壓實(shí)度對(duì)渠基土凍融特性的影響

姜國(guó)輝，霍佳苗，于 皓，李玉清

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，沈陽(yáng) 110161）

我國(guó)季節(jié)性凍土區(qū)面積占國(guó)土的53.5%，約51 370 萬(wàn)hm2，這類地區(qū)的土體冬季發(fā)生凍結(jié)，春季開始消融，且其凍結(jié)和融化具有一定的周期性。經(jīng)歷反復(fù)凍融會(huì)使渠道襯砌出現(xiàn)裂縫、鼓起，甚至發(fā)生滑塌，造成了許多經(jīng)濟(jì)損失，是季節(jié)性凍土區(qū)渠系建筑物面臨的主要問(wèn)題之一，當(dāng)前學(xué)者對(duì)于渠道凍融破壞的研究已成為熱點(diǎn)。GILPIN[1]試驗(yàn)表明，雖然孔隙水大多是凍結(jié)的，但仍能通過(guò)凍結(jié)邊緣輸送至凍結(jié)鋒面底部，冰區(qū)的水會(huì)擠進(jìn)冰和土壤顆粒間并再次發(fā)生凍結(jié)。GRAHAMJ等[2]試驗(yàn)指出，渠基土經(jīng)一次凍融循環(huán)后土體原有結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著破壞。ZHANG 等[3]指出凍融循環(huán)使石灰粉土強(qiáng)度降至最小。VIKLANDER[4]指出凍融循環(huán)使各密度土體均達(dá)到穩(wěn)定的孔隙比。ZHANG 等[5]試驗(yàn)得出凍融次數(shù)與混凝土損傷呈正相關(guān)。李棟國(guó)等[6]通過(guò)試驗(yàn)及粗糙集計(jì)算得出凍脹力影響因素的排序?yàn)椋簤簩?shí)度>含水率>溫度>含鹽量。王大雁等[7]得出首次凍融循環(huán)土樣變形最顯著。

通過(guò)壓實(shí)渠基土可以減小土體孔隙，使土體密度增加，初始含水率降低，從而減小基土的凍脹量，具體灌區(qū)采取的壓實(shí)方法依工程實(shí)際情況決定。LONG 等[8]在開放和密閉補(bǔ)給條件下進(jìn)行了一系列一維凍脹的室內(nèi)試驗(yàn)，得出對(duì)凍脹率的顯著影響依次為補(bǔ)水>初始含水量>黏土含量>壓實(shí)度>上覆荷載。國(guó)外相關(guān)學(xué)者對(duì)土體防凍脹影響因素的研究較少，大多是圍繞渠基土凍脹機(jī)理展開，而我國(guó)早在1965年就開展相關(guān)研究。呂鴻興[9]針對(duì)西北的渠道凍脹破壞原因及防治措施進(jìn)行了初步討論。高明星等[10]通過(guò)試驗(yàn)研究得出，含水率不變，隨壓實(shí)度的增加黏性凍土凍脹率逐漸減小，且變化幅度也減小。李文娟等[11]通過(guò)凍脹試驗(yàn)得出，凍結(jié)過(guò)程中，土中水分重分布，凍脹量與含水量成正比，與壓實(shí)度成反比。李國(guó)玉等[12]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土體總變形量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加趨于穩(wěn)定。嚴(yán)晗等[13]通過(guò)室內(nèi)研究得出，經(jīng)歷凍融循環(huán)使壓實(shí)度較大的試樣融化下沉量小于凍脹量。郝佳興[14]通過(guò)試驗(yàn)得出，壓實(shí)度對(duì)壓實(shí)黃土發(fā)生凍融破壞的程度影響較大，施工過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格控制壓實(shí)度。

綜上，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)壓實(shí)度、凍融循環(huán)次數(shù)等條件對(duì)某些類別土體凍脹規(guī)律的影響有了一定認(rèn)識(shí)，但仍缺乏經(jīng)歷凍融循環(huán)后壓實(shí)度對(duì)低液限粉質(zhì)黏土凍融特性影響規(guī)律的研究，且對(duì)多因素作用下凍融規(guī)律的影響研究較少。本研究選取盤山灌區(qū)渠基土為研究對(duì)象，對(duì)低液限粉質(zhì)黏土在多因素(封閉和開放系統(tǒng)、壓實(shí)度、凍融循環(huán)次數(shù))作用下研究壓實(shí)度對(duì)凍結(jié)鋒面變化、水分遷移規(guī)律、土體凍脹量等凍融特性的影響規(guī)律，為盤山灌區(qū)日后渠道建設(shè)提供設(shè)計(jì)理論依據(jù)，也為同類型的灌區(qū)灌溉渠道工程設(shè)計(jì)和凍脹分析提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及設(shè)備

