黑龍江漠河段粗砂土凍脹性試驗研究

汪恩良 ，許春光，韓紅衛 *，于 俊，馬文博

（1.東北農業大學水利與土木工程學院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省寒區水資源與水利工程重點試驗室，哈爾濱 150030）

凍土是一種包含土顆粒、冰包裹體、未凍水和氣的復雜低溫地質體[1]。在寒區建筑施工建設和后期管護中，因凍土對溫度極為敏感，氣溫變化可造成土體不同程度凍脹變形和融化下沉，不僅給施工造成巨大困難，還為后期建筑工程使用與養護帶來不便，如公路路面不均勻沉降、建筑物基礎整體或局部抬高、渠道輸配水渠襯砌破壞[2]、人工凍結法巖壁開裂和墻面防水層破裂等。隨著國民經濟加速發展和國家戰略計劃相繼實施，我國在東北和西北等季節性凍土區和多年凍土區開展大量寒區工程建設，如青藏鐵路成功修建，高寒鐵路“高大高鐵”和“哈佳快速鐵路”項目竣工，均標志著我國在寒區建設取得階段性成果，但由此引發的冰凍災害仍亟待解決。

研究人員針對凍脹機理展開探討[3]，Everett[4]和Miller[5]解釋在負溫條件下引起土體發生凍脹變形的機理，即孔隙水相變結晶體積增大從而擠壓土顆粒產生相對移動，土中水發生定向遷移，在土層間形成薄厚不均冰透鏡體致使土體發生位移變化。土體凍脹方式有原位凍脹和分凝凍脹兩種[6]。砂土作為自然環境及工程中常見土壤，分布廣泛，國內學者已在現場與實驗室內對土體凍脹特征展開深入研究。周池緒和王正秋對粗砂土凍脹性強弱作分類研究[7-8]，張晉勛等研究不同干密度下飽水砂卵石凍脹性，發現無論在封閉系統還是在開敞系統下，凍脹率均小于1%，屬凍脹不敏感類土[9]。潘高峰等于實驗室內研究鹽漬細砂土凍脹特性，發現土樣在低含水率時有凍縮現象，而在高含水率時僅有凍脹現象[10]。楊小薈等分析非飽和沙漠砂凍脹性，當含水率相同時，發現沙漠砂凍脹率隨密度增大而增大；當密度相同時，沙漠砂凍脹率隨含水率增大而增大[11]。程培峰等對粉砂土開展凍脹試驗，認為在含水率一定情況下，凍脹率隨壓實度增大而減?。划攭簩嵍纫欢〞r，凍脹率隨含水率增大而增大[12]。姜龍等于實驗室內開展一系列砂凍脹試驗，認為凍脹率與試樣含水率呈線性關系，且當含水率大于14%時，存在少量泥砂可達到弱凍脹，在含水率過低情況下，砂類土體表現凍縮現象[13]。臧東亮等指出飽和砂土和碎石土顆粒之間孔隙被水分填滿，在負溫條件下，孔隙中水相變成冰，擠壓土顆粒，但顆粒本身變形較小，促使土體整體體積增大，表現出凍脹性[14]。吉延峻等通過分析影響土體凍脹性強弱眾多因素，指出試驗土樣含水率越高，密度越小，黏粒含量越高，土體凍脹性越強，并提出減少凍脹災害防治措施[15]。由于土體結構具有復雜性，影響凍脹性因素眾多，如顆粒組成、密度、含水率、礦物成分等，外部環境溫度和壓力影響土體凍脹性。從上述研究成果可看出，土體結構具有復雜性和區域性特點，研究成果不具有普適性，在實際應用中應選取與當地相適應研究成果作為理論依據。

