冻融循环对季冻土分散性影响及明矾改性试验研究

苑晓青，陈冠甫，师智勇，张禹琦，赵宏生，郝艳凯，钟文晴

（吉林大学 建设工程学院，吉林 长春 130026）

0 引言

分散性土是一种在低含盐量水或纯水中几乎全部能自行分散成颗粒的黏性土，在水的作用下，由于颗粒间的排斥力大于颗粒间的吸引力，使土颗粒间相互排斥从而导致颗粒在水中分散［1］。近年来，各国的科研人员都发现了分散性土抗冲蚀能力较低，是很多道路边坡被冲蚀的重要原因，道路边坡冲蚀后会导致路基丧失稳定性，进而导致道路坍塌，所以需要对分散性土进行深入研究。

吉林西部地区广泛分布的季冻土具有较强的分散特性，在冻融循环作用下使用分散性土修筑的道路边坡容易被冲蚀形成沟槽，沟槽不断扩大最终将导致道路边坡的坍塌。因此亟需对东北地区季冻土的分散机理及其改性方法进行试验研究，以便能够为后续的工程施工提供参考。

目前对分散性土的研究主要集中于三个方面：一是对不同区域土分散性的鉴别与判定；二是对鉴定土分散性不同试验的方法过程和鉴定标准的探究；三是对土分散性机理的初步讨论与研究。但自然外力对土分散性的影响探讨较少，探究国内与国外的分散土地区，某些地区处于季节性冻结与融化区，比如中国东北地区，土体随着温度会产生冻融循环过程，此过程一定会对土的分散性产生某些重要影响［2］。

因此，本文以吉林省西部的乾安地区季冻土作为研究对象，首先测定土样的基本物理化学性质和分散特性，并通过击实试验确定土样的含水率，设置不同次数的冻融循环试验，通过赋予双比重计试验、交换性钠百分比试验、碎块试验、针孔试验［3］测试结果不同的权重比，综合鉴定土样的分散性，并根据综合鉴定结果研究乾安地区季冻土分散性随冻融次数增加发生的变化，最终总结其变化规律。对季冻土分散性的改善是东北地区工程地质的难点问题，传统改善土分散性的方法是利用石灰［4］对土的分散性进行改善，该方法成本高、破坏环境，所以亟需探索新的处理材料与技术。目前研究认为分散土分散的原因主要有：（1）土样中含有一定量的蒙脱石［5］；（2）孔隙水溶液中钠离子占主体；（3）pH 较高［6-8］。研究表明，铝的氧化物及其氢氧化物的水合物［9-10］被证实与土样有很好的胶结、团聚作用。使用铝化合物交联后，不但改变了蒙脱石的界面活性，也减少了分散性，提高矿物颗粒的胶结作用和土的酸度，降低了pH，对土壤的分散性具有很好的改善作用。与石灰改性分散性土相比，铝化合物具有环境友好、施工方便、能够实现原位处理等优点，在实际工程中具有较高的应用价值。因此，本文选用明矾作为改善季冻土分散性的材料，探究某一含量的明矾对不同冻融循环次数下季冻土分散性的改善效果，最终为乾安地区季冻土分散性的改善提供科学建议。

1 土样基本性质

取样地点位于吉林省西北部的乾安地区，研究区地貌如图1所示，该地区为西部治碱工程规划区，表层土体呈灰白色，土体盐碱化程度较高，对土样分别进行物质组成和基本物理化学试验［9］，试验结果见表1～3。

图1 研究区地貌Fig.1 Geomorphologicalmap of the study area

由表1～3得，该地区表层呈灰色，属于粉质黏土，易溶盐中Na＋含量较高。根据塑性土分类，该土属于低液限黏土。土样中K＋离子含量偏低，Na＋离子含量相对较高。土样中石英含量最高，其次为钠长石。

表1 土样物理性质Tab.1 Physical properties of soil samples

2 土样分散性质鉴定试验

对试验土样分别进行碎块试验、针孔试验、双比重计试验和交换性钠百分比试验。针孔试验是通过模拟不同水位对试验土样的冲蚀，测定最终流量、水色与孔径，以此鉴定土样的分散性。双比重计试验是通过加入分散剂求得前后黏粒含量之比，从而鉴定土样的分散性，判断标准：＜30时，土样非分散；＞50时，土样分散；30～50时，土样为过渡性。交换性钠百分比试验是通过测定交换性钠百分比的含量从而定性判定土样分散性，判断标准：＜7时，土样为非分散性；7～15时，土样为中等分散性；≥15时，土样为高分散性。

