淮南弱膨胀土融沉特性研究

2022-08-26高珍珍王蒙倪斌

江苏建材 2022年4期

关键词：含盐土样土体

高珍珍，王蒙，倪斌

（1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001；2.无锡市勘察设计院有限公司昆山分公司，江苏昆山 215300）

0 引言

膨胀土是特殊土的一种，其粘粒成份主要由强亲水性矿物质组成，并且具有显著胀缩性的粘性土。该土具有吸水膨胀、失水收缩并往复变形的性质[1-2]，对于工程的破坏作用不可低估，因此必须解决因膨胀土而造成的一系列工程问题。

关于土体冻胀融沉的研究已有很多，但对于弱膨胀土的融沉研究还不够充分，因此以淮南弱膨胀土为研究对象，进行多影响因素下的融沉试验，分析各影响因素对融沉系数的影响程度，其试验结果可为富含弱膨胀土地区人工冻结法的设计提供参考。

1 试验内容及试验方法

1.1 土样基本参数

对所取土样进行常规土工试验，各试验步骤严格按照GB/T50123—2019《土工试验方法标准》中的规定进行，经试验得到所用土的基本物理参数见表1。

表1 土的基本物理指标参数

1.2 试验装置

本试验中所用仪器为：自制冻胀融沉试验仪、低温恒温控制装置、STDW-40低温试验箱、温度传感器、位移传感器以及数据采集装置等。

1.3 试验方案

试验选取含盐率、冻结温度、荷载等对融沉影响较大的因素进行融沉试验。具体试验方案见表2。

表2 融沉试验方案

1.4 试样设计

1.4.1 试样制备

采用直径60 mm，高100 mm的圆柱体试样，将事先已闷料一昼夜的土取出备用，先将制样筒内壁均匀的涂上一层凡士林，用来减少土样与制样筒内壁的摩擦力。试样采用五层压样法，制样完成后将试样从制样筒内脱出。将脱出的试样装入涂有凡士林的有机玻璃试样筒内，放入恒温箱内养护，使土样内部温度、水分均匀分布，在试验之前不发生水分迁移，减小试验误差。

1.4.2 土样冻结

把制好的土样连同试样筒放入冰箱中，将冰箱温度调节至试验所需冻结温度，持续冻结24 h。

1.4.3 试样安装

待土样完全冻结后，取出试样放在已经预热好的冻胀融沉仪上，预先对试样施加100 kPa的力，平衡摩擦力以及加快融沉进程，调整好位移传感器等监测设备，让试样在20℃的温度下强制融化，当试样在2 h内沉降量小于0.02 mm时，认为融沉达到稳定，保存好试验数据，切断各仪器电源，停止试验。

1.4.4 数据处理

整理试验所得数据，计算融沉系数，绘制曲线。

2 融沉试验结果分析

2.1 冻结温度对融沉性的影响

按照表2的实验设计方案，探究试样不同冻结温度下分别进行单向强制融化温度为20℃的融沉实验，结果如图1、2所示。

图1 不同冷端温度的实时融沉量

由图1可知，冻结时的温度越低，试样的融沉量就越大，并且其融化稳定时所需要的时间就越长，且各试样在试验开始120 min左右时其融沉基本稳定，从融化开始到融沉完成所用时间非常短，初期融沉速率很快。

由图2可知，试样在封闭全冻结条件下，对融沉系数与冻结温度进行拟合，两者线性相关性较好。随着冻结温度的降低，融沉系数呈线性增大，因为在封闭系统下，土体的冻胀主要是因为土体中的水分冻结后体积膨胀10%，并不是所有的水分都会随着温度的降低而冻结，存在一部分未冻水，这部分未冻水会随着温度进一步的降低而冻结，在相同的干密度和含水率下，冻结温度越低，未冻水含量就越少，冻胀量就会越大，相应融化后的融沉量也就越大。

图2 不同冷端温度的融沉系数

2.2 干密度对融沉性的影响

土体产生融化下沉是土体在自重以及外荷载作用下压缩空隙体积所产生的，土的孔隙率大小直接影响着土体的融沉系数。试验选取了三组不同干密度的试样进行试验，结果如图3所示。