土樣取自遼寧省盤山灌區(qū)雙南支渠，屬季節(jié)性凍土區(qū)。該灌區(qū)土壤表層約在11 月中旬開始凍結(jié)，實(shí)際凍深約0.8 m。灌區(qū)渠道走向?yàn)镹-S，尺寸為：1 600 mm×600 mm×400 mm，坡比1∶1。因灌區(qū)不同位置的土體凍深不同，地下水位埋深也不同，在渠基土凍結(jié)期間，地下水埋深產(chǎn)生的高度差使土體發(fā)生凍脹的類型不同。因此，對(duì)盤山灌區(qū)渠基土的凍融試驗(yàn)設(shè)計(jì)分封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)對(duì)照分析。盤山灌區(qū)土體在自然條件下的凍結(jié)方式為單向凍結(jié)，故本凍融試驗(yàn)選取單向凍結(jié)條件。

為確保室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M土的凍融狀態(tài)與灌區(qū)實(shí)際情況更貼合，本研究在土壤凍結(jié)初期選取雙南支渠的一渠段，實(shí)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，處理干凈土壤表層雜草，自地面由上至下開挖0.8m取樣。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)得各物理參數(shù)見表1，配置重塑土進(jìn)行壓實(shí)渠基土凍融試驗(yàn)。

表1 盤山灌區(qū)土工試驗(yàn)匯總結(jié)果Table 1 Summary of geotechnical tests in Panshan irrigation area

根據(jù)GB50145-2007 土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)[15]，灌區(qū)土中細(xì)粒土含量大于50%，且lp≥0.73(ωL-20)，ωL<50%，可得盤山灌區(qū)土體分類為低液限粉質(zhì)黏土，土類代號(hào)CL，屬?gòu)?qiáng)凍脹性土[16]。本試驗(yàn)的主要試驗(yàn)裝置為：全自動(dòng)低溫凍融試驗(yàn)機(jī)、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、單向凍融試樣桶裝置、電子溫度傳感器、分度值0.01 mm 的位移變化表、電子秤等。

綜合考慮確定室內(nèi)試驗(yàn)幾何比尺為1∶10，試驗(yàn)裝置圖如圖1，在試樣桶的四周及底部以高密度隔熱棉作保溫措施，隔熱棉的導(dǎo)熱系數(shù)為0.034W·(m·k)-1，試樣頂部不采取保溫措施，使試驗(yàn)土體保證單向凍結(jié)條件。根據(jù)氣象條件及實(shí)驗(yàn)室可控溫度范圍確定模型試驗(yàn)溫度比尺為1∶1，擬合該灌區(qū)近10 年冬季月平均最低氣溫-16 ℃。根據(jù)模型-溫度相似比法則[17]Ct·Cτ=Cl·Cl，確定時(shí)間比尺為1∶100。約79 d達(dá)最大凍深0.8 m，即確定試驗(yàn)時(shí)間為18.96 h，降溫梯度為-0.84 ℃·h-1。

圖1 單向凍融試樣桶裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of one-way freezing-thawing sample barrel device

1.2 方法

壓實(shí)法能夠增加土壤的干密度，使孔隙率和透水性均降低，經(jīng)二次壓實(shí)的土阻礙了渠基土中的水分遷移和聚集以削減或消除渠道凍脹的現(xiàn)象。根據(jù)《堤防工程施工規(guī)范》（SL260-2014）[18]并結(jié)合灌區(qū)實(shí)際情況可得土體壓實(shí)度在85%以上較為合理，碾壓層的鋪土層厚度一般是25~30 cm[19-20]。故本試驗(yàn)控制上層3cm 土的壓實(shí)度分別87%、92%、97%，下層5 cm 為不進(jìn)行二次壓實(shí)的原狀土作為試驗(yàn)土柱。已有研究證實(shí)壓實(shí)度87%的土在經(jīng)5次凍融循環(huán)后變形趨于穩(wěn)定[12]，本研究設(shè)置一組8 cm均為原狀土的對(duì)照組，與上層壓實(shí)下層原狀土的土樣，經(jīng)歷凍脹1次、凍融2次后再凍脹、凍融4次后再凍脹。試驗(yàn)設(shè)12個(gè)組別，各組別均設(shè)封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)試驗(yàn)，即24 組試驗(yàn)。為防止偶然誤差，確保試驗(yàn)結(jié)果的一致性，每組試驗(yàn)均設(shè)置3 個(gè)平行試樣共計(jì)72 個(gè)土樣，以完全相同的條件進(jìn)行試驗(yàn)，剔除部分不合理數(shù)據(jù)后再補(bǔ)做一組，使每組試驗(yàn)的相對(duì)誤差均控制在±1%范圍內(nèi)，將平行試驗(yàn)的結(jié)果取平均值，最終得到24 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。以組別4 封閉系統(tǒng)為例，放置含水率32%，密度1.8 g·cm-3，上層3 cm 壓實(shí)度為87%，下層5 cm 壓實(shí)度為82%的原狀土樣,其試驗(yàn)裝置圖見圖1c，記FB4。其他組別相同，僅改變上層壓實(shí)度和凍融循環(huán)次數(shù)。具體設(shè)計(jì)如表2，其中FB1~FB3、KF1~KF3 為對(duì)照組，F(xiàn)B4~FB12、KF4~KF12為試驗(yàn)組。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Experimental design