表2 土样化学性质Tab.2 Chemical properties of soil samples

表3 土样的矿物成分与含量Tab.3 Mineral components and content of soil samples %

表4 4种试验鉴定结果Tab.4 Appraisal results of four kinds of tests

综合以上4种分散性鉴定试验的结果，可认为该研究区深度20 cm的土样属于分散性土。

3 冻融循环条件室内模拟试验

根据土样的击实试验结果，选择对最优含水率17.2%、压实度95%、不含明矾的土样进行1，3，5，7，9，10，15，20次冻融循环试验［10］，冻融试验采用自制的冻融机器在－20℃冻12 h、在常温下融12 h为一个循环，之后采用交换性钠百分比试验、双比重计试验、针孔试验和碎块试验对不同冻融次数的土样进行分散性测定。

由以上4种分散性鉴定试验的鉴定结果发现，这4种试验的鉴定结果具有离散性的主要原因为：一是黏土分散性受到的影响因素比较多且较复杂，并且各因素相互作用；二是采用的4种试验鉴定标准是以往大量实践资料统计分析得来的。参考巨娟丽等的研究［11］，本文将分散性的等级分为4类，即非分散性土、过渡性土、分散性土和高分散性土，采用评分制，满分为10分，每一等级的分数为2.5分。同时对收集的39组土样分散鉴别结果进行整理分析，如果有一种分散性试验的鉴定结果与最终采用的鉴定结果一致，记为这个试验的1个土样；如果鉴定为过渡性土样，而最终的鉴定结果为非分散性和分散性时，记为这个试验的0.5个土样。一个分散性试验的鉴定结果和最终结果的一致个数与本次总的土样数比值称为这个试验的配合度。得到4种试验的配合度后，对配合度进行统一归一化处理，可得到每种试验所占的权重。所占权重越大，则该试验方法的参考价值越高，所得计算结果见表5。

表5 4种试验的配合度与权重Tab.5 Degree of adaptability and weight of four kinds of experiments

由表5可知，针孔试验的权重最大，为32%，所以针孔试验的鉴定结果最具有参考性；其次是碎块试验，为30%，该试验与针孔相差不大也极具有参考性；其余2种试验比重较低，可作为前两者的补充判别。本次采用的综合鉴定标准为：当4种试验权重得分＞7.5时，样品为高分散性土；若4种试验权重得分＞5时，样品为分散性土；若4种试验权重得分＞2.5时，样品为过渡性土；按前期对土体分散性综合鉴定方法对土体分散性等级鉴定，不同冻融次数后土样分散性最终鉴定结果见表6。

表6 样品分散性最终鉴定结果Tab.6 Final appraisal results of samp le dispersibility

由表6可知，冻融次数7次前不同试验方式判断的土样分散性结果不同，证明现有分散性土的判定方法与判定标准仍需改进。7次后4种试验测得土样均为高度分散性土，表明经过7次冻融循环后土样已经具有非常高的分散性。交换性钠百分比试验的鉴定结果与最终土样的分散性鉴定结果高度一致，说明影响土的分散性重要因素之一是交换性Na＋含量。土样的综合评分随着冻融循环次数增加而增加，说明冻融次数越多，土样的分散性就越强。其原因可能为水在冻结过程中发生体积膨胀，使土颗粒间距离增大，土的结构连接减弱，使土体的分散性增强。

图2～3表示不同冻融循环次数下针孔试验和碎块试验的照片，图中数字为土样经受冻融循环的次数，水表示土样未加入明矾。根据表7，2种试验对土样分散性的判定具有离散性，不能只通过一种试验确定土样的分散性，需要综合判定。冻融5次后2种试验对土样的分散性判定开始一致，说明此时土样已有较高的分散性。2种试验的照片及数据都表明土样的分散性随着冻融循环的次数增加而增加。

表7 样品针孔试验和碎块试验冻融鉴定结果Tab.7 Pinhole test and debris results of soil samples after freeze-thaw process

