重塑粘質(zhì)黃土凍脹敏感性試驗(yàn)分析

許 健,牛富俊,牛永紅,林戰(zhàn)舉,徐志英

(1.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000;2.中國科學(xué)院研究生院,北京 100049)

寒冷地區(qū)公路建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和研究結(jié)果表明,在季節(jié)性凍土區(qū),尤其是在深季節(jié)性凍土區(qū),由于路基經(jīng)受年復(fù)一年的周期性凍融循環(huán)作用,凍害對公路路面壽命有著嚴(yán)重的影響[1-2]。凍脹導(dǎo)致的病害除了直接引起的路面變形外,另一重要因素在于其對土體強(qiáng)度的弱化[3]。凍害在鐵路路基上的表現(xiàn)主要為：冬季在負(fù)溫條件下,土體中水分結(jié)晶,引起土體體積增大,使路基產(chǎn)生不均勻變形,破壞軌道的平順性;春季融化期,路基表層土融化,而下部仍處于凍結(jié)狀態(tài),未融化的土層便起到隔水層的作用使得水分不能及時(shí)排出,在上部動(dòng)荷載反復(fù)作用和土體自身重力作用下就會(huì)形成道路翻漿,所有這些病害,對行車安全都是極為不利的[4]。

目前,中國中、深季節(jié)凍土區(qū)最為重要的工程是哈大客運(yùn)專線,線路穿越區(qū)域的淺層土主要為具凍脹性的粘質(zhì)黃土。由于路基變形要求嚴(yán)格,凍脹處置的問題十分突出,現(xiàn)有規(guī)范、填料凍脹敏感性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是否完全符合路基變形要求,如何準(zhǔn)確評價(jià)原土層和處置后的路基土體的凍脹敏感性,都關(guān)系到工程建設(shè)的成功與否。許多學(xué)者在土體凍脹敏感性評價(jià)方面進(jìn)行了大量的研究[5-10],但由于凍脹受土的類型、水分補(bǔ)給條件、含水量、土中鹽分、凍結(jié)速率、外部荷載等諸多因素的影響,使得研究人員在建立土體凍脹敏感性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方面仍無法得到滿意的效果,所得出的結(jié)論具有一定的片面性。因此,開展基于高速鐵路路基要求的土的凍脹敏感性研究,結(jié)合工程實(shí)際,通過試驗(yàn)研究進(jìn)一步探索不同影響因素下的凍脹敏感性評價(jià)與計(jì)算,不僅具有現(xiàn)實(shí)的工程意義,也將進(jìn)一步細(xì)化、補(bǔ)充中國凍脹敏感性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),推進(jìn)中國在土體凍脹方面的研究。

為了使問題充分簡化,試驗(yàn)的主要目標(biāo)設(shè)計(jì)為：研究單向凍結(jié)模式下原始水分、冷端溫度(封閉)、凍結(jié)速率(開放)、補(bǔ)水條件、反復(fù)凍融對路基土體凍脹特性的影響。

1 室內(nèi)凍脹試驗(yàn)

1.1 沈哈線路基土基本物理性質(zhì)

凍脹試驗(yàn)均采用重塑土,試驗(yàn)研究所采用的土為凍脹敏感性土：粘質(zhì)黃土(黃褐色)和粘質(zhì)黃土(灰褐色),取自在建沈哈線DK 673+820處,土樣具有一定的代表性。其顆粒分布曲線如圖1所示,2種土樣的土性參數(shù)列于表1。

表1 試驗(yàn)土樣的物性參數(shù)

圖1 試驗(yàn)中兩種土的顆分曲線

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)裝置如圖2所示。整套試驗(yàn)裝置由凍融試樣筒、恒溫箱、制冷與溫度控制系統(tǒng)、補(bǔ)水、變形監(jiān)測等幾個(gè)部分組成。其中：

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

1)凍融試樣筒是由絕熱材料厚聚酯制成,內(nèi)徑為101mm,壁厚為 5mm,高度為 185mm;為了精確觀測凍融界面的位置,沿垂直方向每1 cm布置一支熱敏電阻溫度計(jì);容納試樣筒的恒溫箱在凍融試驗(yàn)期間始終控制溫度為+1℃,以減少側(cè)向散熱;頂?shù)装蹇販叵到y(tǒng)可對待測樣品進(jìn)行溫度控制;因?yàn)橥馏w是有側(cè)限變形,在土樣的垂直上方安裝位移傳感器,測得土體垂直方向的位移量,以觀測土樣的凍脹和融沉變形。

