季节冻土区粉质黏土冻缩现象下的冻胀特性分析

王泽福，周宏飞

(1.黑龙江省856农场水务局，黑龙江 密山 158300；2.黑龙江省祥晟水利科技开发有限公司，黑龙江 哈尔滨 150080)



季节冻土区粉质黏土冻缩现象下的冻胀特性分析

王泽福1，周宏飞2

(1.黑龙江省856农场水务局，黑龙江 密山 158300；2.黑龙江省祥晟水利科技开发有限公司，黑龙江 哈尔滨 150080)

冻土是一种对温度极其敏感且性质不稳定的特殊类型土。在季节性冻土地区，气温的波动变化将对土体冻胀性造成很大程度的影响。本文选取季节性冻土地区极具冻胀敏感性的粉质黏土进行冻胀特性试验，研究冻缩现象的产生及出现冻缩现象时的土体冻胀特性。经试验研究发现，当土体含水率较低时，水结晶成冰的体积不足以完全填补土体内的孔隙，因此造成土体体积缩小的现象。同时，冻缩现象的出现使土体温度场发生突变、土内水分出现结晶，在土体内部水分迁移的情况下含水率也相应发生变化，土体冻胀量出现负值、冻胀表现也相对较弱。

粉质黏土；冻胀量；冻缩量；水分迁移

在我国东北部地区分布着大面积的季节性冻土，在这些季节性冻土地区工程修建过程中遇到的普遍问题之一就是冻胀破坏[1]。许多水利、农田、道路桥梁等工程由于长期处于低温环境中，都受到了不同程度的冻胀破坏。而在冻缩问题上，有学者提出了零冻胀型和冻缩型两种概念，认为当土体含水率较小时，若地下水影响较弱，就会出现冻缩现象[2]。或在土体冻胀过程的初期，出现冻缩阶段[3]。季节性冻土地区，暖土层位于季节活动层下部，地下水将大量补给上层土体，其冻融循环特点为单向冻结，双向融化。本文针对黑龙江省哈尔滨市这一典型季节性冻土区域，选取极具代表性的敏感性冻胀土——粉质黏土，作为研究对象来分析具有冻缩现象的冻胀问题。

1　土的冻缩

1.1冻缩现象的产生

当土体温度处于0 ℃以下时，土中将出现冰晶体，冰晶体的胶结作用将原矿物颗粒间的水分联结为冰胶结体，即土体冻结。在相同条件下，由于土体含水率不同，会产生冻胀和冻缩两种情况[4]。通常情况下，土中水分冻结会使土体体积发生一定程度的膨胀，但当土体初始含水率低于起始冻胀含水率时，土体在低温作用下则出现不胀反缩的现象，即冻缩现象。当土体含水率低于塑限时，结合水的含量要多于毛细水和重力水，这就使得在土体冻结过程中，土中水分结晶后体积增大的部分不足以填充土颗粒之间的空隙[5]。但由于土颗粒同时受到冰晶体的胶结作用和热胀冷缩作用，使得土颗粒之间相互紧缩并胶合，从而出现了宏观上的冻缩现象。因此，可以得出过低的含水率是产生冻缩现象的主要原因。

1.2冻缩现象和冷缩现象的区别

许多人认为冻缩现象就是冷缩现象，其实不然。冷缩现象的本质是物质原子的内部运动，这和冻缩现象的成因不同。通过室内冻胀实验可知，冷缩现象不会导致土样产生裂缝而破坏，而冻缩会使局部土样产生细小的裂缝，这些裂缝将严重威胁到土体的整体结构稳定性，这是两者最大的区别。

1.3试验设计

实验材料：本次试验选用的材料是在寒区工程中被广泛应用的粉质黏土，来自于季节性冻土区哈尔滨万家冻土试验场。为确保所取土样的基本物理性质能够符合冻胀试验要求，在冻胀试验前进行一系列的常规土工试验。测得其各项物理指标见表1。