黑龍江流域地處我國高緯度凍土區，黑龍江河道具有灘地低平寬闊、土體結構松散、沖刷凍融侵蝕破壞嚴重等特點。黑龍江漠河段流域地理位置相對特殊，同時受極端氣候和復雜因素影響，針對此地研究成果甚少。本文選取黑龍江漠河段粗砂土為試驗材料，探究其凍脹特性，粗砂土比起其他土體物理力學性質差，易被水流沖蝕而發生滲透破壞，使河岸穩定性降低，加之地處凍土區，岸灘土體在一年中可發生多次凍融循環侵蝕破壞[16-17]，造成岸灘土體結構損傷，土體逐漸疏松散落，土體流失，破壞河道結構物地基。因此，研究黑龍江漠河段粗砂土凍脹特性，可為當地水利工程施工建設和后期管理提供理論依據，對保障當地工程建設安全運行，推進黑龍江流域寒區工程建設發展具有重要意義。

1 試驗設計及操作方法

1.1 試驗區域概況及試樣來源

黑龍江亦稱阿穆爾河，有南北兩源，南源額爾古納河，北源石勒喀河，南北兩源交匯于漠河以西洛古河村后始稱黑龍江。黑龍江流域面積廣，河道水流補給主要依靠暖季降雨和冷季降雪，水量極為豐富，暖季受氣溫和輻射影響，河冰消融，流凌堆積，易形成凌汛。

研究區域選取黑龍江漠河段流域，氣候屬溫帶大陸性氣候，全年平均氣溫為-4.9 ℃，多年平均降雨量415 mm，雨量充沛，植被完好，是全國冬季氣溫最低和氣候最寒冷地區[18]，受地理位置和氣候影響，河流封凍期達171 d，冬季極端氣溫可達-52.3 ℃。本次試驗土樣取自黑龍江漠河段流域河漫灘地，采樣地地理坐標為122°36′E，53°46′N，因地處高緯度多年凍土區，該地區受水流侵蝕和凍融侵蝕風化作用影響，岸灘土體為黃褐色砂土。

1.2 試樣基本參數

在黑龍江漠河段采集地采用環刀法測定粗砂土密度，用電子天平稱量環刀和環刀與土的質量并記錄完整，選取3個平行試樣，帶回實驗室計算試樣密度，采用烘干法測定試樣含水率。在實驗室按照《巖土工程勘察規范》[19]（GB 50021-2001）對土樣分類定名，屬天然粗砂土，基本物理參數為：含水率15.96%，密度1.835 g·cm-3，比重2.63，孔隙比0.66。顆粒分析曲線如圖1所示。

圖1 粗砂土顆粒分析曲線Fig.1 Curve of coarse sandy soil

1.3 試樣制備及方案

根據《土工試驗方法標準》[20（]GB/T 50123-2019）將帶回的粗砂土放在通風干燥處風干，過2 mm 標準篩，放入烘箱內，設置溫度105 ℃，恒溫烘8 h。在拌和砂土時按照公式（1）計算出制備試樣所需水量，按公式（2）計算所需粗砂土質量。將計算好的水量通過噴壺噴入粗砂土內部并不斷攪拌，將制作好的粗砂土用保鮮膜包裹并密閉保存，防止水分蒸發散失，放置24 h，使水分充分散布于粗砂土。試樣尺寸為直徑100 mm×高100 mm，裝樣分層擊實，嚴格控制各層土質量和高度，分3 次放入擊實桶內并用落錘擊實成樣，層與層之間用土刀刮毛，便于試樣各層之間相結合，使土樣成為整體，防止分層。試驗根據粗砂土現場天然狀態設計含水率分別為14%、16%、18%和20%，干密度設計為1.50、1.55 、1.60 和1.65 g·cm-3，本次試驗為在試驗規范溫度控制模式下探究干密度和含水率對粗砂土凍脹特性影響。

1.4 試驗儀器設備

本試驗于東北農業大學水利與土木工程學院凍土工程實驗室內開展，試驗設備主要包括土工凍脹試驗箱（XT5405FSC）、數據采集器（DT80G）、熱敏電阻溫度傳感器（中國科學院凍土工程國家重點試驗室，測量精度±0.02℃）、位移傳感器（KTR-50 mm）和試驗模具等，如圖2所示。

