凍土期水工混凝土凍融膨脹觀測試驗研究

趙 波

(遼寧澤龍水利實業有限責任公司，沈陽 110003)

0 前 言

東北地區進入冬季后，氣溫較低，土壤開始處于凍結階段，水工混凝土受凍土期變化，較易出現明顯的凍融膨脹變化特征，因此在水工混凝土施工期，需要對其凍土期的凍融膨脹特征進行分析，從而設定相關水工混凝土的抗凍指標[1]。近些年來，對弈北方寒區凍融膨脹的觀測試驗取得一定的研究成果[2-7]，這些研究成果大都表明凍土期水工混凝土的凍融變化特征十分明顯，凍融初期和緩凍期膨脹量變化具有較為明顯的差異性，需要對不同時期的凍融膨脹量進行試驗分析，才能定量分析凍融膨脹的具體影響程度。此外對于凍融膨脹量的影響因素探討研究還較少，多個研究成果表明含水率和溫度是凍土期水工混凝土凍融膨脹兩個主要影響因素，但哪個影響因素是其變化主因還未得到相關研究。結合上述2個科學問題，文章從工程實際出發，以遼寧某工程為研究實例，通過凍土期水工混凝土的凍融膨脹進行觀測試驗，分析凍土期凍融膨脹量在不同時期的變化特征，并分析其變化影響的主要因素。研究成果對于北方地區水工混凝土施工抗凍指標設計具有重要的參考價值。

1 觀測試驗方法

1.1 采樣方法

在進行凍土采樣時，主要對其表層厚度在2.5-3.5m深度下的土層進行采集，按照合《土工試驗方法標準》對采集的土樣進行密封處理，土樣的剔除和篩選按照四分方法進行處理。首先采樣溶解性試驗對采集的凍土進行預先處理，采集的凍土樣品溶解離子試驗結果，見表1。從試驗結果可看出，凍土中溶解的Ca2+的濃度較大，而Cl-作為濃度最高的陰離子存在凍土溶解液中。此外對采集的凍土進行顆粒級配試驗，采集的凍土顆粒級配試驗結果，見表2。

表1 采集的凍土樣品溶解離子試驗結果

表2 采集的凍土顆粒級配試驗結果

1.2 試驗儀器

凍融膨脹觀測主要分為3個試驗步驟：

第1步：觀測試驗儀器的準備，本次觀測試驗主要采用試驗筒、溫控監測系統作為凍融膨脹量和溫度的監控試驗數據的采集。

第2步：對水工混凝土的凍融變形特征進行觀測試驗。本次選用內筒直徑為100mm的觀測筒對凍融膨脹量進行觀測，觀測筒高度和內部厚度分別為200mm和45mm，將熱源靈敏傳感器安裝到觀測筒的底部位置。凍結底板安裝在融觀測試驗筒的頂部位置，底板直徑和厚度分別為350mm和45mm。多個單孔設置在凍結底板位置，循環制動凍融的冷卻溶液，4個排水孔安裝在觀測筒的頂部位置。將厚度為20mm的固定板安裝在觀測試驗筒的底部位置，環形凹槽在固定板內部進行安裝固定，鋼架安裝在底板和支撐板的中部區域，在凍融膨脹時底板不受其變化影響。

第3步：主要對水工混凝土的凍融變形特征進行監測，主要通過觀測筒和磁儀器進行變形量監測，凍融觀測試驗高程和測試偏差分別為55mm和0.10mm。

1.3 試驗步驟

采用5個試驗步驟完成水工混凝土凍融膨脹的變化特征，各試驗步驟分別為：

1)采用溶解試驗對采集的凍土樣品進行溶解離子和顆粒直徑的大小分析，對其采集的凍土物理特征進行試驗測定。

2)觀測試驗：采用空載試驗的方式對其凍融前的含水率進行測定，將10cm的保溫層包圍在觀測筒的外部區域，以保證同一個試驗溫度下進行凍融變化觀測試驗。

3)含水率的測定：將不同土樣進行含水率測定后，進行攪拌均勻密封裝入樣品采集袋中，一般在常溫條件下將試驗土樣的溶解液靜置20h以上，從而確保采集的土壤樣品具有相同的均勻度。

