凍土試驗方法淺析

邱良軍

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司, 天津 300251)

1 概述

凍土是溫度低于0 ℃且含有冰的土巖。而多年凍土在兩年或兩年以上都處于凍結狀態,只有表層幾米的土層處于夏融冬凍的狀態。在多年凍土地區的主要工程地質問題有融沉、凍脹等不良地質現象。

在2008年5月、10月及2009年5月到大興安嶺的漠河進行了凍土的勘察試驗工作。由于工地現場的試驗室條件有限，只做了篩分、液塑限、比重、含水量、密度、融沉壓縮等幾項試驗,其中篩分、液塑限、比重試驗與正常土試驗無區別,在此就不贅述，下面針對含水量、密度、融沉壓縮等幾項試驗談一點自己工作中的感悟,敬請專家批評指正。

2 試驗過程

2.1 凍土的總含水量

即凍土中所有的冰和未凍水的總質量與土骨架質量之比；即凍土在100 ℃至105 ℃溫度下烘至恒重后所失去水分的質量與所達到恒重后干土質量之比，用百分數表示。

由于凍土中含有大量的冰(特別是富冰凍土)且冰的分布很不均勻,這就造成整個土體均勻性很差,在做含水量時就要注意取樣的代表性且要盡量多取些(一般取500 g以上)，如含冰量較少的細粒土，可視情況減少取樣量。

凍土的含水量是判定土凍脹性的關鍵指標,一定要做準確。

2.2 密度

根據凍土的特點和試驗條件選用液體稱量法、聯合測定法、充砂法和環刀法。

液體稱量法適用于表面無顯著孔隙的凍土。

聯合測定法適用于層(網)狀冰構造的黏性土或砂類土。

充砂法適用于表面有明顯孔隙的凍土。

環刀法適用于土溫高于-3 ℃的黏性土和砂類土。

凍土密度試驗宜在負溫環境下進行。無負溫環境時,應采取保溫措施和快速測定。在試驗過程中,凍土表面不得發生融化。

密度試驗主要用了液體秤量法、環刀法、充砂發幾種方法,下面加以敘述。

液體秤量法：先將水冷凍至0 ℃,而后用斧子將凍土樣砍成需要的尺寸,之后用細線捆住試樣后進行稱量。

充砂法：先篩出0.25 mm至0.5 mm的砂備用，再標定量砂密度(步驟參見土工試驗規范中之灌砂法測密度),之后按照規范中所述凍土充砂法測密度。

環刀法：凍土非常堅硬，用環刀法制件非常困難,經過不斷摸索找出了一些制件方法。圖1、圖2為環刀法密度制件工作過程示例。

圖1 環刀法密度制件(一)

圖2 環刀法密度制件(二)

2.3 室內融沉試驗

凍土融化壓縮試驗有現場原位測試及室內試驗兩種,室內試驗方法比較成熟,應用也較久,其方法基本上與融土的壓縮試驗相似。

本試驗的目的是測定凍土融化過程中的相對下沉量(融沉系數)和融沉后的變形與壓力關系(如圖3所示)。

圖3 單位變形量與壓力關系曲線

(1)開土

由于工作量不大，此次外業試驗未購置專用的凍土切削制件設備,到現場后購置了一些簡單的工具(見圖4),有瓦刀、斧頭、鋼鋸、粗齒的手鋸(鋸木頭用的)、木銼、刷子(刷洗設備用)等。由于凍土的凍結強度很大,人工制件非常困難。通過不斷摸索，總結出一套方法：先用瓦刀和斧子把樣品砍到比環刀直徑略粗,用粗齒木鋸進一步將樣品刮鋸到與環刀直徑接近,再用木銼仔細銼至與環刀直徑相同,然后一點點向下按環刀,第一個樣品用了1個多小時的時間才慢慢制好。制出的樣品比較理想。

圖4 制件用工具

(2)試驗過程

用循環熱水使凍土試樣中的冰融化,在自重作用下發生熱融沉陷；然后再對試樣施加法向壓力,使其在有側限狀態下產生壓縮變形,其原理同融土壓縮試驗。

(3)重塑凍土的融沉試驗

對原狀凍土和重塑凍土(先將凍土融化,拌和均勻,再將拌和好的土樣裝至環刀中,之后放入冰箱中凍結,即制成凍土的重塑試件)的融沉試驗結果做了一些對比(見表1)。通過對比不難發現,重塑前后差異較大,考慮可能主要是土的內部組成結構差異所導致。