土工凍脹試驗箱結構如圖3所示，主要由箱體溫控系統、頂板溫控系統和底板溫控系統等組成，箱體內有風扇可對內部空氣擾動以實現內部溫度均衡，在箱體拉門上設有觀察窗口，可配合凍脹箱內部燈光觀察試驗變化過程。箱體溫度控制為-30 ℃～50 ℃，頂板和底板溫度控制為-40 ℃～60 ℃，3個溫控系統相互獨立，可精確控制試驗溫度。制冷方式采用酒精循環液控制頂板和底板溫度，頂板和底板采用與試樣直接接觸方式給試樣降溫，降溫和升溫速率快，制冷效果好效率高，可在短時間內達到預設溫度，滿足本次凍脹試驗要求。數據采集裝置采用DT80G 數據采集器，將傳感器電阻絲與采集器上端子相連接，設置采集程序，即可監測試驗過程中數據變化，該數據采集器可設置不同采集頻率和搭接各種類型傳感器，應用范圍廣，操作簡單，耐低溫效果好。

圖2 試驗儀器設備Fig.2 Test instruments and equipment

圖3 土工凍脹試驗箱體內部結構及模具Fig.3 Internal structure of geosynchronous frost heave test chamber and mould

1.5 凍脹試驗過程及方法

將試樣放入土工凍脹試驗箱內試驗模具頂板與底板之間，將熱敏電阻溫度傳感器沿模具薄壁孔洞插入試樣內部，用以監測土體內部溫度變化。位移傳感器抵住頂板，監測土體在凍結過程中位移變化，保溫材料將試驗模具外側包裹完整，以減少試驗過程中熱量交換。待試驗儀器安置完成后，設置和調試采集系統，以保證在試驗過程中完整記錄數據。

本試驗為有側限封閉系統試驗，僅允許試樣在豎直方向發生變形，且溫度由頂板和底板控制，可模擬野外土體“單向凍結”規律，按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）中凍脹率試驗溫度控制要求，即在試驗開始前將箱體、頂板和底板均設置為1 ℃，以便在降溫過程中試樣可快速發生凍結，并將試樣恒溫6 h，待試樣各土層溫度均一且恒定時，即可按照試驗規范中降溫方式開始降溫，使試樣從頂端開始凍結。

2 結果與分析

2.1 起始凍結溫度過程

土體凍結溫度是指土體內部孔隙水開始凍結時溫度，是判定土樣是否處于凍結狀態重要依據[21]。土體在凍結過程中，受土體內部顆粒吸附作用、水分含量和含鹽量影響，孔隙水在達到冰點即0 ℃后并不發生凍結，而是低于0 ℃某一溫度下發生凍結，且起始凍結溫度隨含鹽量的增加而降低[22]。因此，在開展粗砂土凍脹試驗前，測定試樣起始凍結溫度具有重要意義。

粗砂土起始凍結溫度測定步驟：按照試驗要求將制備好試樣放入試樣杯中，用保溫材料完整包裹試樣杯外壁，防止溫度散失帶來的試驗誤差。再將試樣杯放入土工凍脹試驗箱箱體內，在試樣表面覆蓋保鮮膜以防止在試驗過程中水分蒸發散失，在試樣杯中心插入一根熱敏電阻溫度傳感器，監測試樣內部溫度變化。待試樣安置完畢后，開啟土工凍脹試驗箱溫度控制系統，對試樣降溫，設置采集間隔為5 s，待試樣完全凍結后，下載并處理試驗數據。

