東北地區季節性凍土期水工混凝土凍融膨脹觀測試驗研究

汪海龍

(大石橋市水利工程移民局,遼寧 營口 115100)

季節性凍土在北方地區較為普遍,而在季節性凍土期水工混凝土的凍融膨脹對水工建筑物的安全造成影響。因此在北方地區,水利工程設計時,需要考慮水工混凝土在季節性凍土期的凍融膨脹問題。國內學者對于混凝土凍融膨脹的研究起步較晚[1- 5],主要還是采用觀測試驗的方式,對混凝土凍融膨脹階段的含水率變化進行試驗分析。但這部分研究成果大都針對道路工程研究較多[6- 9],水利工程研究還較少,蔡正銀[10]對某輸水工程地基土鹽-凍脹特性進行試驗研究,研究結果表明地基土樣凍融膨脹造成輸水工程較為嚴重的水頭損失。在遼寧地區冬季較為寒冷,季節性凍土更為明顯,為此水利工程設計需要考慮地區季節性凍土期的水工混凝土的凍融膨脹,本文以遼寧某工程為研究實例,對該區域進行凍融膨脹觀測試驗。分析成果可以為水利工程設計提供參考價值。

1 土樣制備及試驗方法

1.1 土樣采集方法

土樣采集時,主要采集地表深度為3～4m的樣土,密封包裝后結合GB/T50123- 1999《土工試驗方法標準》對試驗土樣進行四分方法的剔除和篩選。首先對試驗土樣進行溶解性試驗。土樣溶解性試驗結果見表1。從表1中可以看出,土樣中Ca2+的含量溶解性較高,而陰離子中Cl-的含量較高。對試驗土體的顆粒粒徑進行級配分析,分析結果見表2。

表1 試驗土樣溶解性試驗結果

表2 試驗土樣的粒徑分布曲線

1.2 觀測試驗儀器

本次凍融觀測試驗儀器主要分為3個部分,第一部分為凍融觀測試驗筒，第二部分溫度控制和監測系統,第三部分為土樣凍融膨脹變形監測儀器。其中凍融觀測試驗筒的直徑為100mm,其內壁厚度為35mm,整個筒的高度為150mm,在其筒深縱向每隔30mm安裝一個熱源靈敏傳感器。在凍融觀測試驗筒頂部安裝凍結底板,底板直徑為300m,底板厚度為30mm,在凍結底板設置多個單孔,保證冷卻液的循環制動,在其頂部設置4個進出排水孔,試驗筒的底部安裝固定板,固定板的厚度為15mm,在其內部安裝環形凹槽用于固定,固定底板與支撐板中間安裝鋼架,保證底板在凍融觀測試驗不因膨脹而變形。第二部分的溫度控制和監測系統,主要采用國產的溫控系統,其溫控的精度為0.2℃。第三部分為混凝土變形監測儀器,該儀器由磁儀器和試驗觀測筒構成,本次變形監測的測試高程為60mm,膨脹試驗的精度為0.05mm。

