人工凍結富水卵石土凍脹特性研究

吳 鎮， 王 磊， 賈 鋒， 何亞夢， 吳 澤

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，山東 濟南 250022；2.石家莊鐵道大學土木工程學院，河北 石家莊 050043)

人工凍結法將天然地層變成凍土層，可起到臨時加固土體、抵抗土層壓力、隔絕地下水的作用[1,2]，故在國內外采礦工程、基坑支護、市政工程施工等領域得到廣泛應用[3-5]。目前，人工地層凍結技術在滲透系數及滲流速度較小的黏土、粉土地層中應用廣泛[6,7]，但其在滲透系數及滲流速度較大的卵石地層中的施工技術及效果仍待進一步研究。

土體凍結后其強度獲得提升，人工凍結技術正是充分利用這一特點，來保證各項工程的施工效果。目前國內外學者已對人工凍土的強度特性進行了大量的研究[1,2]，并取得了一定的成果。凍土強度特性提高為工程施工提供了可能性，但伴隨土體凍結而產生的凍脹變形及融沉，亦可能對工程施工產生不利影響，甚至釀成重大的安全事故，因而針對人工凍土凍脹變形特性的研究不容忽視[8-10]。

土體的凍脹特性的研究主要基于三種凍脹理論：1961年學者Everett[11]提出了第一凍脹理論即毛細理論，該理論分別對凍脹及凍脹力進行了定量的解釋和估計，并將凍土冰透鏡體產生的原因歸結于凍脹壓力和抽吸力[12]。基于第一凍脹理論，第二凍脹理論又稱Miller[13]第二凍脹理論或凍結緣理論，它認為土體凍脹的影響因素還包括未凍土的初始水分張力、冰透鏡體底部的凍結溫度、上覆超載壓力、凍結緣厚度、凍結緣的溫度梯度等。分凝勢表示土體內部水分遷移速度與凍土邊緣溫度梯度之比，是衡量凍土特征的重要指標，由此衍生出了第三種凍脹理論，即分凝凍脹理論[14]又稱吸附力理論。綜合上述三種理論研究，針對人工凍土開展的一系列試驗研究表明，影響該類土體凍脹特性的因素可概括為以下三個方面：土體特性，如土體構造、顆粒分布、含水量、鹽分組成及含量等；凍脹試驗裝置的相關參數，如裝置選材，大小形狀，裝置與土體產生的凍結摩擦；凍結外界因素，如溫度梯度、水分條件、凍結約束力等。

如上文所述，各類土質的凍脹特性呈現較大差異，有關學者已對細粒土不同含鹽量及荷載狀態下的凍脹變形特性進行了相關研究[15,16]，而對于路基工程中的粗粒土，現如今普遍認為土體中細顆粒含量、黏土礦物含量較多，其凍脹變形特性更為明顯[17,18]。隨著工程建設的發展，施工地質條件呈現多樣性，而天然地層中的礫石土、卵石土的凍脹特性尚不明確，人工凍結技術的應用及優化設計，使探究人工凍結富水卵石土的凍脹特性成為必然之選。

1 試驗制備

1.1 試驗土質

試驗用土選取南寧地鐵1號線中涉及到的卵石土層，按照實際地勘資料制作重塑土，其粒徑級配累積曲線如圖1所示。計算所得卵石土不均勻系數和曲率系數分別為Cu=50、Cc=0.5，為級配不良土質。

1.2 試驗方案

凍脹試驗通過設計不同含水量、不同冷端凍結溫度的卵石土凍結試驗組，來了解上述兩種因素對該土質土體的凍脹變形產生的影響，并進行內在影響機制及理論分析。試驗采用下部單向凍結的方式，分別在含水率為6%、9%、飽和以及補水(9%)的條件下進行冷端凍結溫度為-5℃、-10℃的凍脹試驗。試驗編號采用WnTn的形式，其中W代表土樣試驗時含水量，W1、W2、W3和W4分別代表6%、9%、飽和含水量以及補水條件；T代表試驗時底端凍結溫度，T1和T2分別代表-5℃和-10℃。

圖1 粒徑級配累積曲線

依據上述試驗方案可將試驗組分為開放式(補水條件下)凍脹和封閉式凍脹。凍脹試驗裝置包括凍脹試驗筒(見圖2)，傳感器、數據采集裝置及制冷水浴循環器。試驗裝置整體實物見圖3和圖4。

圖2 凍脹試驗筒設計圖

1.3 過程控制

(1)開放凍脹試驗組需先調整馬氏瓶，使其與凍脹試驗筒連接并達到補水試驗的要求。為保證在開放式試驗時，水分可以自由補充到試驗筒內的土樣中，應預先在凍脹筒底部平整的鋪上一層濾紙。

(2)按試驗設計配置試驗用土，準確稱量后，分層置入試驗桶內制成直徑20 cm、高20 cm的圓柱土樣。在土樣分層放置壓實的過程中，將11根溫度傳感器分別通過凍脹筒外壁孔道插入到土樣中，溫度傳感器探頭位于土樣中心位置，間隔2 cm。