2)封閉系統(tǒng)不補(bǔ)水。開放系統(tǒng)是對土樣在進(jìn)行測試時(shí),對其給予補(bǔ)水的試驗(yàn)方法。補(bǔ)水系統(tǒng)由恒定水位的馬廖特瓶通過塑料管與底板連接,水位設(shè)置高于底板與土樣接觸面1 cm,試驗(yàn)過程中由人定時(shí)記錄水位,以確定補(bǔ)水量。

3)凍脹(融沉)試驗(yàn)箱為XT-5404型土工凍脹(融沉)試驗(yàn)箱,具有正弦、線性(包括恒溫)規(guī)律的復(fù)合編程能力,適用于-40℃～+60℃溫度范圍內(nèi)(凍)土的凍脹(融沉)量以及凍脹力測定的凍脹試驗(yàn)等。

其它試驗(yàn)儀器包括：數(shù)據(jù)采集讀數(shù)系統(tǒng)(DT500);熱敏電阻溫度傳感器(凍土工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室自主研發(fā),精度±0.05℃);變形測量部件(FXg-81/±25mm差動(dòng)變壓器式位移傳感器,輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓且精度0.001 V(0.01mm))。

1.3 試驗(yàn)方案

初始含水量、冷端溫度(封閉)、凍結(jié)速率(開放)、補(bǔ)水條件、反復(fù)凍融是影響路基土體凍脹特性的主要因素,因此,試驗(yàn)研究的重點(diǎn)設(shè)定如下：

1)在設(shè)定相同的冷端溫度(封閉)下,對不同初始含水量的土樣進(jìn)行凍脹試驗(yàn)。

2)對相同含水量的土樣,采取不同的冷端溫度(封閉)檢測土體的凍脹特性。

3)對相同含水量的土樣,采取不同的凍結(jié)速率(開放)檢測土體的凍脹特性。

4)對相同含水量的土樣,在設(shè)定相同的溫度梯度下,分別進(jìn)行封閉和開放條件下的凍脹試驗(yàn)。

5)對相同含水量的土樣,在設(shè)定相同的冷端溫度(封閉)下,進(jìn)行反復(fù)凍融條件下的凍脹試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件如表2所示。

表2 室內(nèi)凍脹試驗(yàn)條件

1.4 試驗(yàn)方法與步驟

1.4.1 土樣制備 重塑土樣制備滿足GB/T 50123-1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》3.1.6條內(nèi)容規(guī)定,將土風(fēng)干后過篩(篩孔直徑為2 mm),取篩下足夠的土樣放入干燥器內(nèi)。凍脹試驗(yàn)土樣制備采用壓樣法。土樣規(guī)格為高100 mm,直徑為101 mm的圓柱體;由于易溶鹽成分和濃度會(huì)影響土體的凍脹過程,所以試驗(yàn)中土樣是用蒸餾水和干土混合配置的。

1.4.2 試驗(yàn)步驟 1)安裝試樣,保證試樣只能單向凍結(jié)。

2)試驗(yàn)溫度控制。由于試驗(yàn)的凍結(jié)溫度模式較為復(fù)雜,因此試驗(yàn)溫度主要采用溫度測量控制軟件來進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整。試驗(yàn)?zāi)M試樣初始溫度為正溫,故將試樣在1℃的環(huán)境溫度下恒溫6 h,計(jì)算機(jī)監(jiān)控,使試樣的各部分溫度達(dá)到均勻,然后開始對試樣進(jìn)行凍脹試驗(yàn)。

3)凍結(jié)試驗(yàn)。給試樣頂端施加恒定的負(fù)溫條件,進(jìn)行凍結(jié),并測試土樣不同深度的溫度;觀察凍結(jié)鋒面和土體的變化,并記錄水位。

4)凍脹試驗(yàn)在120 h內(nèi)完成,凍脹試驗(yàn)結(jié)束后,關(guān)閉冷端,迅速從試驗(yàn)盒中取出土樣,測量土樣高度并判定凍結(jié)深度。

5)數(shù)據(jù)采集。用 DataTaker500每隔30min自動(dòng)采集一次各測點(diǎn)溫度和凍脹量數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 初始含水量

由不同含水量的凍脹量與時(shí)間關(guān)系曲線圖(圖3)可以看出,含水量較大時(shí),凍脹量在初始凍結(jié)階段增長較快,凍結(jié)20 h后,凍脹量趨于穩(wěn)定。因?yàn)楹枯^高的土體中自由水和毛細(xì)水占絕大部分,毛細(xì)水和自由水的凍結(jié)溫度較高,很容易凍結(jié)。所以土樣在較短的時(shí)間內(nèi)就產(chǎn)生了很大的凍脹量。隨著含水量的減小,在凍結(jié)初始期存在一個(gè)“凍縮”現(xiàn)象,然后才有凍脹發(fā)生。當(dāng)含水量特別小時(shí),土體不能發(fā)生凍脹而是產(chǎn)生凍縮,這是因?yàn)橥馏w中水分較少,水分凍結(jié)膨脹引起的體積增量不足以抵消土體溫度降低引起的冷縮量。