以組別4為例：（1）將灌區(qū)所取土體于試驗(yàn)室進(jìn)行去雜質(zhì)、晾曬、烘干、研磨處理。試樣桶內(nèi)壁涂潤(rùn)滑油，由《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123-2019[21]配置不同壓實(shí)度的土樣并分層填筑到桶內(nèi)，由下至上依次為原狀土及壓實(shí)度為87%的土樣，共8 cm。（2）在土柱從頂部向底部每隔2 cm 設(shè)溫度傳感器，分別監(jiān)測(cè)2,4,6,8 cm 處的內(nèi)部溫度變化，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度數(shù)據(jù)。上側(cè)安置位移變化表，以監(jiān)測(cè)土體凍脹所發(fā)生的位移量。（3）試樣制作完成后，將試驗(yàn)裝置的四周及底部用保溫裝置附著好，使試驗(yàn)土體自上而下保證單向凍結(jié)，開放系統(tǒng)于試樣桶下方放置補(bǔ)水裝置模擬開放環(huán)境，放入凍融試驗(yàn)機(jī)中。使位移傳感器存在初始讀數(shù)，記錄該讀數(shù)并于5 ℃恒溫養(yǎng)護(hù)。（4）試驗(yàn)以-0.84 ℃·h-1為降溫速率，從0 ℃開始降溫，每隔1 h記錄1次溫度傳感器讀數(shù)，直至降溫至-16 ℃，歷時(shí)18.96 h。（5）試驗(yàn)結(jié)束，讀取位移表讀數(shù)，將土柱取出，測(cè)得經(jīng)凍結(jié)后重分布土體的密度及含水率。融化溫度設(shè)置為室溫，為1次凍融循環(huán)。整理計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)每組的3個(gè)平行試樣結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，控制相對(duì)誤差范圍，每組數(shù)據(jù)結(jié)果取平行試樣的平均值，分析不同壓實(shí)度對(duì)土體凍融特性的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 一次凍結(jié)條件下不同壓實(shí)度土體凍結(jié)鋒面變化規(guī)律

當(dāng)土溫低于凍結(jié)臨界值時(shí)渠基土凍結(jié)，一部分水凍結(jié)成冰，凍脹發(fā)生。凍土和未凍土間可以移動(dòng)的接觸面稱為凍結(jié)鋒面，其移動(dòng)速度反映了凍結(jié)鋒面此時(shí)的熱平衡狀態(tài)。土體在凍結(jié)期間的溫度變化是分析確定土體的凍脹率及凍結(jié)深度的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，能更直觀地體現(xiàn)出不同系統(tǒng)下各壓實(shí)度對(duì)土體內(nèi)部溫度場(chǎng)的作用效果。試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度數(shù)據(jù)，得到不同壓實(shí)度粉質(zhì)黏土凍結(jié)過(guò)程中內(nèi)部溫度-時(shí)間變化曲線（圖2）。例如，圖2 中高度2 cm 和8 cm 的線分別代表的是土樣距頂端2 cm 和土樣底部的溫度隨時(shí)間變化情況。不同環(huán)境下土體凍結(jié)歷時(shí)變化情況如表3。

圖2 不同系統(tǒng)下各壓實(shí)度土樣內(nèi)部溫度-時(shí)間變化曲線Figure 2 Temperature-time variation curves of soil samples with different compactness under different systems

表3 各壓實(shí)度土樣的凍結(jié)歷時(shí)情況Table 3 Freezing duration of soil samples with different compactness