圖4為粗砂土起始凍結溫度過程曲線，此過程可分為4 個階段：第Ⅰ階段為粗砂土過冷階段：粗砂土受環境溫度影響，試樣溫度逐漸降低，當溫度達0 ℃時，粗砂土內水分仍未凍結成冰，即溫度低于水凍結溫度，水卻未發生凍結，原因在于，水結成冰先決條件是結晶核存在，結晶核僅在低于水本身結晶溫度時生成；第Ⅱ階段為溫度突變階段：隨溫度進一步降低，結晶核生成，孔隙水開始結晶，釋放潛熱，使溫度驟升，圖中可見粗砂土凍結過程中溫度存在驟升現象，因為粗砂土試樣內部遵守能量守恒定律，在試樣凍結過程中水分子自由度降低，逐漸相變成冰，在此過程下水結冰析出大量熱能，打破原來熱量平衡，促使試樣內部溫度發生突增；第Ⅲ階段為水結晶階段：因粗砂土顆粒大，表面能小，且土中水多為自由水，所以在潛熱析出后，凍結溫度十分穩定，試樣溫度接近0 ℃，試樣中水分在穩定溫度下開始凍結。在此階段過程中，土體內部接受外界冷能與土中水相變成冰釋放潛熱達到能量平衡，至粗砂土試樣內部水分完全凍結；第Ⅳ階段為試樣恒定凍結階段，土樣受環境負溫影響將進一步冷卻，原來存在少量薄膜水等開始凍結。土起始凍結溫度受試樣土質、含水率、干密度和含鹽量等因素共同影響，所以不同試樣起始凍結溫度略有差異。

2.1.2 質譜條件 采用電噴霧離子源（ESI），正、負離子模式檢測；掃描范圍：m/z 100～1 200；干燥氣：N2（純度：99.999 9%）；干燥氣流速：15 L/min；干燥氣溫度：350℃；碰撞低能量：4 V；碰撞高能量：10～40 V。

在凍結過程中粗砂土起始凍結溫度為溫度出現突增躍變后所達到的最高最穩定時溫度，由試驗結果圖4可知，在該試驗條件下，粗砂土起始凍結溫度為-0.19 ℃。

圖4 粗砂土起始凍結溫度曲線Fig.4 Initial freezing temperature curves of coarse sandy soil

2.2 粗砂土凍結發展過程

2.2.1 溫度場變化過程

待試驗結束后采集溫度數據，通過分析試驗過程溫度變化，結合粗砂土凍結試驗測得粗砂土起始凍結溫度，確定試樣開始凍結，并對溫度數據作插值處理，繪制粗砂土試樣內部溫度變化過程圖，圖5為粗砂土凍結過程溫度場沿試樣深度隨時間發展過程。由圖5可知，試樣在試驗規范溫度控制模式下，試樣溫度場隨時間呈一定梯度變化，表現為隨試驗歷時增加，試樣溫度從最初1 ℃左右開始迅速降溫，試樣土層距離頂板冷端越近，試樣降溫速率越快，距離頂板冷端越遠降溫速率越慢，原因在于試驗采用單向凍結方式，當試樣頂部達到負溫后便開始凍結，凍結鋒面開始向下推移，凍結深度開始增加，但因試樣內部孔隙水不斷結晶釋放潛熱，同時土層內部存在熱阻作用，一定程度上抑制負溫向更深土層傳遞；在靠近暖端附近土體，傳遞到此處冷能已被大部分耗散，同時在暖端熱量作用下凍結鋒面推移緩慢，直至凍結鋒面停止移動。由于采用試驗規范中線性溫度控制模式，頂板溫度隨試驗歷時增長逐漸降低，降溫強度逐漸增大，因此土層凍結深度發展過程隨時間變化較為緩慢。

2.2.2 溫度梯度變化過程

監測粗砂土凍結過程溫度變化，按公式（3）計算土體溫度梯度，繪制凍結粗砂土試樣內部溫度梯度隨時間變化曲線，以更好研究冷端溫度對粗砂土試樣影響效應，如圖6所示。

由圖6可知，試樣在試驗規范線性溫度控制條件下，試樣頂端溫度逐漸降低，不同土層之間形成溫度梯度不同，表現為隨凍結時間增加，試樣靠近頂板冷源一端土層溫度變化越明顯，且溫度波動較大，靠近底板暖端土層溫度變化程度較小，溫度梯度曲線趨于平緩。試樣整體表現為隨土層深度不斷增加，土層之間溫度梯度變化逐漸變緩，原因在于土樣頂端不斷接受來自頂板冷能，沿試樣逐漸向試樣底部傳遞，破壞土層中原有熱平衡狀態，因試樣頂端與底端存在溫度差，在各土層之間形成大小不均的溫度差值，所以試樣內部形成溫度梯度。與此同時，隨試樣凍結深度增大，試樣內部熱阻作用增強，導致試樣頂端向底端傳導的冷能逐漸衰減，試樣自上而下溫度逐漸升高，負溫衰減程度隨試樣深度增加逐漸增大，在試樣內部形成隨試樣深度增加逐漸減小的溫度梯度。