圖3 不同含水量的凍脹量與時(shí)間關(guān)系

對于非飽和土體,凍脹系數(shù)隨土樣含水量增大而增大,在一定的溫度梯度下,土體中含水量必須超過起始凍脹含水量W 0才發(fā)生凍脹,如圖4所示。W0約為18.63%,為土體塑限含水量W P(25%)的0.75倍。

圖4 凍脹系數(shù)與含水量的關(guān)系

由圖4還可以看出,在無外界水源補(bǔ)給的封閉體系中,對于非飽和土體,雖然其凍脹系數(shù)隨含水量的增大而增大,但最終趨于一個(gè)穩(wěn)定數(shù)值。凍脹系數(shù)與有效凍脹含水量(W-W 0)之間的關(guān)系(圖5),可以用下面的冪函數(shù)公式較好的擬合：

圖5 凍脹系數(shù)與有效凍脹含水量的關(guān)系

上述分析是針對非飽和土體而言的,由于試驗(yàn)樣品的限制,飽和含水量對土體凍脹特性影響的試驗(yàn)沒有進(jìn)行。根據(jù)前人對飽和蘭州黃土和青藏粘土的研究成果[11],隨含水量的增大,飽和土樣的凍脹系數(shù)呈先增大后減小的趨勢,即凍脹系數(shù)隨含水量的變化規(guī)律存在一個(gè)臨界含水量,在該臨界含水量處,凍脹系數(shù)值達(dá)到最大。

2.2 冷端溫度

大量的研究認(rèn)為,在沒有外界水分補(bǔ)給的封閉系統(tǒng)中,任何負(fù)溫條件下,凍土總保持著負(fù)溫度相應(yīng)的未凍水含量,土體原位凍脹量也就隨土中負(fù)溫降低而增大,達(dá)到某一溫度下的相對穩(wěn)定值,具有未凍水含量隨負(fù)溫度的變化規(guī)律。然而上述結(jié)論具有一定的片面性,不能真實(shí)反映土體的凍脹規(guī)律。這是因?yàn)閮雒浭芏喾N因素的影響,在封閉系統(tǒng)條件下,隨著溫度變化,土體不一定總是發(fā)生原位凍脹的。試驗(yàn)研究結(jié)果表明,土體初始含水量的大小也是決定封閉系統(tǒng)條件下土體凍脹規(guī)律的一個(gè)重要因素。

2.2.1 含水量較大時(shí)冷端溫度對土體凍脹敏感性影響分析 試驗(yàn)所采用土樣的初始含水量為27.31%,大于其塑限含水量WP(25%)。此種情況下,土體凍脹系數(shù)與冷端溫度的關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可見,凍結(jié)冷端溫度對土的凍脹特性影響很敏感。溫度較低時(shí),試驗(yàn)過程中土樣的凍脹系數(shù)較小;隨著冷端溫度的升高,土樣的凍脹系數(shù)逐漸增大,且增大的幅度越來越大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是,凍結(jié)冷端溫度不同,土樣的凍脹機(jī)理是不同的。冷端溫度較低(-15℃、-10℃)時(shí),在凍結(jié)過程中,土體中的溫度梯度比較大,會(huì)促使土中水分盡快發(fā)生凍結(jié),凍結(jié)速率較快,下部土體中水分也來不及遷移便在快速推進(jìn)的凍結(jié)鋒面作用下全部凍結(jié),凍結(jié)時(shí)間持續(xù)較短,孔隙水主要發(fā)生原位凍結(jié)(膠結(jié)成冰作用),分凝冰層很細(xì)小,分布均勻;土中能量處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),凍脹變形停止并在土中形成近似穩(wěn)定的溫度場,孔隙變化不大,其擴(kuò)大不超過9%(因?yàn)橛形磧鏊嬖?,凍脹系數(shù)較小。隨著溫度的逐步升高(-5℃、-2℃),土體中的溫度梯度逐漸減小,凍結(jié)速率也逐漸降下來,凍結(jié)鋒面前進(jìn)的速度較慢,遷移到鋒面附近的水分增多,凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間較長,此時(shí)土中水逐漸由原來膠結(jié)成冰作用占主導(dǎo)地位向分凝成冰作用占主導(dǎo)地位過渡,土體中形成一系列相間隔的分凝冰層,分凝冰層逐漸變厚,主要分布在試樣上部,試樣會(huì)出現(xiàn)一些細(xì)微的裂縫;冰體積大大超過凍結(jié)前土體中的孔隙,土體凍脹系數(shù)相應(yīng)較大。