由圖2可知，各組別不同高度處土體內(nèi)部溫度-時(shí)間變化曲線的下降速度均呈先快后慢再快的趨勢(shì)。在試驗(yàn)初期，土體內(nèi)溫度顯著下降，而在臨近凍結(jié)鋒面時(shí)，降溫趨勢(shì)漸緩至趨近于0，試驗(yàn)后期溫度下降，降溫梯度增加，最終接近于試驗(yàn)環(huán)境設(shè)定的降溫梯度-0.84 ℃·h-1。由表3可知，凍結(jié)鋒面由頂端方向逐步向底端遷移。

2.1.1 封閉系統(tǒng)條件下，不同壓實(shí)度形成凍結(jié)鋒面的歷時(shí)變化規(guī)律 由圖2a、圖2c、圖2e和圖2g可知，各壓實(shí)度的土體幾乎都在8 h 前后形成凍結(jié)鋒面；原狀土凍結(jié)鋒面歷時(shí)為4.00 h，壓實(shí)后的土體凍結(jié)鋒面歷時(shí)較原狀土均有所延長(zhǎng)，其中壓實(shí)度97%的土體凍結(jié)鋒面歷時(shí)最長(zhǎng)為5.16 h。

對(duì)封閉系統(tǒng)而言，壓實(shí)度的增大對(duì)凍結(jié)鋒面的形成時(shí)間影響較小；各壓實(shí)度土樣凍結(jié)歷時(shí)不同，代表其在凍結(jié)過(guò)程中凍結(jié)鋒面遷移速率有所區(qū)別，壓實(shí)度越大凍結(jié)鋒面遷移速率越慢，最后相繼達(dá)凍結(jié)最大值，呈穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1.2 開放系統(tǒng)條件下，不同壓實(shí)度形成凍結(jié)鋒面的歷時(shí)變化規(guī)律 由圖2b、圖2d、圖2f和圖2h可知，壓實(shí)度82%和87%的土體在10.6 h 前后形成凍結(jié)鋒面，而壓實(shí)度為92%和97%的凍結(jié)鋒面形成時(shí)間分別明顯延后為11.67 h 和12.17 h；原狀土凍結(jié)鋒面歷時(shí)為4.25 h，壓實(shí)后凍結(jié)鋒面歷時(shí)延長(zhǎng)，其中壓實(shí)度97%的土體凍結(jié)鋒面歷時(shí)最長(zhǎng)為6.08 h。

對(duì)比封閉系統(tǒng)與開放系統(tǒng)，同一壓實(shí)度的土體，開放系統(tǒng)下土體凍結(jié)鋒面的形成時(shí)間較封閉系統(tǒng)下的更長(zhǎng)，壓實(shí)度的增大達(dá)一定值時(shí)凍結(jié)鋒面的形成時(shí)間明顯延后；壓實(shí)使凍結(jié)歷時(shí)均延長(zhǎng)，且比同一壓實(shí)度下封閉系統(tǒng)的更長(zhǎng)，即凍結(jié)鋒面遷移速率更慢。

2.1.3 相同凍結(jié)歷時(shí)下，不同壓實(shí)度對(duì)凍深的削減效果對(duì)比 監(jiān)測(cè)土柱內(nèi)部各高度處的土體起始凍結(jié)時(shí)間繪制成曲線圖3，并將圖3 進(jìn)行曲線擬合得到各壓實(shí)度土樣在相同凍結(jié)歷時(shí)下的凍深情況如表4。分析結(jié)果表明：（1）在凍結(jié)過(guò)程中，當(dāng)對(duì)照組的土樣已凍至最大時(shí)，壓實(shí)度為87%的土樣在封閉系統(tǒng)與開放系統(tǒng)下分別削減凍深13.13%、9.38%，經(jīng)歷相同凍結(jié)時(shí)間，封閉系統(tǒng)與開放系統(tǒng)下壓實(shí)度92%的土樣凍深分別為6.10 cm 與6.45 cm，而壓實(shí)度為97%的土樣在開放系統(tǒng)下的凍深為5.10 cm，使其經(jīng)壓實(shí)凍深削減率達(dá)36.25%；（2）在外界條件一定且凍結(jié)時(shí)間相同的情況下，對(duì)照原狀土，對(duì)渠基土進(jìn)行壓實(shí)能起到削減凍深的效果，且壓實(shí)度97%的土樣削減效果最好。

圖3 土樣各高度處起始凍結(jié)時(shí)間變化Figure 3 Variation of initial freezing time at various heights of soil samples

