黏土冻胀性的影响因素分析

王杏杏，李顺群，李 琳

(天津城建大学土木工程学院，天津300384)

冻胀是在冻结过程中形成凝冰和土与冰相间层或带的结果。土的冻胀性不仅取决于原始位置处水分的冻结，而且还取决于冻结过程中未冻区水分的不断迁徙和聚集。区别于一般融土的三相体系，冻土中有冰的存在，有人称之为土的第四相。与常温状态土相比，冻土的力学性质更为复杂。

土的冻胀特性主要与其干密度、含水率、外加荷载、温度等因素有关。近年来，国内外学者对土的冻胀过程及特性进行了多方试验研究［1－5］。程学磊、李顺群等研究了围压和温度这两个重要指标对冻土强度的影响［6］。吴礼舟等通过冻胀融沉试验，研究了冻胀过程中冻结锋面移动的规律［7］。严晗等通过室内试验，研究了不同含水率、干密度等条件下粉沙土的反复冻胀融沉特性［8］。齐吉琳等对冻土的力学特性及研究现状进行了分析［9］。本文采用了一种新的试验方法测得土的冻胀性，通过黏土在封闭条件下的冻胀试验，应用三维应变花测试不同方向上的应变，得出了黏土冻胀性与温度、饱和度和干密度的关系。

1 试验

1.1 土料性质

冻融试验采用重塑试样进行，试验土样取自天津曹庄。土样的基本物理指标包括:液限44.7%、塑限23.8%、密度16.3 kN/m3、含水率45.2%、颗粒比重2.71 g/cm3。采用比重计法进行颗粒分析，得到的颗分曲线如图1所示。取回的土经碾碎、筛除杂质后，重塑为不同干密度、不同饱和度的同尺寸土样。本次试验在天津城建大学地质学院试验室进行，每次试验制作两个立方体试块，土样尺寸均为150 mm×150 mm×150 mm。

1.2 试验设备

试验所需设备主要包括:①DR－2A冻融试验箱(见图2)，全封闭压缩机组，控温范围－25℃ ～100℃，控制精度±1.5℃，内部尺寸450 mm×550 mm×600 mm。②应力应变测量仪DH－3816(见图2)，其为静态应变测试系统，由数据采集箱、微型计算机及支持软件组成。数据采样箱可测60点，采样速度60点/s，测量应变范围±19 999 u，最高分辨率1 u，系统不确定度不大于0.5% ±3 u，自动平衡范围 ±15 000 u，外形尺寸450 mm×330 mm×160 mm(长 ×宽 ×高)。③安捷伦34970A温度采集装置(见图2)，与计算机连接进行测试、采集与存档数据、实时显示和分析。

试验中需要的元件有三维应变花，其用来测量不同方向的应变。棱上粘贴的应变片规格为电阻120 Ω，灵敏系数2.08，敏感栅尺寸长5 mm、宽 3 mm，基底尺寸长9.4 mm、宽5.3 mm，导线长度为2 m左右。制样时的模具为150 mm×150 mm×150 mm立方体模具，并且内部涂抹凡士林以便于拆模。

图1 颗分曲线

1.3 试验方法步骤

试验步骤具体如下:

(1)制作三维应变花。本次试验需用两个三维应变花。用PPC塑料削剪四个长度为10 cm棱，将其粘合为正四面体架子，每条棱上各粘贴两个应变片，为防止应变片遇水失效，外涂防水密封胶。对应变片进行编号，其中一个应变花编号如图3a、图3c所示。为了便于观察应变变化规律，将图3中另一应变花编号的相应位置改为大写，如a1改为A1。

(2)制作试块。根据试验要求，重塑成所需土样。试验前一天，将所取土样，粉碎后过2 mm筛，放于烘干箱中12 h，以保证所用土中无水分含量。取出土样后，用保鲜膜覆盖，保证土样尽可能不吸收空气中水分。模具大小为150 mm×150 mm×150 mm，在模具上均匀涂抹凡士林，以便于拆模，制模前根据已取土样的干密度和饱和度计算所需土样和水的质量，用电子秤称量土样，量杯取水，混合搅拌均匀。制样过程分为五步振捣，第一步加入土样后将三维应变花置于其中，并且记下三维应变花在模具中的空间位置(见图3c)，振捣压实，第二步加入土样后埋置温度探针振捣压实，依次加入第三、四、五步土样振捣压实，完成试块制作(见图3b)。