1.3 試驗步驟

本次混凝土凍融膨脹試驗主要分為5個步驟。

(1)對試驗土樣的主要物理特性進行分析,測定土樣的溶解性和顆粒粒徑大小。

(2)凍融試驗：在試驗前可進行空載試驗,保證儀器的運轉通暢,在觀測筒外部包圍10cm的保溫層,確保試驗土樣在同一個溫度層進行試驗。

(3)土樣準備：對不同含水率同樣土樣攪勻后裝入試樣袋中,為保證試驗土樣的均勻性,一般需要常溫靜置20h以上。

(4)凍結試驗：結合溫度控制系統,對試驗土樣逐步降低溫度,降溫速度控制在0.6℃/h。

(5)凍結含水率測定：在凍融膨脹穩定階段后,關閉溫度調控系統,自土樣頂部每3cm逐步向下取土,采用烘干方法對取土土樣進行含水率的測定。

2 試驗結果分析

2.1 凍融膨脹過程試驗結果

分別對細粒和粗砂土進行凍融膨脹觀測試驗,觀測試驗結果見表3和表4,并繪制了兩種質地下凍融膨脹變化曲線,如圖1所示。

從表1中可以看出,細粒和粗砂土的凍融膨脹量均隨著含水率的增加而增加,這主要是因為含水率的增加,使得凍融階段凍結率有所增大,在凍融膨脹階段期水工混凝土的凍融膨脹量也相應有所增加。從圖1可以明顯看出,細粒在凍融過程分為兩個階段,第一階段為凍融初始階段,這一階段隨著凍融時間的增加,凍融膨脹量有所下降,這主要是因為在初始凍融階段,細粒土孔徑較小,不易發生較為明顯的凍融膨脹,在凍融階段,凍融膨脹量有較為明顯的上升過程,凍融膨脹曲線梯度逐步增加,并達到最大,在凍融穩定階段,凍融膨脹量較為穩定。粗砂土的凍融初始階段,凍融膨脹量逐漸上升,這主要是因為粗砂土粒徑較大,凍融量明顯高于細粒。在凍融階段和穩定階段,凍融量的發展過程和細粒過程較為相似。在凍結階段粗砂土凍融量增加較為明顯,而在凍融穩定階段,凍融量較為穩定。

表3 細粒土不同含水率下的凍融膨脹變化試驗結果

表4 粗砂土不同含水率下的凍融膨脹變化曲線

圖1 不同土樣不同含水率下的凍融膨脹變化曲線過程圖

2.2 土樣含水率與凍融膨脹率相關性試驗結果

結合凍融膨脹試驗含水率測定結果,分析了細粒和粗砂土凍融膨脹率和含水率之間的相關性,相關性分析結果如圖2所示。

圖2 不同土樣含水率與凍融膨脹率相關圖

從圖2可以看出,含水率和凍融膨脹率具有較好的相關性。細粒土的含水率和凍融膨脹率相關系數為0.8472,粗砂土含水率和凍融膨脹率的相關系數達到0.8761,其相關性好于細粒土,這主要和細粒土以及粗砂土的粒徑相關,粒徑較大,其相關性較好,粒徑較小的細粒土相關性略低。但總體上,兩種土樣的含水率和凍融膨脹率具有較好的相關性。土樣中的含水率大小是影響水工混凝土凍融膨脹的主要影響因素。

2.3 凍融階段含水率縱向變化試驗結果

結合試驗成果,分析了不同土樣在凍融膨脹階段含水率縱向分布,結果如圖3和圖4所示。

圖3 細粒土含水率縱向變化試驗結果

從圖3可以看出,隨著初始含水率的增加,其含水率在頂部逐漸增加,底部含水率較低,在試驗6～9cm之間,屬于凍結較為嚴重的區域。而在1～3cm的區域屬于不易凍結的區域。隨著土樣高度的降低,含水率也逐步增加,不易發生凍融膨脹。對于粗砂土而言,初始含水率的不

圖4 粗砂土含水率縱向變化試驗結果

同,其含水率縱向分布不同,在試驗8～9cm之間,屬于凍結較為嚴重的區域,而在2～3cm屬于不易凍結的區域,可見不同材質的土樣,其凍融膨脹發生階段的深度不同。

3 結語

通過對東北地區季節性凍土期水工混凝土凍融膨脹進行觀測試驗研究,得出結論：凍融膨脹階段,水工混凝土凍融膨脹曲線梯度逐步增大,土樣膨脹速率較快,到穩定階段,其凍融膨脹率逐步較小,凍融膨脹增長率最低；含水率與凍融膨脹率具有較好的線性關系,在施工階段,應注重施工混凝土中的土樣含水率,降低其凍融膨脹率；含水率是水工混凝土凍融膨脹的主要制約因素,水分縱向變化是水工混凝土凍融膨脹的主因。

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