表4 各壓實(shí)度土樣在相同凍結(jié)歷時(shí)下的凍深情況Table 4 Freezing depth of soil samples with different compaction degrees under the same freezing duration

2.2 不同壓實(shí)度、不同凍融次數(shù)土體水分遷移規(guī)律分析

壓實(shí)度增大導(dǎo)致土體密實(shí)度增大，凍結(jié)鋒面的遷移速率減小，因而土體內(nèi)部水分遷移速率減慢。在單向凍結(jié)條件下，土體表層首先開始凍結(jié)，內(nèi)部土體還未發(fā)生凍結(jié)，此時(shí)土體表層與土體內(nèi)部未凍區(qū)間出現(xiàn)溫度梯度，封閉系統(tǒng)下的未凍區(qū)水分及在開放系統(tǒng)下的外界水源補(bǔ)給水均向凍結(jié)鋒面處逐漸遷移，最終導(dǎo)致土體內(nèi)部各高度處含水率的分布發(fā)生改變，出現(xiàn)水分重分布現(xiàn)象。在土體經(jīng)歷不同次數(shù)的凍融循環(huán)后，凍結(jié)結(jié)束后快速取出土樣并切割，自頂端向底端分別在1 cm上部、3 cm上部、5 cm上部、7 cm上部處測(cè)土樣各高度處的含水率，與未凍結(jié)前進(jìn)行對(duì)比，分析土體內(nèi)水分重分布的規(guī)律，將凍融過(guò)程各高度處的含水率變化情況繪成曲線圖4。

圖4 不同壓實(shí)度的土體經(jīng)凍融循環(huán)后各高度處的含水率變化Figure 4 The moisture content of soils with different compactness changes at different heights after freeze-thaw cycles

2.2.1 封閉系統(tǒng)下不同壓實(shí)度、不同凍融次數(shù)土體水分遷移規(guī)律 由圖4 中的封閉系統(tǒng)下曲線FB1~FB12 可知，F(xiàn)B8（封閉系統(tǒng)下壓實(shí)度92%、凍融2次后再凍脹）和FB11（封閉系統(tǒng)下壓實(shí)度97%、凍融2次后再凍脹）的含水率曲線變化趨勢(shì)相似，1 cm 上部、3 cm 上部含水率分別由30.81%、30.65%增加至34.26%、34.25%，而至5 cm上部含水率分別降至31.38%、30.89%，從5 cm上部到7 cm上部含水率變化微小為31.36%、30.80%；各組別不同高度的含水率變化規(guī)律相似，均呈現(xiàn)最頂層含水率較初始含水率低，隨深度增加含水率逐步增加，達(dá)含水率最大值，后又逐漸降低；經(jīng)歷1 次凍脹，壓實(shí)度87%的土體1 cm 上部、3 cm 上部、5 cm 上部、7 cm 上部處含水率分別為31.34%、33.47%、30.99%、31.75%，凍融2 次后再凍脹分別增加至31.73%、34.01%、31.96%、31.87%，凍融4次后再凍脹分別增加至31.88%、34.05%、32.19%、32.47%。

分析封閉系統(tǒng)下壓實(shí)度對(duì)土體內(nèi)水分遷移的影響規(guī)律可知，經(jīng)凍融循環(huán)后，隨壓實(shí)度增加，土體內(nèi)部相同高度處的含水率呈下降趨勢(shì)。經(jīng)凍融循環(huán)后，不同壓實(shí)度土體各高度的含水率均發(fā)生變化，集中表現(xiàn)為含水率向3cm上部?jī)鼋Y(jié)鋒面附近集中。

2.2.2 開放系統(tǒng)下不同壓實(shí)度、不同凍融次數(shù)土體水分遷移規(guī)律 由圖4 中的開放系統(tǒng)下曲線KF1~KF12 可知，KF8（開放系統(tǒng)下壓實(shí)度92%、凍融2 次后再凍脹）和KF11（開放系統(tǒng)下壓實(shí)度97%、凍融2 次后再凍脹）的含水率曲線變化趨勢(shì)相似，自1 cm 上部至3 cm 上部處含水率分別由31.42%、31.27%增加至32.99%、32.52%，而至5 cm 上部含水率略微下降至32.49%、32.37%，從5 cm 上部到7 cm 上部含水率變化微小為32.96%、32.71%；土體內(nèi)部自上至下含水率變化趨勢(shì)呈1 cm上部至3 cm上部處上升至最大值、后略微下降又上升；由于有外界水進(jìn)行補(bǔ)給，經(jīng)多次凍融后，土樣底層的含水率最高，且大于土樣的初始含水率；土體頂層含水率最低，低于初始含水率；經(jīng)歷1次凍脹，壓實(shí)度87%的土體1 cm 上部、3 cm 上部、5 cm 上部、7 cm 上部處含水率分別為31.70%、32.93%、32.51%和33.33%，凍融2次后再凍脹分別增加至31.72%、33.08%、32.93%和33.98%，凍融4次后再凍脹分別增加至31.84%、34.16%、33.07%和34.24%。

