不同凍結條件下季節凍土粉質粘土凍融特性試驗研究

鄭美玉 李香瑞 劉 旭

（綏化學院農業與水利工程學院 黑龍江綏化 152061）

我國凍土分布面積很廣，其中凍土區占全國陸地面積的75%。[1-2]凍土區土體受自然因素影響冬季凍結，夏季融化，土體在凍融作用下其物理力學性質發生變化，導致諸多工程出現了如：邊坡失穩、道路翻漿、岸坡滑塌、擋墻開裂等問題。土體凍結變形的原因，與土的顆粒級配、凍結溫度、干密度、補水情況、含鹽量等因素有關。[1]在上述原因中，水分的遷移和補給是土體產生凍脹的直接原因。在土體發生水分遷移的過程中，形成的冰透鏡體改變了土體的內部結構。當凍土融化后，這些不連續分布的冰透鏡體往往成為土體中的軟弱結構面，影響到土體的穩定性。[3]

對于凍土的工程凍害問題，諸多學者從不同的角度已進行了研究，試圖了解破壞的機理，進而采取有效的方法降低工程的凍害破壞。Taber研究發現，土體凍脹的主要原因是外界水源的遷移，而非水的相變體積膨脹所致。[4,5]徐學祖等對凍土中水分遷移機制、影響因素以及水分遷移過程中的冷生現象等方面進行了系統研究。[6]陳肖柏等系統闡述了土在凍結過程中的水分遷移和凍脹的影響因素以及凍脹對工程的影響及其防治措施。[7]吳禮舟等研究了非飽和黏土凍脹過程中凍結鋒面的移動規律，含水率越大,凍結鋒面移動越快。[8]

本文針對粉質粘土，進行了凍脹融沉試驗，研究了不同干密度情況下，開放系統和封閉系統的凍脹率和融沉系數變化規律，對比分析了凍脹量、融沉量的變化，并研究了土樣水分重分布特點。

二、試驗材料和方法

（一）土樣基本物理性質。試驗土樣取自黑龍江哈爾濱萬家凍土試驗場，土樣的基本物理性質為最大干密度1.75g/cm3，最優含水率14.5%，液限31.0%，塑限18.3%，塑性指數12.7，天然干密度1.62g/cm3，天然含水率20.4%，土體經過顆粒分析實驗確定該土質為粉質黏土。

（二）試驗方案。為研究開放條件和封閉條件下土體凍融特性變化情況，對粉質黏土確定了土體的初始含水率為24%，冷端凍結溫度為-4℃，試驗方案見表 1。

表1 實驗方案

（三）試驗方法。試驗土體為重塑土，將試驗用土過2mm的篩，按照試驗需要配成含水率為24%的土，密封放置48h。待土體含水率均勻后，將土體制成高120mm，直徑為100mm的試樣，試樣放置在有機玻璃筒內，試樣頂端和底端分別由凍融試驗箱的頂板和底板控制溫度，試驗時設置頂板為-4℃，底板保持+1℃，試樣周圍溫度也控制+1℃，使土樣產生自上而下的單向凍結。有機玻璃筒的側壁每間隔1.5cm打孔，安裝溫度傳感器，試樣頂端安裝位移傳感器，監測土體位移量的變化情況。試樣的頂板和底板均有補水孔，可以實現與外界水源連通。本次試驗從底板補充水源，底板補水孔通過軟管與馬氏瓶相連接，并采用恒水頭補水。

三、試驗結果及分析

（一）凍土融沉特性分析。土體在融化階段的頂板控制溫度為20℃，當土體的融化變形量趨于穩定時，融沉試驗結束。圖1為試樣1和試樣5的融沉量隨時間變化關系線，通過該圖可以看出，無論是開放系統還是封閉系統，在對土樣施加正溫度后，土樣的融沉量都隨著時間的增加而累積增大，但在融化初期，融沉量變化最為顯著。由于試樣1和試樣5是在不同的補水條件下進行的，故融沉量的大小，有明顯差異。封閉條件下試樣1的融沉量大于開放條件下的試樣5的融沉量。分析其原因，試樣5在有外界水補給的情況下，從凍結狀態過渡到融化狀態，土體內的自由水含量增加，飽和度增加，增加的自由水又無法排除，因此在重力作用下，融沉量下降較小。

圖1 開放與封閉系統下的融沉量關系曲線

圖2為開放條件及封閉條件下，不同干密度土體的融沉系數擬合關系線。由圖可見，融沉系數與干密度的關系呈負相關。表2為不同條件下的融沉系數與干密度的擬合情況表，由表可以看出，擬合情況較好。

圖2 開放（封閉）系統條件下融沉系數與干密度關系線

表2 開放（封閉）系統下的融沉系數與干密度的擬合關系

（二）凍土凍脹特性分析。圖3為試樣1和試樣5的凍脹量隨時間變化過程線，由圖可見，凍脹量是逐漸增加的，試樣1在凍結初期凍脹量增大較明顯，而試樣5在凍結持續一段時間后，增長速率較大，并最終趨于穩定值。出現該現象的原因是試樣5由于有外界水的補給，土體內的熱平衡狀態受到了影響，導致凍結鋒面發展滯后，因此，相對于封閉系統條件下，開放條件的凍脹在初期體現較小。由于有外界水分的補充，試樣5的土體含水率增加，故凍脹量較封閉條件下的土體增加較明顯。

圖3 開放與封閉系統下的凍脹量關系曲線

圖4為開放條件及封閉條件下的凍脹率與干密度的關系線，從圖中可以看出，凍脹率是隨著干密度的增加而增加，且開放系統大于封閉系統。表3為凍脹率與干密度的擬合關系情況，由表可見，凍脹率與干密度的線性相關性擬合較好。凍脹率與干密度的關系，分析其原因，當土體密度增加，孔隙體積減少，水的總量不變情況下，飽和度增加，土體在負溫度作用下，水相變成冰，體積增加，土顆粒原有結構受到破壞，體現為土顆粒骨架間距離增加，故凍脹量增加明顯。

圖4 干密度與凍脹率關系曲線

表3 干密度與凍脹率關擬合系式

（三）凍土水分重分布特征。圖5為開放系統與封閉系統，在圖a為干密度為1.45g/cm3，圖b為干密度1.49g/cm3，圖為干密度1.54g/cm3，圖d為干密度1.58g/cm3條件下水分遷移情況對照圖。從圖中可以看出，開放條件下水分遷移量總體較封閉系統遷移量大，但在相同的補水條件下，水分遷移隨著干密度的增加，移量在逐漸減小。土體上端含水率較初始含水率有所增加，愈靠近土體底端，含水率愈低。分析上述情況產生的原因為：由于開放條件下水分補給充分，水分在毛管力的作用下向上遷移，當干密度增加時，土體的孔隙體積減小，水分遷移受限，所以呈現此規律。

圖5 不同條件土體水分遷移圖

四、結論

土體在開放系統和封閉系統條件下，融沉量和融沉系數存在較大差異，封閉條件下土體的融沉量大于開放條件下的融沉量，融沉系數隨干密度增加而減小。開放系統的凍脹量明顯大于封閉系統條件的凍脹量，并體現出凍脹率隨干面度的增大而增加。開放系統的水分遷移量較封閉系統條件遷移量大，干密度愈大水分遷移量愈小。