图2 所采用的测试系统全貌

图3 试块制作

(3)将试块置于恒温箱中6 h，温度调至1℃，以保证试样内部温度一致，并进行拆模，使试块自由冻胀。

(4)冻融试验箱温度调至－25℃，试块冻胀发展12 h，关闭试验箱温度，试块融化12 h。应变测量系统设置为每分钟采集一次数据，测温系统设置为每两分钟采集一次数据，从而得到不同温度下试块内应变变化规律，分析得到冻胀的发展过程和规律。

2 试验结果与分析

试验中所用的应变花的每条棱上有两个应变片。每个方向取两个应变片采集数据，将数据的平均值作为该方向的应变值。图4～图6中横坐标轴表示时间，左纵坐标轴表示应变值，右纵坐标轴表示温度。

2.1 冻融随温度的变化规律

图4为土在冻胀融沉过程中应变随温度的变化规律，土样的饱和度为80%，干密度为1.30 g/cm3。由图4可知开始时应变值为负，原因可能为制作试块时施加了外部荷载。温度为0°C时，应变开始上升，随着温度的降低，应变急剧增大，直至温度接近－25℃时，应变达到最大，趋于平缓，且有轻微下降，关闭冻融试验箱，随着温度升高其应变不断减小，直至平稳状态。该规律反映了在0℃或低于0℃时土体开始出现冻胀，且随着温度的降低冻胀不断发展，接近－25℃时冻胀发展到最大且趋于稳定，此时应变轻微下降应是试块热胀冷缩的结果。关闭冻融试验箱，温度升高，试块融沉直至稳定。

2.2 干密度对冻胀性的影响

图5为应变随干密度变化的情况，选取了应变花中两条棱的两个不同空间方向的应变变化作为研究对象。

图5中两个土样饱和度为50%，b1、c1表示的试块干密度为 1.3 g/cm3，B1、C1表示的试块干密度为 1.4 g/cm3。图5中，随着温度降低应变急剧增大，当温度达到最低－25℃时应变达到最大，此时干密度越大其应变越小。从应变变化规律可以得到干密度越大冻胀发展越小。吴礼舟等指出非饱和状态下干密度和冻胀率成正比［7］。冷毅飞等指出饱和状态下干密度和冻胀率成反比［10］。何平等指出非饱和状态下融沉系数与干重度成正比，饱和状态下融沉系数与干重度成反比［5］。实际工程中冻土多处于非饱和状态，非饱和冻土的冻胀融沉研究值得关注。

图4 应变与温度的关系

2.3 饱和度对冻胀性的影响

图6为应变随饱和度的变化情况，选取了应变花中两条棱两个不同空间方向的应变变化作为研究对象，其中两个土样的干密度都为1.4 g/cm3。B1、C1表示的试块饱和度为50%，b1、c1表示的试块饱和度为60%。此时在相同温度下饱和度越大应变越大，相应的冻胀越大。

图5 不同干密度条件下冻胀应变与温度关系的对比

图6 不同饱和度条件下冻胀应变与温度关系的对比

3 结论

本文通过黏土在封闭条件下的冻胀试验，应用三维应变花测试不同方向上的应变，得出了黏土冻胀性与温度、饱和度与干密度的关系。具体结论和现象为:

(1)当温度为0℃或者低于0℃时应变急剧上升，试块开始冻胀，温度接近－25℃时应变达到最大，趋于平稳，冻胀发展最大，随着温度的降低应变逐渐减小，直至接近于0，此时试块发生融沉直至试块内部稳定。这与冻土的冻胀发展过程大致相同。

(2)在温度、饱和度一定的条件下，饱和状态的土随着干密度的增大，冻胀性减小，非饱和状态的土随着干密度的增大，冻胀性增大。

(3)在温度、干密度一定的条件下，饱和度越大能量传递越快，冻胀性越大。

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