開放系統(tǒng)下，經(jīng)凍融循環(huán)后，隨壓實(shí)度增加，土體內(nèi)部相同高度處的含水率呈下降趨勢(shì)；經(jīng)歷凍融循環(huán)后，不同壓實(shí)度土體各高度的含水率均有增加，集中表現(xiàn)為含水率向3 cm上部?jī)鼋Y(jié)鋒面及7 cm上部水分補(bǔ)給源處集中；經(jīng)歷凍融循環(huán)土體內(nèi)部發(fā)生水分重分布，補(bǔ)給層水源補(bǔ)給的水分遷移高度約至凍結(jié)層的50%；經(jīng)歷反復(fù)的凍融循環(huán)使土體不同高度的含水率均有所上升，且開放系統(tǒng)下各高度處含水率均大于封閉系統(tǒng)，主要原因是凍融循環(huán)下外界水分向土樣進(jìn)行遷移。

2.3 凍融后不同壓實(shí)度變化情況分析

土壤的凍結(jié)過(guò)程中水分向凍結(jié)面遷移并聚集使凍脹發(fā)生，而經(jīng)歷多次凍融循環(huán)會(huì)使土體的孔隙比增加，水分遷移速度更快，但密度減小，造成土體松動(dòng)。本研究在經(jīng)歷凍融循環(huán)的每次凍結(jié)之后，分層測(cè)出經(jīng)凍融后不同高度的土體干密度，計(jì)算分析土體凍融后的壓實(shí)度變化情況，研究封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)下凍融循環(huán)對(duì)土體壓實(shí)度的影響。試驗(yàn)得到凍融循環(huán)前后的土體壓實(shí)度變化情況如表5和表6。

表5 封閉系統(tǒng)下凍融后壓實(shí)度變化情況Table 5 Change of compaction degree after freeze-thaw in closed system

表6 開放系統(tǒng)下凍融后壓實(shí)度變化情況Table 6 Change of compaction degree after freeze-thaw in open system

2.3.1 在封閉系統(tǒng)條件下，壓實(shí)度隨凍融次數(shù)變化情況 由表5 可知，封閉系統(tǒng)下，對(duì)照組（未經(jīng)壓實(shí)的原狀土）凍融4 次后再凍脹，壓實(shí)度由原來(lái)的82%減小為79.48%；壓實(shí)度87%的土體經(jīng)2 次凍融后再凍脹相比1 次凍脹，壓實(shí)度下降0.83%，經(jīng)4 次凍融后再凍脹相比經(jīng)2 次凍融后再凍脹，壓實(shí)度降低0.17%；壓實(shí)度92%、97%的土體經(jīng)2次凍融后再凍脹相比1次凍脹，壓實(shí)度分別下降0.45%、0.41%，經(jīng)4次凍融后再凍脹相比經(jīng)2次凍融后再凍脹，壓實(shí)度分別降低0.14%和0.17%。

因此，封閉系統(tǒng)下得出：經(jīng)歷凍融循環(huán)使土體壓實(shí)度減??；在未發(fā)生凍融時(shí)，渠基土內(nèi)的密實(shí)度基本呈均勻分布，經(jīng)反復(fù)凍融土體各處孔隙增加不同步，在土體各處孔隙均穩(wěn)定分布后土體性質(zhì)基本穩(wěn)定不變，再次凍融壓實(shí)度基本不再發(fā)生變化，即隨凍融循環(huán)次數(shù)T 增加，凍融循環(huán)作用對(duì)渠基土壓實(shí)度的影響程度減小；壓實(shí)度越大的土體，凍融對(duì)其壓實(shí)度的減小作用越弱。