图3 不同干密度的融沉系数

从图3中可以看出，随着干密度的增大，融沉系数先减小后增大，融沉系数与干密度的关系曲线中有一个临界干密度，此时对应着最小融沉系数。当土体干密度小于临界干密度时，此时土体孔隙率较大，土体的融沉量主要由压缩空隙产生，另外一小部分由土中水分相变成冰体积膨胀产生，此时干密度越小，孔隙率就越大，融沉量就越大。当干密度大于临界干密度时，此时孔隙率减小，由压缩空隙所产生的融沉量逐渐减小，因土体中的含水率不变，土体的饱和度增大，容纳空隙水相变成冰体积膨胀量的空间就越小，则冰膨胀时对土颗粒的推挤作用就越大，造成土颗粒的位移，因此土体的冻胀率就较大，相对融化时的融沉量就越大。

非饱和土体干密度在超过临界干密度后，融沉量会随着干密度的增大而增大这一特性在何平[3]的研究中也得到解释，何平在《冻土融沉系数的评价方法》中引入接触率Cr来计算非饱和土体中参与冻胀作用的水的比例，定义当土体完全饱和的时候，此时接触率为1，当干燥时的接触率为0，非饱和土体的融沉系数可用式（1）表示：

式中：A0-融沉系数，Cr-接触率。

2.3 含盐率对融沉性的影响

为探究含盐率对融沉性的影响，试验选取四组不同含盐率的试验进行试验，结果如图4所示。

图4 不同含盐率的实时融沉量

从图4中可以看出，除去含盐率为0%的试样外，试样的融沉量是随着含盐率的增大而增大的，并且含盐率越大，融沉稳定所需要的时间就越短，这是因为随着含盐率的增大，土中水分的冻结温度升高，融化所需要的时间就减少，其融沉稳定就越快。

如图5所示，试样在封闭全冻结条件下，对融沉系数与含盐率进行拟合，可以看出两者线性相关性较好。

图5 不同含盐率的融沉系数

拟合曲线中存在一个明显的转折点，当土样由含盐率为0%～1%时，融沉系数急剧变小，当含盐量继续增大时，融沉系数又随着含盐量的增大而增大。经分析认为，当土样不含盐时，此时土体中水分的冻结温度较低，在相同的温度下，含盐率为0%的土样中的未冻水含量较少，因此冻胀率较大，相应的融沉系数也较大。当土样加入硫酸钠后，土样中所含水分的冻结温度会升高，因此在相同的冻结温度下，含盐土体中的未冻水含量会随着含盐率的增大而增大，理论上融沉系数应该减小，但是由于硫酸钠随着温度的降低而出现盐胀效应，所以当含盐量增大时，盐胀量也会变大，硫酸盐吸水膨胀的部分大于因含盐量增大未冻水增多而导致冻胀量减小的那一部分，因此宏观表现为融沉量随着含盐量的增大而增大。

2.4 荷载对融沉性的影响

荷载对于试样融沉性的影响不可忽视，按照表2的试验设计方案，通过对施加不同荷载的试样进行融沉试验，结果如图6所示。

图6 不同荷载的实时融沉量

从图6可以看出，融沉量主要的产生阶段是在加热后的2 h内，结合温度传感器中的数据可以看出，试样在120 min内基本融化完毕，在这个期间内，试样内冰晶随着温度的升高而不断融化成水，体积变小。

由图7可见，在试验所选范围内，试样的融沉系数与荷载的线性相关性较好，随着荷载的不断加大，融沉系数也不断变大。这是因为，施加荷载较小的土体，内部土颗粒的接触性较差，有效应力较小，在温度升高，土体慢慢融化的过程中，土体内的结构组成变化不大，因此融沉量较小。随着荷载的不断加大，融沉量也随之增大，这是因为当土体内冰晶融化成水后，土体的含水率增大，土中水分一时排不出去，在外部荷载的作用下，土中逐渐形成了超静孔隙水压力，会使土骨架之间的有效应力减小，土体变形受阻，随着时间的推移，孔隙水从土样底部排出，超静孔隙水压力慢慢的减小，作用于土颗粒之间的有效应力逐渐变大，当作用在土体上的荷载不断加大时，这种超静孔隙水压力减小的速度就越快，土颗粒之间的相对位移越大，致使土体的融沉量就越大。