表1 原狀凍土與重塑凍土融沉結果對比

原狀土的結構不均,特別是含冰較多的凍土原狀結構大多為層狀,而經重塑后樣品的結構都非常均勻,有的樣品在原狀時含有冰層，經融化后重塑，但有好多水加不進去,這樣重塑后的土含水量就會減少一些；另一方面,對于含水量較小的凍土,原狀時含有較多孔隙，而在重塑后,這些孔隙少了,密度就會增加一些。經過考慮分析,認為重塑前后融沉數據有差異是必然的,而用重塑后的土代替原狀凍土做融沉試驗是不可取的。

(4)注意事項

制冷：在做融沉試驗過程中,壓縮容器的結構是周圍及底部制冷而上部為傳壓板加熱,雖然有制冷與沒有制冷土體最終都融化,但在實際工作中制冷的作用還是很大的。取土環刀是尼龍制的，如果沒有周圍的制冷,環刀遇熱后會產生變形，卡在容器中不易取出。由于有制冷,環刀不易變形,每次試驗結束后,環刀就會很容易取出。另一方面,由于環刀變形很小,體積也不會有很大變化,增加使用壽命。

開樣與裝樣：開樣過程中,要注意不能把樣品開偏,由于環刀有一定的可塑性,開土時一定要注意不能使其產生變形,否則將很難裝入壓縮容器中。對一些已變形的環刀,要堅決棄用,以免在工作中造成不必要的麻煩。

異常問題：當發現含冰較多的凍土,融沉下沉量卻很小，這時要注意了,有可能是加壓蓋板被卡住了,要仔細地對其進行檢查。一般在做完一個試驗后拆樣時,要特別觀察一下樣品的壓后狀況,如樣品很軟、含水量大等都屬于未壓好。

加熱及制冷循環時間：通過一段時間融沉試驗的結果看,開始加熱后前2 h的壓縮變化量很大,2 h后變化就小一些了。當融沉穩定后關閉加熱、制冷系統后，又會產生明顯的沉降(一般5～20格)，可能是由于熱脹冷縮的緣故。經過一段時間的總結，冷熱循環系統一般開3 h就可關閉,之后再等到融沉穩定(0.005 mm/2 h)后,再進行后面的加荷。

百分表的調整：含冰較多的凍土融沉試驗時的下沉量較大,有的可達15～20 mm,而百分表的量程只有10 mm。因此,在做含冰較多的凍土的融沉試驗,每一次讀數時要觀察一下百分表及儀器的狀態,隨時加以調整,保證試驗的準確。

3 怎樣保持凍土的原狀狀態

由于凍土本身的特性,凍土的取樣及取樣后到試驗前的保存非常關鍵,因為如果樣品保存不好融化了，或者存放在冰箱中時其溫度大于或小于天然狀態下土層中的溫度(等于地層中的溫度幾乎是不可能),這都會破壞土的原狀狀態,而導致做出來的試驗結果與實際地層情況將會差之千里(尤其是融沉試驗)。

怎樣保證取回的凍土土樣為原狀狀態，需注意以下幾方面的問題：第一,外業取樣要有車載冰箱，不能只采用簡單的保溫措施,且冰箱要加裝溫控器保證冰箱的溫度可控。第二,試驗室樣品的保存也應有溫度可控的試驗專用冰箱。第三,對野外地溫進行觀測,根據本地區地溫的觀測結果,確定車載冰箱及試驗冰箱的溫度。第四,樣品制件過程一定要在負溫條件下進行,保證制件過程中樣品不融化。第五,根據當地氣溫環境科學確定勘察時間,以漠河為例，最佳勘察時間為上半年3月下旬至5月初，下半年10月上旬至11月上旬兩段時間。

[1]GB 50324—2001 凍土地質勘察規范[S]

[2]GB/T50123—1999 土工試驗方法標準[S]

[3]TB 10102—2004 鐵路工程土工試驗規程[S]

[4]劉紅軍,程顯春,馬介峰.多年凍土的力學性質[J].東北林業大學學報,2005(2)

[5]王 瀚.凍土融化壓縮性試驗研究[J].山東煤炭科技,2010(1)