季節性凍土的凍脹試驗系統及應用

邢 爽，單 良，劉少洋，姜智文

(1.東北電力大學建筑工程學院，吉林 吉林 132012;2.吉林省電力勘測設計院，吉林 長春 130022;3.吉林省電力有限公司白山供電公司，吉林 白山 134300)

基礎的凍脹破壞是季節性凍土地區常見的結構破壞形式，容易導致路面的開裂、突起、沉陷，擋土墻倒塌，構筑物凍拔等破壞現象。另外，大型冷庫、液化氣地下存儲罐等由于人工制冷而產生凍脹破壞的案例也時有發生。每年因為土的凍脹破壞帶來的損失無法計算。凍脹問題嚴重困擾著嚴寒地區凍土地基上構筑物的應用，對凍土的凍脹機理、影響凍脹的因素進行研究，掌握其規律，為預防和治理結構物的凍脹破壞提出可行性建議，解決長期以來困擾我國廣大凍土地區結構凍脹破壞難題，減少凍脹破壞帶來的經濟損失，具有十分重要的意義[1，2]。

為研究土的凍脹機理和影響凍脹的因素，本文在介紹季節性凍土凍脹試驗系統的基礎上，利用該測量系統對一個凍融周期的氣溫、土溫、凍深、凍脹位移、凍脹力進行長期觀測，研究凍融周期內凍脹參數的變化過程。

1 凍脹試驗系統

凍脹試驗場地位于日本北海道北見工業大學內，建于2003年6月，凍脹試驗用的基坑尺寸為3940 mm×3640 mm×700 mm(深)，基坑開挖時，在地下2 m處設置鋼筋混凝土錨，如圖1所示，尺寸為600 mm×3200 mm×500 mm，并預埋地腳螺栓，以便在基坑上方設置反力臂，用以測量試樣的凍脹量、凍脹力，從而使反力梁不受試樣土體凍脹的影響，用作測量凍脹位移的參照物，并為測量凍脹力提供反力支撐，見圖2[3]。下面就土的凍深、土溫、氣溫、凍脹位移、凍脹力等凍脹參數的測量方法及儀器進行描述。

1.1 凍結深度

本試驗利用亞甲藍凍結深度計，測量土的凍結深度，見圖3。在向凍脹基坑填入試樣時，將該凍結深度計垂直埋入試樣中，并將儀器的上端露出。儀器內管可以從外管中抽出，內管上標有刻度，由于亞甲藍溶液凍結會變白，因此可以通過讀取內管上端亞甲藍變白部分的長度，得到凍土深度。

1.2 土溫

取約110 cm長的PVC管，下端封口，在管壁外側每隔10 cm粘貼一個熱點偶，共11個，埋入待測試驗土樣中，使第一個熱電偶與地面持平，管內填滿標準砂，以防止PVC管內空氣對流，影響土溫度的測量精度。這樣，一根PVC管上的熱電偶可以測得地表、地表下10 cm、20 cm～100 cm處的土溫，見圖4。每隔半小時，利用計算機自動讀取土溫數據。

1.3 氣溫

在距離地面1.3m處設置百葉箱，百葉箱內放置熱電偶，通過數據線與試驗場地附近屋內計算機相連，大氣溫度數據由計算機每隔一定時間自動讀取。

1.4 凍脹位移

土的凍脹位移利用鋼尺人工測量，在基坑兩端的反力梁上標記符號，測量時拉緊細線，并將細線兩端置于反力梁上表面標記處，從而以該線為標準測量土的凍脹位移，見圖5。試驗土樣表面設置凍土盤，每次測量時，以凍土盤的上表面為基準進行凍脹位移的測量。

1.5 凍脹力

土的凍脹力的測量裝置見圖6，在原狀土表面與反力梁間設置壓力計，利用螺栓調節壓力計的高度，旋轉螺栓的螺母正好貼緊反力梁，并觀察計算機顯示的壓力值，在壓力值正好超過零時，停止旋轉螺母。在氣溫降到0℃，并開始記錄各種數據之前，需要檢查壓力計是否貼緊反力梁。

在本試驗中，設置兩個壓力計，測定基坑周圍原狀土的凍脹力，原狀土的凍脹力為本研究室多年觀測項目，通過長期觀測，研究凍脹力與凍結深度、大氣溫度、土中溫度的關系。

凍脹力數據每隔半小時，利用連接到室內的計算機自動讀取并保存[4]。

2 試驗土樣的凍脹特性

通過室內凍脹試驗得到試驗土樣的凍脹位移與時間關系曲線、凍脹位移與吸水量關系曲線，見圖7、8所示。

由圖7、8可知，土樣的凍脹速度為0.369 mm/h，最大凍脹量15 mm，根據相關規范可判定試驗土樣為凍脹性土[5]。

3 凍脹試驗結果

利用上述凍脹試驗系統對基坑內凍脹性試驗土樣及基坑周圍原狀土的土中溫度、凍結深度、凍脹位移、原狀土的凍脹力、大氣溫度進行一個凍融周期的連續觀測，試驗結果如下:

3.1 氣溫、土溫

對采集的試驗數據進行處理，日平均氣溫與地下40 cm處土溫變化曲線見圖9，限于篇幅，其它深度的土溫變化曲線未一一列出。

3.2 凍結深度

試驗土樣的凍結深度與融化深度變化曲線見圖10。最大凍深為72 cm。

3.3 凍脹力

基坑周圍原狀土的凍脹力變化曲線見圖11。

圖9 日均氣溫與土中40 cm處日均土溫變化曲線

3.4 凍脹位移

試驗基坑內試驗土樣與基坑周圍原狀土的凍脹位移見圖12～圖13。

4 結 論

利用該季節性凍土的凍脹試驗系統能夠對凍土的溫度、凍深、凍脹力等凍脹參數進行連續有效觀測，并得出如下結論:

(1)試驗土樣隨氣溫下降由上而下開始凍結，最大凍深為72 cm，凍土自氣溫升至0℃后由上而下融化;

(2)溫度下降，凍脹力增加，原狀土的最大凍脹力為30 kN，溫度上升，凍脹力減小;氣溫升至0℃后，凍脹力消失;

(3)土的凍脹位移隨凍深的增加而增大，試驗用凍脹性土樣的最大凍脹位移為4.2 mm，原狀土的最大凍脹位移為7.5 mm，凍脹位移隨凍土融化而逐漸減小。

[1]徐學祖，王家澄，張立新.凍土物理學[M].北京:科學出版社，2001.

[2]張豐帆.季節性凍土構筑物凍脹機理研究及應用[D].長春:吉林大學，2007.

[3]八藤後友也.実験フィールドにおける網走湖底質の経年変化に関する研究[D].日本北見:北見工業大學，2007.

[4]小島一宏，鈴木輝之，山下聡.新しい凍上性判定試験法の適用性について[C].第38回地盤工學研究発表會講演概要集.東京:地盤工學會，2001:35－167.

[5]邢爽.季節性凍土的凍結凍脹試驗研究[D].吉林:東北電力大學，2009.