表1　土的基本物理性质指标

该种土的粉粒含量高达82.44%，属于敏感性冻胀土。通过土工试验可知，所研究土质的塑限值为21.8%，实验测得的起始冻胀含水率在15.48%～18.75%范围内，这也验证了黏性土的塑限含水率略大于起始冻胀含水率这一规律。由于该种土的含盐量很小，可以忽略盐分对冻胀性的影响。

实验器材：根据《土工试验规程》(SL 237-1999)中对冻胀量试验中所需仪器的要求，本试验用到的仪器主要有XT5405FSC型土工冻胀试验箱、数据采集系统为Data taker85智能数据采集器、中国科学院寒区旱区研究所研制的热电阻式温度传感器、FXg-81/±30 mm差动式位移传感器，以及试样制作时所用到的电子称、模具、击实仪、脱模器等。

实验方案：把土样制成直径为10 cm，高为10 cm的圆柱，将7枚温度传感器插入间隔1.5 cm的土样中，将位移传感器安装于试样顶部。在实验过程中，采用连续式降温模式进行试验，利用数据采集仪同时进行温度和位移数据的采集。本实验温度边界条件为-3～-9 ℃，含水率水平19%～23%，干密度范围值1.50～1.58 g/cm3。当土样含水率低于塑限时，宏观上将产生冻缩现象，现以温度为-6 ℃，含水率为21%(该值贴近且低于塑限值，具有最佳代表性)，干密度为1.54 g/cm3的土样为例来分析伴随有冻缩现象的冻胀特性。

2　产生冻缩现象的冻胀特性分析

2.1温度场特性分析

根据数据采集仪所采集的温度试验数据绘制图1。

图1　连续式降温模式土样随温度变化曲线

由图1可知，连续式降温模式温度场变化曲线呈现出先线性下降后维持稳定的趋势。其温度场变化可分为两个阶段：第一阶段的降温结晶阶段和第二阶段的温度稳定阶段。在第一阶段内，土样各层温度急剧下降，总体呈现出线性下降趋势，且每层土样温度的下降率大致相同，根据时间和温度的比例关系得到其降温速率平均为0.42 ℃/h。相对中部土层温度下降率，顶部土层温度下降率较小，而底部土层温度下降率较大。在开始降温的前100～200 min内，土样最顶层温度较邻近层温度下降幅度大，而土样最底层温度下降幅度最大，也最为显著。在该阶段初期，土内水分在低温环境下开始结晶并产生冻胀量，随着试验的进行，冻胀量随时间持续增大并最终达到峰值。在第二阶段内，土样内部的各层温度基本不再发生变化，温度维持恒定。土样各层温度逐层下降，最顶层温度最高，最底层温度最低，且上部各层温降差大致相同，下部各层温降差相差较大。

2.2冻缩量特性分析

根据数据采集仪所采集的位移试验数据绘制图2。

图2　冻胀量随时间的变化曲线

由图2可知，土样冻胀量产生负值，即冻缩量。冻缩量的值等于产生冻缩情况下冻胀量的绝对值。冻缩量的值要大于热胀冷缩作用于土体的变化值。产生冻缩量的过程共分为两个阶段：Ⅰ冻缩阶段、Ⅱ稳定阶段。在冻缩阶段，即试验的前1000 min内冻缩量成线性比例增大，最大值接近1.5 mm。该阶段相对应着温度场的第一阶降温结晶阶段，在此阶段内由于降温作用，土样内部水分产生结晶，较低的含水率使冰晶体无法填满土颗粒之间的空隙，而结晶过程中的胶结作用又使存在空隙的土颗粒之间更加紧密，表现为土颗粒间越发密实，即冻缩量越来越大。在稳定阶段，冻缩量曲线基本成水平线型，冻缩量维持在1.4～1.6 mm范围内。该阶段对应着温度场的第二阶温度稳定阶段，当土样各层温度到达稳定时，冻缩量也达到了最大值并进入稳定阶段，此后冻缩量基本保持不变。