式中，gradT-溫度梯度（℃·cm-1）；ΔT-土層間溫度差值（℃）；Δh-與ΔT相對應土層高度（cm）。

2.3 含水率對粗砂土凍脹率的影響

試樣在凍結過程中，試樣溫度受頂板負溫影響溫度逐漸降低，當溫度降低至土體起始凍結溫度以下時，試樣發生凍結，表現為試樣內部孔隙水尤其是自由水釋放相變潛熱后不斷結晶，生成的冰晶體充斥于試樣內部殘余孔隙之中，當試樣內部孔隙不足以容納產生的冰晶體時擠壓土顆粒，使土顆粒發生相對移動，土體表面逐漸隆起，產生凍脹變形量，土體在負溫條件下凍結引起的變形量即為凍脹量。凍結深度是指試樣在凍結過程中所能達到最大土層厚度，在試驗初期，試樣受冷端影響較大，凍結速度快，凍結深度快速增加。隨凍結深度逐漸向底板靠近，受底板熱能影響逐漸增強，凍深增加逐漸放緩，待土體內部能量達到平衡后，試樣凍結深度穩定在一固定深度，此時凍結深度為試樣凍結過程中所能達到最大凍深，試樣凍結深度是凍結鋒面推移和凍脹量發展共同作用結果。

表征土體凍脹性強度指標即凍脹率，其為試樣在試驗過程中形變量和相對應的凍結深度比值，可按公式（4）計算[23]，凍脹率從空間維度探究和討論土樣的凍脹性強弱，是判定土體凍脹敏感性重要特征值之一。

式中，η-試樣凍脹率(%)；Δh-試驗期間內試樣總凍脹量（mm）；Hf-試樣凍結深度（mm）。

水作為引起試樣凍脹來源，其含量高低對試樣凍脹性具有顯著影響。為探究含水率對試樣凍脹率的影響，考慮在試驗規范溫度控制模式下試樣凍脹性強弱，當干密度為1.60 g·cm-3時，含水率分別為14%、16%、18%和20%條件下凍脹率變化情況，試驗結果如圖7所示。試驗結果顯示，粗砂土在不同含水率情況下，粗砂土凍脹率均不足1%。試樣在溫度逐漸降低條件下，內部水分通過毛細作用向凍結鋒面聚集，因粗砂土中細顆粒組分少，顆粒比表面積小，導致土樣毛細作用差，持水性差，對水分束縛力和約束力小，導致粗砂土中水分子多以自由水形式存在。在粗砂土降溫過程中，溫度傳遞速率快，水分遷移量很小，自由水多在原位發生凍結。試驗結果顯示，粗砂土凍脹率隨試樣含水率升高而增大，原因在于試樣內部含水率越大，將會有更多水分相變成冰，引起試樣體積變化相對增大，從而增大試樣凍脹量，引起凍脹率增大。再將試驗結果擬合，擬合結果如公式（5）所示。上述試驗結果與文獻[12]中規律相似。

式中，η-凍脹率(%)；w-含水率(%)。

從擬合結果發現粗砂土含水率和凍脹率之間存在線性關系，R2為0.9753，相關性較好，即粗砂土的凍脹率隨試樣含水率線性增加。

圖7 粗砂土凍脹率和含水率關系Fig.7 Relationship between frost heave ratio and moisture content of coarse sandy soil