图2 不同冻融次数后土样针孔试验Fig.2 Pinhole test of soil samples after freeze-thaw proce

图3 不同冻融次数后土样碎块试验Fig.3 Debris test of soil samples after different freeze-thaw process

4 土样分散性改性试验

分散性土会造成堤坝、渠道边坡、道路边坡被冲蚀和管涌破坏，所以要对分散性土进行改性研究，目前人们主要采用明矾和石灰对分散性土进行改性［12-13］，A l3＋置换Na＋后扩散层厚度减小，土颗粒之间的吸引力增大，土体的分散性降低。选定3.0%，2.5%，2.0%，1.5%，1.0%的明矾对土样进行改性试验，针孔试验所占权重最高，用针孔试验的结果定性分析土样分散性的改善结果，以确定进行分散性改性试验研究的明矾含量。

根据针孔试验和碎块试验结果（图4），发现明矾含量达到2.5%时，土样的分散性已经有了明显改善，综合各方面因素本文选择对含水率17.2%、压实度95%、含2.5%明矾的土样进行1，3，5，7，9，10，15，20次冻融循环试验。为了直观观察明矾的改善效果，采用量化的双比重试验、交换性钠百分比试验的试验结果作为主要的对比参数，并辅以碎块试验，探究明矾对不同冻融次数下季冻土分散性的改善结果，见图5。

图4 不同明矾含量的土样针孔试验和碎块试验Fig.4 Debris test and pinhole test of soi samples with different alum content

图5 不同冻融次数后土样分散性指标变化曲线Fig.5 Dispersibility indexes curves of soi samples after different freeze-thaw process

未加明矾土样经过不同次数的冻融循环试验后其双比重试验的数值为64.37%～81.04%，交换性钠百分比试验的数值为26.28%～33.33%。加入明矾后其数值区间变为18.37%～30.02%、1.86%～3.37%。其中双比重计试验平均降低数值为48.51%，大于交换性钠百分比试验的平均降低数值21.79%，说明加入明矾对双比重试验数值的影响较大。但加入明矾使交换性钠百分比数值降到一个较低的数值，且不同冻融次数之间最多相差1.51%，说明明矾对不同冻融次数下土样交换性钠离子数值均有很好的降低作用。加入明矾后，交换性钠百分比数值、双比重计数值均降到分散性数值以下，碎块试验结果见图6，表8也表明土样变为非分散性土，由于试验室设备所限，针孔试验的水位只能加到180 mm，所以选择对冻融循环20次后的土样进行针孔试验。结果发现其也为非分散性土，见图7。通过针孔试验定性认为加入明矾的土样再经过20次冻融循环后依然为非分散性土，综合4种分散性试验的判定结果，说明2.5%的明矾对季冻土分散性有很好的改善效果。但两者数值都随着冻融循环次数的增加而增加，印证了冻融循环可以增强土样的分散性。

图6 不同冻融次数后土样碎块试验Fig.6 Debris test of soil samples after different freeze-thaw process

图7 冻融20次后土样针孔试验Fig.7 Pinhole test of soil samples after 20 freeze-thaws

表8 碎块试验鉴定结果Tab.8 Debris test results of fragment test

5 结论

（1）由土样物理和化学性质以及所取土样的4种分散性试验鉴定结果分析可知，研究地区的土样分散性程度很高，并且为盐渍土，Na＋含量较高。

（2）采用数据统计分析方法，得出交换性钠百分比试验、双比重计试验、碎块试验和针孔试验的权重分别为18%，20%，30%，32%，并且定量给出综合4种试验的综合性判定准则。综合判定认为，季冻土的分散性随着冻融循环次数增加而增加。

（3）对比分析不同冻融次数交换性钠百分比试验的判定结果与综合评价结果，发现二者有着高度的一致性，说明影响土的分散性重要因素之一是交换性Na＋含量。

（4）加入2.5%的明矾使不同冻融循环次数下的双比重计试验数值和交换性钠百分比试验数值分别平均降低48.51%和21.79%，并且对于不同冻融循环次数下的土样使其交换性钠百分比数值保持在1.86%～3.37%的低位，说明此含量的明矾对不同冻融次数下土样的分散性具有很好的改善作用，能够有效减少交换性钠离子的含量。