2.3水分迁移特性分析

将冻胀后土样每间隔1.25 cm分为8层，测出每层土样的含水率，得到含水率沿土样高度的分布图，见图3。

图3　土样含水率随高度的变化曲线

由图可知，在产生冻缩的情况下，连续式降温土体内部仍然发生了水分迁移，含水率值变化范围不大，在19%～22%范围内波动，表现为土样上部和底层含水率高于初始含水率，中下部土层含水率低于初始含水率，土层25～35 mm处含水率接近19.5%，达到土样含水率最低值。根据含水率分布情况，可以分析得出土样顶部和底层含水率增加值明显高于中下部，这与土样内部水分向冻结锋面迁移以及受重力作用下沉有关。

2.4土样破坏特性分析

产生冻缩情况的土样冻胀破坏现象并不显著，少见较大的裂缝，倾角约为15°的细小裂缝较多且集中分布在土样5～7 cm处，但这些裂缝的倾向并不能呈现出一定的规律性。土颗粒间的空隙因胶结作用而收缩变小，使得土颗粒间更加紧密。可分析得出这些裂缝正是因此过程中土颗粒受到拉应力作用而形成。

3　结　论

在土体冻胀过程中，当土内含水率较低且含水率低于塑限一定程度时，往往会出现冻缩现象，从而使得土体出现不胀反缩的情况，表现为负冻胀量。冻缩现象的存在，证明了并非所有土体冻结作用都会引起土体体积的增大。冻胀是季节性冻土地区常见的冻害表现形式，冻胀破坏也是工程中一类不可忽视的问题，往往决定着工程能否正常安全运行。掌握土体冻缩情况下的冻胀特性有助于解决季节性冻土地区的许多工程冻害问题。在未来，季节性冻土领域的研究有其广阔的理论空间和应用前景。

[1]曲祥民，张洪雨.工程冻土概论[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2005.

[2]唐益群．人工冻结作用下淤泥质黏土冻胀特性试验研究[J]．岩土工程学报,2009，31(5)：772-776．

[3]童长江，管枫年.土的冻胀与建筑物冻害防治[M].北京：水利水电出版社，1985.

[4]ZHAO Huixin,ZHONG Jing,WANG Zhengjun.Experimental study on the influence of different cooling rate to frost heave of silty clay[J].Advanced Materials Research,2014(4):136-140.

[5]ZHAO Huixin,WU Zhiqin,LI Zhaoyu.Experimental Study on Frost heave of Silty Clay in Seasonally Frost Soil Regions[J].Procedia Engineering,2012(28):282-286.

The frozen heave characteristics analysis of silty clay in frozen shrinkage phenomenon

WANG Zefu1,ZHOU Hongfei2

(1.HeilongjiangFarm856WaterBureau，MiShan158300,China；2.HeilongjiangXiangShengProvinceWaterScience&TechnologyDevelopmentCo.,Ltd，Harbin150080,China)

Frozen soil is a kind of special type of soil, it’s sensitive to temperature and quite unstable. In seasonal permafrost region, the fluctuations of temperature will cause a large degree of influence on frozen heaving characteristics. This paper selects the highly frozen heave sensitive silty clay of the seasonal frozen soil region and does the frozen heaving characteristic test, research on the occurrence of frozen shrinkage phenomenon and the frozen heaving characteristic of frozen shrinkage phenomenon. The results prove that when the soil moisture content is low, the volume of water crystallize into ice is not enough to fill the porosity of the soil completely, cause the phenomenon of soil volume reduction. At the same time, the emergence of the phenomenon of frozen shrinking makes the soil temperature field a mutation, the soil moisture occurs crystallization, corresponding change in moisture content with soil inside moisture migration, frozen heave is negative, frozen heaving performance is relatively weak.

silty clay; frozen heave; frozen shrinkage; moisture migration

王泽福(1965-)，男，工程师，主要从事农田水利技术工作。

P642.14

A

2096-0506(2016)03-0012-03