2.3.2 在開放系統(tǒng)條件下，壓實(shí)度隨凍融次數(shù)變化情況 由表6 可知，開放系統(tǒng)下，對(duì)照組（未經(jīng)壓實(shí)的原狀土）凍融4 次后再凍脹，壓實(shí)度由原來(lái)的82%減小為78.49%；壓實(shí)度87%的土體經(jīng)2 次凍融后再凍脹相比1 次凍脹，壓實(shí)度下降0.86%，經(jīng)4 次凍融后再凍脹相比經(jīng)2 次凍融后再凍脹，壓實(shí)度降低0.50%；壓實(shí)度92%、97%的土體經(jīng)2次凍融后再凍脹相比1次凍脹，壓實(shí)度分別下降0.57%、0.42%，經(jīng)4次凍融后再凍脹相比經(jīng)2次凍融后再凍脹，壓實(shí)度分別降低0.33%、0.36%。

在開放系統(tǒng)下得出，土體的壓實(shí)度相同且經(jīng)歷相同次數(shù)的凍融循環(huán)后，土體在開放系統(tǒng)下比在封閉系統(tǒng)下的壓實(shí)度減小更明顯，即補(bǔ)水對(duì)土體凍融變化的影響顯著，在地下水位較高存在外界補(bǔ)水的條件下土體凍脹引發(fā)的工程問(wèn)題更嚴(yán)重，因此在實(shí)際工程中應(yīng)謹(jǐn)慎處理好地下水處理等工作；經(jīng)歷凍融循環(huán)對(duì)土體本身的結(jié)構(gòu)具有弱化作用，故經(jīng)歷多次凍融對(duì)壓實(shí)度減小作用減弱；對(duì)土體進(jìn)行二次壓實(shí)可以明顯減輕凍融破壞的發(fā)生程度，開放系統(tǒng)下表現(xiàn)更明顯。

2.4 不同壓實(shí)度、不同凍融次數(shù)對(duì)土體凍脹量及凍脹率規(guī)律分析

壓實(shí)度越大的土體，內(nèi)部孔隙比越小，凍融對(duì)其壓實(shí)度的減小作用越弱，凍脹量越小。反復(fù)經(jīng)歷凍脹使土體逐漸趨于穩(wěn)態(tài)，一般情況下，凍脹率用以體現(xiàn)土體凍脹性強(qiáng)弱。公式為：

式中：η為凍脹率(%)；Δh為凍脹量(mm)；H為凍深(mm)。

隨壓實(shí)度增加土體凍脹率顯著降低，后趨于平穩(wěn)。經(jīng)歷不同次數(shù)凍融循環(huán)后分別讀取凍脹后土樣凍脹量數(shù)值并計(jì)算凍脹率及凍脹削減率見表7 和表8。表7 為封閉系統(tǒng)數(shù)據(jù)，表8 為開放系統(tǒng)數(shù)據(jù)。并將土體的凍脹率隨壓實(shí)度變化情況繪制成曲線圖5。

圖5 經(jīng)凍融土體凍脹率隨壓實(shí)度變化規(guī)律Figure 5 Variation of frost heave rate of freezing-thawing soil with compaction degree

表8 開放系統(tǒng)下試驗(yàn)分析結(jié)果Table 8 Experimental analysis results under open system

2.4.1 在封閉系統(tǒng)條件下，不同壓實(shí)度、不同凍融次數(shù)土壤凍脹率的變化情況 由表7 及圖5a 可知，試驗(yàn)測(cè)得經(jīng)歷凍脹1次，封閉系統(tǒng)下壓實(shí)度82%的原狀土凍脹率為6.50%，而壓實(shí)度為97%的土體凍脹率最小為3.63%；經(jīng)4次凍融后再凍脹使得壓實(shí)度82%凍脹率為8.13%，壓實(shí)度97%的土體凍脹率最小為4.38%；對(duì)比原狀土，試驗(yàn)測(cè)得經(jīng)4次凍融后再凍脹的封閉系統(tǒng)下壓實(shí)度87%的渠基土凍脹量相比于原狀土凍脹量減小18.46%，而壓實(shí)度92%和97%的渠基土凍脹量相比于原狀土凍脹量各減小35.38%和46.15%。

在封閉系統(tǒng)條件下，壓實(shí)度一定時(shí)，渠基土的凍脹率隨凍融次數(shù)的增加而增長(zhǎng)，最終逐漸趨于固定值；凍融次數(shù)一定時(shí)壓實(shí)度增加使渠基土密度變大、凍脹率變小；壓實(shí)度97%對(duì)減小凍脹量的效果良好。

