比曲線圖可以得到，在間歇凍結(jié)模式下，當(dāng)初始含水率越大時，凍脹量越大；當(dāng)最低凍結(jié)溫度越低時，凍脹量越大。

2)最低凍脹溫度不僅影響凍脹量，還會影響凍結(jié)鋒面形成的穩(wěn)定性。因此，在凍脹進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)前去改變其溫度邊界條件，可以使土中的溫度場偏離穩(wěn)定狀態(tài)，從而抑制凍脹的形成。

3)間歇凍脹模式過程中，溫度場由于熱邊界條件的擾動始終達(dá)不到一個穩(wěn)定的狀態(tài)，導(dǎo)致凍結(jié)鋒面的穩(wěn)定狀態(tài)也不斷被破壞，因此間歇凍脹模式的凍脹量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于持續(xù)凍脹。