不同冻结条件下季节冻土粉质粘土冻融特性试验研究

2019-01-24郑美玉李香瑞

绥化学院学报 2019年2期

郑美玉李香瑞刘旭

（绥化学院农业与水利工程学院黑龙江绥化 152061）

我国冻土分布面积很广，其中冻土区占全国陆地面积的75%。[1-2]冻土区土体受自然因素影响冬季冻结，夏季融化，土体在冻融作用下其物理力学性质发生变化，导致诸多工程出现了如：边坡失稳、道路翻浆、岸坡滑塌、挡墙开裂等问题。土体冻结变形的原因，与土的颗粒级配、冻结温度、干密度、补水情况、含盐量等因素有关。[1]在上述原因中，水分的迁移和补给是土体产生冻胀的直接原因。在土体发生水分迁移的过程中，形成的冰透镜体改变了土体的内部结构。当冻土融化后，这些不连续分布的冰透镜体往往成为土体中的软弱结构面，影响到土体的稳定性。[3]

对于冻土的工程冻害问题，诸多学者从不同的角度已进行了研究，试图了解破坏的机理，进而采取有效的方法降低工程的冻害破坏。Taber研究发现，土体冻胀的主要原因是外界水源的迁移，而非水的相变体积膨胀所致。[4,5]徐学祖等对冻土中水分迁移机制、影响因素以及水分迁移过程中的冷生现象等方面进行了系统研究。[6]陈肖柏等系统阐述了土在冻结过程中的水分迁移和冻胀的影响因素以及冻胀对工程的影响及其防治措施。[7]吴礼舟等研究了非饱和黏土冻胀过程中冻结锋面的移动规律，含水率越大,冻结锋面移动越快。[8]

本文针对粉质粘土，进行了冻胀融沉试验，研究了不同干密度情况下，开放系统和封闭系统的冻胀率和融沉系数变化规律，对比分析了冻胀量、融沉量的变化，并研究了土样水分重分布特点。

二、试验材料和方法

（一）土样基本物理性质。试验土样取自黑龙江哈尔滨万家冻土试验场，土样的基本物理性质为最大干密度1.75g/cm3，最优含水率14.5%，液限31.0%，塑限18.3%，塑性指数12.7，天然干密度1.62g/cm3，天然含水率20.4%，土体经过颗粒分析实验确定该土质为粉质黏土。

（二）试验方案。为研究开放条件和封闭条件下土体冻融特性变化情况，对粉质黏土确定了土体的初始含水率为24%，冷端冻结温度为-4℃，试验方案见表 1。

表1 实验方案

（三）试验方法。试验土体为重塑土，将试验用土过2mm的筛，按照试验需要配成含水率为24%的土，密封放置48h。待土体含水率均匀后，将土体制成高120mm，直径为100mm的试样，试样放置在有机玻璃筒内，试样顶端和底端分别由冻融试验箱的顶板和底板控制温度，试验时设置顶板为-4℃，底板保持+1℃，试样周围温度也控制+1℃，使土样产生自上而下的单向冻结。有机玻璃筒的侧壁每间隔1.5cm打孔，安装温度传感器，试样顶端安装位移传感器，监测土体位移量的变化情况。试样的顶板和底板均有补水孔，可以实现与外界水源连通。本次试验从底板补充水源，底板补水孔通过软管与马氏瓶相连接，并采用恒水头补水。

三、试验结果及分析

（一）冻土融沉特性分析。土体在融化阶段的顶板控制温度为20℃，当土体的融化变形量趋于稳定时，融沉试验结束。图1为试样1和试样5的融沉量随时间变化关系线，通过该图可以看出，无论是开放系统还是封闭系统，在对土样施加正温度后，土样的融沉量都随着时间的增加而累积增大，但在融化初期，融沉量变化最为显著。由于试样1和试样5是在不同的补水条件下进行的，故融沉量的大小，有明显差异。封闭条件下试样1的融沉量大于开放条件下的试样5的融沉量。分析其原因，试样5在有外界水补给的情况下，从冻结状态过渡到融化状态，土体内的自由水含量增加，饱和度增加，增加的自由水又无法排除，因此在重力作用下，融沉量下降较小。

图1 开放与封闭系统下的融沉量关系曲线

图2为开放条件及封闭条件下，不同干密度土体的融沉系数拟合关系线。由图可见，融沉系数与干密度的关系呈负相关。表2为不同条件下的融沉系数与干密度的拟合情况表，由表可以看出，拟合情况较好。

图2 开放（封闭）系统条件下融沉系数与干密度关系线

表2 开放（封闭）系统下的融沉系数与干密度的拟合关系

（二）冻土冻胀特性分析。图3为试样1和试样5的冻胀量随时间变化过程线，由图可见，冻胀量是逐渐增加的，试样1在冻结初期冻胀量增大较明显，而试样5在冻结持续一段时间后，增长速率较大，并最终趋于稳定值。出现该现象的原因是试样5由于有外界水的补给，土体内的热平衡状态受到了影响，导致冻结锋面发展滞后，因此，相对于封闭系统条件下，开放条件的冻胀在初期体现较小。由于有外界水分的补充，试样5的土体含水率增加，故冻胀量较封闭条件下的土体增加较明显。

图3 开放与封闭系统下的冻胀量关系曲线

图4为开放条件及封闭条件下的冻胀率与干密度的关系线，从图中可以看出，冻胀率是随着干密度的增加而增加，且开放系统大于封闭系统。表3为冻胀率与干密度的拟合关系情况，由表可见，冻胀率与干密度的线性相关性拟合较好。冻胀率与干密度的关系，分析其原因，当土体密度增加，孔隙体积减少，水的总量不变情况下，饱和度增加，土体在负温度作用下，水相变成冰，体积增加，土颗粒原有结构受到破坏，体现为土颗粒骨架间距离增加，故冻胀量增加明显。

图4 干密度与冻胀率关系曲线

表3 干密度与冻胀率关拟合系式

（三）冻土水分重分布特征。图5为开放系统与封闭系统，在图a为干密度为1.45g/cm3，图b为干密度1.49g/cm3，图为干密度1.54g/cm3，图d为干密度1.58g/cm3条件下水分迁移情况对照图。从图中可以看出，开放条件下水分迁移量总体较封闭系统迁移量大，但在相同的补水条件下，水分迁移随着干密度的增加，移量在逐渐减小。土体上端含水率较初始含水率有所增加，愈靠近土体底端，含水率愈低。分析上述情况产生的原因为：由于开放条件下水分补给充分，水分在毛管力的作用下向上迁移，当干密度增加时，土体的孔隙体积减小，水分迁移受限，所以呈现此规律。