2.4 干密度對粗砂土凍脹率的影響

為探究干密度對試樣凍脹率的影響，在規范溫度控制情況下，控制粗砂土含水率為16%，設計4個干密度水平，即1.50、1.55、1.60和1.65 g·cm-3。在此條件下分別開展粗砂土凍脹率試驗，試驗結果如圖8所示。由圖8可知，當粗砂土含水率一定時，試樣凍脹率隨干密度增大而增大，原因在于，當粗砂土溫度降低到負溫時，土顆粒之間水分受冷相變成冰后體積增大，一部分冰晶優先填充土顆粒之間孔隙，待孔隙被冰晶填充完全后，余下冰晶擠壓土顆粒，引起土顆粒移動，致使試樣表面脹起。隨粗砂土干密度增大，試樣被進一步壓實壓密，使顆粒間孔隙進一步縮小，在含水率相同情況下，試樣干密度越大，土顆粒分子間孔隙越小，孔隙不夠容納產生的冰晶，所以冰晶更大程度擠壓土顆粒，引起試樣凍脹量變形，從而增大試樣凍脹率。在含水率一定條件下，粗砂土凍脹率隨干密度增大而增大，擬合試驗結果，擬合關系如式（6）所示，擬合決定系數R2為0.9618，擬合效果較好，且與文獻[11]中非飽和條件下凍脹率隨干密度變化一致。

式中，η-凍脹率（%）；ρd-干密度（g·cm-3）。

圖8 粗砂土凍脹率和干密度關系Fig.8 Relationship between frost heave rate and dry density of coarse sandy soil

由以上試驗過程和結果發現，在粗砂土試樣中，土顆粒粒徑較黏土和粉土顆粒粒徑大，粒徑越小，比表面積大，越吸附并束縛更多水分子。所以，粗砂土中土顆粒無法與水分子形成緊密結構，導致絕大多數水分子均以自由水形式存在于粗砂土顆粒之間孔隙中，僅極少部分水分子和土顆粒結合成為不連續弱結合水。試樣在負溫情況下，由于粗砂土顆粒間毛細作用較小，薄膜水量不足和不連續性導致顆粒間難以形成使水分子發生遷移的通道。同黏土相比，粗砂土無法使水分子在溫度梯度下發生定向遷移，難以形成層狀或者網狀冷生構造。且粗砂土顆粒間水分子因未被顆粒吸附，導致粗砂土顆粒與水分子之間范德華力較弱，水分子通過氫鍵作用相互聚集形成較大水分子團，水分子團重力作用大于使其遷移動力，所以在水分子受冷后多發生原位凍脹，由于凍脹量多來自水分遷移而引起的分凝凍脹，故粗砂土無法產生較大凍脹量。

3 結 論

a.研究粗砂土起始凍結溫度，從冷卻凍結過程曲線中發現，粗砂土凍結過程經歷4個階段，即粗砂土過冷階段、溫度突增階段、孔隙水結晶階段和穩定凍結階段，在本次試驗條件下測得粗砂土起始凍結溫度為-0.19 ℃。

b. 通過監測粗砂土凍結過程中溫度，分析粗砂土試樣溫度場和溫度梯度，試樣內部溫度場呈梯度變化趨勢，距離冷端越近，溫度變化程度越大，距離冷端越遠，溫度變化程度越??；溫度梯度隨試驗時間推移，各土層之間溫度梯度逐漸發展，表現為靠近冷端土層之間溫度梯度較大，靠近暖端土層之間溫度梯度較小。

c.于實驗室內開展黑龍江漠河段流域粗砂土凍脹試驗，在規范溫度控制模式下粗砂土產生凍脹量較小，且凍脹率不足1%，說明該粗砂土樣為凍脹不敏感土樣。

d. 探究含水率與干密度對砂土凍脹性強弱的影響，當粗砂土干密度一定時，粗砂土凍脹率隨試樣含水率增加而增大；當粗砂土含水率一定時，粗砂土凍脹率隨試樣干密度增大而增大。在試驗范圍內，粗砂土含水率和干密度與凍脹率存在線性關系。