圖6 含水量較大時(shí)凍脹系數(shù)與冷端溫度的關(guān)系曲線

2.2.2 含水量較小時(shí)冷端溫度對土體凍脹敏感性影響分析 試驗(yàn)所采用土樣的初始含水量為20.49%,遠(yuǎn)小于其塑限含水量W P(25%)。由土體凍脹系數(shù)與冷端溫度的關(guān)系曲線圖(圖7)可以看出,土體凍脹系數(shù)隨冷端溫度降低而增大。這是由于土樣含水量較小,干密度較大,處于堅(jiān)硬、半堅(jiān)硬狀態(tài),起始凍結(jié)溫度大大降低。此種情況下,不論凍結(jié)冷端溫度高低,土樣的凍脹機(jī)理是相同的,均發(fā)生原位凍脹。故隨著冷端溫度的降低,凍脹系數(shù)逐漸增大,且應(yīng)趨向于穩(wěn)定。

圖7 含水量較小時(shí)凍脹系數(shù)與冷端溫度的關(guān)系曲線

值得注意的是,當(dāng)冷端溫度為-2℃和-5℃時(shí),由于冷端溫度高于土體的起始凍結(jié)溫度,土體根本沒有發(fā)生凍結(jié),也沒有凍脹的產(chǎn)生,故在圖7中沒有考慮-2℃和-5℃冷端溫度的影響。

2.3 凍結(jié)速率

圖8所示為開放條件下土體凍脹系數(shù)與凍結(jié)速率之間的關(guān)系曲線圖。從圖8可以看出,隨著凍結(jié)速率的減小,土體凍脹系數(shù)逐漸變大,且增大的幅度越來越大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是,開放條件下,不論土體初始含水量的高低,隨著凍結(jié)速率的變化,土體所表現(xiàn)出的凍脹機(jī)制是相同的,均為分凝凍脹。此種情況下,隨著凍結(jié)速率的減小,凍結(jié)鋒面推進(jìn)的速度變緩,遷移到鋒面附近的水分增多,分凝冰層逐漸變厚,因而凍脹系數(shù)變大。

圖8 凍脹系數(shù)與凍結(jié)速率之間的關(guān)系曲線

2.4 補(bǔ)水條件

試驗(yàn)結(jié)果明顯表明(圖9),補(bǔ)水后的凍脹量顯著大于未補(bǔ)水的,因而外界補(bǔ)水是引起土體凍脹的一個(gè)重要因素。在溫度梯度作用下,水分不斷從暖段補(bǔ)水區(qū)向土體凍結(jié)鋒面遷移,引起巨大的凍脹量。值得注意的是,補(bǔ)水后的凍脹量隨初始含水量的增大而增大,由此說明,相對補(bǔ)水條件而言,土體初始含水量對凍脹起著決定性的作用。此外,隨著初始含水量的增大,補(bǔ)水條件的影響逐漸減弱,當(dāng)土體達(dá)到或接近飽和狀態(tài)時(shí),外界補(bǔ)水的影響就很弱了。

圖9 補(bǔ)水凍脹量與時(shí)間關(guān)系

基于上面的分析,在開放系統(tǒng)下,土體凍脹量增加顯著。結(jié)合寒區(qū)其它鐵路如青藏鐵路、包蘭鐵路的調(diào)查結(jié)果,有外界水源補(bǔ)給地段凍脹量往往可以達(dá)到幾十mm。正在建設(shè)中的沈哈客運(yùn)專線地下水位埋深較淺,穩(wěn)定水位埋深2.5～6.0 m,這為水分遷移提供了源源不斷的水源。因此,為了防治路基凍脹病害,必須降低地下水位和防止地表水滲流入路基。

2.5 反復(fù)凍融

已有的研究結(jié)果表明[1-2,6-7],季節(jié)凍土地區(qū)路基病害主要是由凍土土體在季節(jié)變化條件下的凍融循環(huán)造成的,因而對凍土凍脹系數(shù)尤其是反復(fù)凍融循環(huán)條件下的凍脹系數(shù)研究將顯得非常重要,但在這一方面的研究還相對較少[12]。