2.4.2 在開放系統(tǒng)條件下，不同壓實(shí)度、不同凍融次數(shù)土壤凍脹率的變化情況 由表8及圖5b可知，試驗(yàn)測(cè)得經(jīng)歷凍脹1次，開放系統(tǒng)下壓實(shí)度82%的原狀土凍脹率為8.13%，而壓實(shí)度為97%的土體凍脹率最小為4.75%；經(jīng)4 次凍融后再凍脹使得壓實(shí)度82%凍脹率為10.00%，壓實(shí)度97%的土體凍脹率最小為5.63%；對(duì)比原狀土，試驗(yàn)測(cè)得經(jīng)4次凍融后再凍脹的開放系統(tǒng)下壓實(shí)度87%的渠基土凍脹量相比于原狀土凍脹量減小16.25%，而壓實(shí)度92%和97%的渠基土凍脹量相比于原狀土凍脹量各減小33.75%和40.00%。

開放系統(tǒng)條件下，壓實(shí)度一定時(shí)，凍融次數(shù)與凍脹率呈正相關(guān)；壓實(shí)度與凍脹率呈負(fù)相關(guān)，且渠基土在開放系統(tǒng)下的凍脹率比封閉系統(tǒng)下的高，土體發(fā)生凍融破壞主要原因是水分的遷移及凍結(jié)，是否有外界水源補(bǔ)給是凍脹強(qiáng)弱的基本條件；壓實(shí)度92%與97%對(duì)減小凍脹量的效果相差不大且均較良好。

3 討論與結(jié)論

本研究以渠基土的壓實(shí)度、凍融循環(huán)次數(shù)以及補(bǔ)水條件為變量，在單向凍結(jié)的試驗(yàn)條件下分析了壓實(shí)度對(duì)低液限粉質(zhì)黏土凍融特性的影響規(guī)律。

在封閉系統(tǒng)條件下，壓實(shí)度的增大對(duì)凍結(jié)鋒面的形成時(shí)間影響較小，壓實(shí)度97%的土體凍結(jié)鋒面歷時(shí)最長(zhǎng)為5.16 h；凍結(jié)鋒面的遷移速率減小，故土體內(nèi)部水分遷移速率減慢，經(jīng)凍融循環(huán)后不同壓實(shí)度土體內(nèi)部含水率集中表現(xiàn)為含水率向3 cm上部?jī)鼋Y(jié)鋒面附近集中；經(jīng)歷多次凍融循環(huán)使土體水分遷移速度更快，但密度減小，而壓實(shí)度97%的土樣經(jīng)凍融后土體性質(zhì)基本穩(wěn)定不變；經(jīng)4次凍融后再凍脹，壓實(shí)度97%的渠基土凍脹量相比于原狀土凍脹量減小46.15%，壓實(shí)對(duì)凍脹的削弱效果明顯。所以，渠基土選取壓實(shí)度97%時(shí)抗凍脹效果最好。

在開放系統(tǒng)條件下，由于隨壓實(shí)度增加，對(duì)凍結(jié)鋒面的影響逐漸降低最終趨于穩(wěn)定；對(duì)于其他條件相同的情況下，同一壓實(shí)度的土體，開放系統(tǒng)下凍結(jié)鋒面的形成時(shí)間長(zhǎng)，凍結(jié)鋒面歷時(shí)更長(zhǎng)，這與王思文等[22]研究的不同初始含水率對(duì)單一壓實(shí)度土體凍結(jié)速率的影響所得規(guī)律相符，本研究對(duì)不同壓實(shí)度低液限粉質(zhì)黏土凍融特性分析，得出經(jīng)4 次凍融后再凍脹壓實(shí)度為92%與97%時(shí)土體內(nèi)部含水率分布情況相似。試驗(yàn)得到壓實(shí)度92%的土樣經(jīng)4次凍融后再凍脹土體性質(zhì)已基本趨于穩(wěn)定；經(jīng)4次凍融后再凍脹，壓實(shí)度92%和97%的渠基土凍脹量相比于原狀土凍脹量分別減小33.75%和40.00%，凍脹率與壓實(shí)度呈負(fù)相關(guān)，與凍融循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)，這與閆壘等[23]在封閉系統(tǒng)下對(duì)黃土凍融特性研究所得規(guī)律一致；由于經(jīng)4 次凍融后再凍脹，壓實(shí)度為92%與97%土體性質(zhì)相近。因此，兼顧實(shí)際施工條件以及經(jīng)濟(jì)效益，建議選取壓實(shí)度為92%最合理。

本研究通過(guò)控制渠基土壓實(shí)度的方法減輕渠道凍脹破壞，為實(shí)際渠道工程的防凍脹設(shè)計(jì)工作提供了理論依據(jù)，兼顧工程造價(jià)，未來(lái)還可研究控制壓實(shí)度結(jié)合在渠道襯砌下添加保溫板以達(dá)到防凍脹效果。