4)溫控試驗：在進行凍結觀測試驗時，需要對試驗土壤溫度進行嚴格控制，最好將試驗土壤溫度按照0.6℃/h進行逐步降溫處理。

5)膨脹量試驗：進入緩凍期后，將溫控系統進行關閉，按照每3cm的深度從上向下逐步采集凍土，對采集的土壤樣品采用烘干方法測定其含水率。

2 凍融膨脹觀測結果分析

2.1 不同土樣的凍融變化特征

對細粒和粗砂兩種采集的土樣進行凍融變化特征的觀測試驗，觀測了不同含水率變化下兩種類型土壤的凍融膨脹變化量，細粒土在不同含水量條件下的膨脹量觀測結果，見表3；粗砂土在不同含水量條件下的膨脹量觀測結果，見表4。

表3 細粒土在不同含水量條件下的膨脹量觀測結果

表4 粗砂土在不同含水量條件下的膨脹量觀測結果

2種類型凍土在不同含水率變化下具有相似的凍融變化特征，隨著含水率的遞增其凍融膨脹量逐步增加，主因是凍結初始階段隨著含水率的遞增凍土的凍結比例相應增加，水工混凝土在凍結階段凍融膨脹速率較大，也因此相應增加其膨脹量。在凍融初始階段細粒隨著凍融時間的增加其膨脹量有所減少，這主要是因為孔徑較小的細粒土不易出現較為顯著的凍融膨脹變化，而其凍融膨脹量顯著遞增的階段主要出現在凍融期。粒徑較大的粗砂土在凍結初期其凍融膨脹較大，其膨脹量要多于細粒。細粒和粗砂土在凍融期及緩凍期變化特征較為接近，在緩凍期兩種凍土凍融膨脹量均呈現較為穩定的變化特征。

2.2 膨脹率與含水量相關度分析

對比分析兩種類型凍土下凍融膨脹率與含水量之間的相關度，不細粒和粗砂土凍融膨脹率和含水率相關度分析結果，見圖1。

細粒 粗砂

從2種類型凍土的凍融膨脹率和含水率相關度分析結果可看出，凍融膨脹率和含水率呈現較為明顯的線性相關，細粒和粗砂凍融膨脹率和含水率相關系數均>0.8，屬于高度相關，粗砂的總體相關度要好于細粒，這主要是因為孔徑較小的細粒土不易出現較為顯著的凍融膨脹變化，而其凍融膨脹量顯著遞增的階段主要出現在凍融期，因此其相關度要低于粗砂土。從觀測試驗分析結果，水工混凝土的含水率是其凍融膨脹變化的主要，其次為氣溫。

2.3 凍融期垂向含水率變化試驗

對細粒和粗砂凍融期垂向含水率進行觀測試驗分析，細粒凍融期垂線含水率分布，見圖2；粗砂土凍融期垂線含水率分布，見圖3。

ω=18% ω=24%

ω=18% ω=24%

從不同類型凍土凍融期含水率垂向變化可看出，凍土類型對其含水率垂向分布影響程度較小，頂部凍土層的含水率隨著初始含水率的遞增而逐步增加，而底部凍土層的含水率有逐漸減小的變化趨勢，凍結較為嚴重的區域主要集中在凍土層深度為5-10cm的位置，不易凍結的土層厚度主要介于1.5-3.5cm的位置。隨著含水率垂向深度的增加，含水率也逐步變化，且凍融膨脹量有所減少。粗砂初始含水量對其垂向分布影響較細粒要顯著，凍結較為嚴重的土層深度主要介于8-9cm之間，不易凍結的土層深度主要集中在2-3cm的位置。不同類型的凍土對凍融膨脹影響程度有所差異。

3 結 論

1)隨著含水率的遞增水工混凝土凍土層的凍融膨脹量逐步增加，主因是凍結初始階段隨著含水率的遞增凍土的凍結比例相應增加，水工混凝土在凍結階段凍融膨脹速率較大，也因此相應增加其膨脹量。

2)粒徑較大的粗砂土在凍結初期其凍融膨脹較大，其膨脹量要多于細粒。細粒和粗砂土在凍融期及緩凍期變化特征較為接近，在緩凍期兩種凍土凍融膨脹量均呈現較為穩定的變化特征。

3)從不同類型凍土凍融期含水率垂向變化可看出，凍土類型對其含水率垂向分布影響程度較小，頂部凍土層的含水率隨著初始含水率的遞增而逐步增加，而底部凍土層的含水率有逐漸減小的變化趨勢。