試驗(yàn)擬選取東北粘質(zhì)黃土(黃褐色)為代表性土質(zhì),通過室內(nèi)凍脹試驗(yàn)探討和研究其在不同含水率、密實(shí)度下,反復(fù)凍融過程中的凍脹特性。為了模擬季節(jié)凍土一年內(nèi)的凍融交替,將凍脹和融沉試驗(yàn)結(jié)合在一起進(jìn)行,即凍脹一天,融沉一天,再凍脹一天……,這樣更能反映東北季節(jié)凍土冷暖季節(jié)交替的情形。

凍融過程是土體從不穩(wěn)定態(tài)向動(dòng)態(tài)穩(wěn)定態(tài)的發(fā)展過程。反復(fù)凍融改變了原來土體的性狀,使得土體向著新的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定平衡狀態(tài)發(fā)展。反復(fù)凍融作用導(dǎo)致土體的密度發(fā)生變化,顆粒定向化。研究指出[13-15],凍融作用對土的密度具有雙向作用,即使松散土密度增大,而密實(shí)土密度降低。但無論如何,多次凍融循環(huán)后,土體達(dá)到穩(wěn)定態(tài),此時(shí)凍脹后試樣高度達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。凍脹后試樣高度h可以按照下面的指數(shù)方程進(jìn)行回歸分析得到：

式中：a、b分別為回歸參數(shù);h∞為多次凍融循環(huán)凍脹穩(wěn)定后的高度。

圖10為東北粘質(zhì)黃土含水量從24.03%增加至27.69%時(shí),經(jīng)歷10次凍融循環(huán),凍融循環(huán)凍脹后試樣高度與凍融次數(shù)的關(guān)系曲線圖。從圖10可以看出,含水量為24.03%時(shí),隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,凍脹總變形呈指數(shù)增大的形式,最終趨向于一個(gè)穩(wěn)定值。而當(dāng)含水量增大到27.69%時(shí),凍脹總變形則呈指數(shù)衰減的形式,最終也達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。這是因?yàn)楫?dāng)含水量為24.03%時(shí),干密度相對較大,為1.63 g/cm3,土體比較密實(shí)。此種情況下,凍融作用會(huì)使土的密度變小,使其變得相對較為松散,因而凍脹后試樣高度呈現(xiàn)出增大的趨勢。當(dāng)含水量為27.69%時(shí),干密度相對較小,為1.54 g/cm3,土體比較松散。此時(shí)凍融作用會(huì)使土的密度變大,使其變得相對較為密實(shí),因而凍脹后試樣高度呈現(xiàn)出遞減的趨勢。

圖10 土體凍融循環(huán)凍脹后試樣高度與凍融次數(shù)關(guān)系

對于凍脹而言,前面的回歸分析是利用n次凍融循環(huán)后凍脹試樣高度進(jìn)行的,但在工程實(shí)踐中,這一高度和循環(huán)次數(shù)有關(guān),不便于直觀的表達(dá)凍脹變化情況。為了預(yù)測凍融循環(huán)條件下的凍脹變化情況,引進(jìn)土體的凍脹系數(shù)η和循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系。用ηn代表n次凍融循環(huán)后的穩(wěn)定凍脹量與土體穩(wěn)定凍結(jié)深度之比,亦即凍融循環(huán)凍脹系數(shù)。這一循環(huán)凍脹系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系可表示為：

將式(4)和(5)代入式(3)中,可得：

3 結(jié) 語

1)在封閉系統(tǒng)下,對于非飽和土體,凍脹系數(shù)隨含水量的增加而增長,但最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定數(shù)值。隨著有效凍脹含水量的增加,凍脹系數(shù)呈冪函數(shù)增加趨勢。

2)在無外界水源補(bǔ)給的封閉系統(tǒng)中,對于初始含水量較大的土樣,隨著冷端溫度的降低,土樣的凍脹系數(shù)逐漸減小;而對于初始含水量較小的土樣,隨著冷端溫度的降低,土樣的凍脹系數(shù)逐漸增大。

3)在有外界水分補(bǔ)給的開放體系條件下,隨著凍結(jié)速率的減小,土樣的凍脹系數(shù)逐漸增大,且增大的幅度越來越大。

4)在開放系統(tǒng)下,土體凍脹量增加顯著,但隨著初始含水量的增大,補(bǔ)水條件的影響逐漸減弱。

5)對于初始干密度較小的土樣,隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,凍脹總變形呈指數(shù)遞減的趨勢;而對于初始干密度較大的土樣,隨凍融次數(shù)的增加,凍脹總變形則呈指數(shù)增大的趨勢。

6)進(jìn)行非飽和與飽和狀態(tài)下初始含水量對土體凍脹敏感性影響的對比試驗(yàn)研究,揭示土中氣體對土體凍脹特性的影響規(guī)律,將是下一步的工作。

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