圖3 開放式凍脹實物圖 圖4 封閉式凍脹實物圖

(3)待土樣及傳感器安放完畢后，為防止水分散失，用塑料薄膜蓋住土樣上方。將上冷浴盤放入凍脹筒中，并與土樣表面良好接觸。在凍脹筒外部包裹保溫材料，并在上冷浴盤頂部安放位移計以及電磁閥，監測土體凍脹量。

(4)凍脹試驗恒溫階段，開啟試驗箱維持環境溫度為+1 ℃，并恒溫靜置24 h。降溫階段，開啟與上、下冷預盤板相連的制冷裝置，使土樣頂部保持在+1 ℃，土樣底部達到設計的溫度(下部凍結)，開始凍脹試驗。

(5)試驗開始后，土樣單向凍結48 h，在此期間使用數據采集儀采集溫度數據，4 min/次，凍結后，分層取出土樣，并測量每一層的含水量變化。

2 溫度場變化及水分遷移分析

2.1 土體內部溫度場變化

通過土樣中埋設的溫度傳感器監測凍結過程中的土體溫度場變化情況，部分試驗結果見圖5～圖7，圖中標記距離值為距試樣筒底部冷端側的距離。

(1)試驗開始后，除暖端外土體內部各測溫點溫度迅速下降，近似呈線性發展趨勢。試驗開始后24 h左右，試樣內各測點溫度達到穩定，且該溫度場分布一直持續到試驗結束。

圖5 冷端溫度為-5℃、含水量為6%時不同測點溫度隨凍結時間變化曲線

圖6 冷端溫度為-10℃、含水量為6%時不同測點溫度隨凍結時間變化曲線

圖7 冷端溫度為-10℃、含水量為9%時不同測點溫度隨凍結時間變化曲線

(2)在相同的冷端凍結溫度下，9%含水量土樣試驗組的溫度下降趨勢小于6%含水量土樣試驗組，同時開放式凍脹試樣的溫度下降趨勢小于封閉式凍脹試驗。由此可知，含水量越高，或有外界補水的條件下，凍結時溫度下降越慢，分析其原因：凍結過程中，水-冰相變會釋放大量潛熱，含水量越高，釋放潛熱量越大，凍結速率越慢。

2.2 土體水分遷移現象

土體凍結過程中，溫度梯度致使土體內部水分發生遷移現象。不同試驗條件下，試樣土體凍結后含水量與高度關系曲線見圖8～圖10。由圖可知：

(1)土體內部含水量變化可大致分為兩類，距冷源較近位置的土體含水量高于初始含水量，距冷源較遠位置的土體含水量低于初始含水量。各試驗組試樣底部的含水量均增加，且開放式試樣的含水量增加顯著。上述現象表明，溫度梯度提供了水分遷移的驅動力，試樣土體中的未凍水向凍結區遷移，試樣暖端的水分不斷向冷端遷移，含水量在冷端增高，在暖端降低，且接近冷源位置的含水量變化更為明顯。

圖8 冷端溫度為-5℃時，含水量與距冷端距離的關系曲線

圖9 冷端溫度為-10℃時，含水量與距冷端距離的關系曲線

圖10 開放式試樣補水量隨時間變化曲線

(2)同一初始含水量的試驗組，冷端溫度越低，試樣含水量沿高度方向變化的趨勢減弱，試樣底部含水量增加量減少。且開放試驗組中，溫度梯度增加，試樣補水量相對減少。分析其原因，冷端溫度越低，土體內部凍結速率大于水分遷移速率，水分遷移量減少。

3 凍脹變形分析

以冷端溫度為-5℃的試驗組為例，分析不同含水量條件下，土體凍脹量隨時間變化的趨勢，見圖11。土體凍脹的過程可大致分為四個階段：凍縮階段，土體凍脹量為負值，環境溫度降低導致土體顆粒收縮；凍脹快速發展階段，凍結鋒面處水分聚集結冰，體積增大，形成冰透鏡體；凍脹緩慢發展階段，土體內冰透鏡體繼續發展，但自由水含量減少，結冰速率減慢；穩定階段，凍結鋒面基本穩定，凍脹發展基本停止。

圖11 冷端溫度為-5℃，不同含水量條件下凍脹量隨時間的變化曲線

土體凍脹的凍脹率為試樣的最大凍脹量與凍結深度(不包含凍脹量)的比值，即η=Δh/hf×100%。式中：η為凍脹率(%)；hf為凍結深度(mm)，即為試樣的起始高度去掉恒溫中試樣的變形量；Δh為最大凍脹量(mm)。各試驗組凍脹率統計于表1中。

表1 人工凍結富水卵石土在各試驗條件下的凍脹率

各試驗條件下的土體凍脹量隨時間變化情況，見圖12，對比分析可知：

圖12 土體凍脹率隨時間的變化曲線

(1)在相同的含水量條件下，冷端溫度越高，土樣凍脹變形越大。試樣冷端溫度越高，土樣兩端溫度梯度越小，凍結鋒面的推進速度較為緩慢，水分在遷移的過程中得以凍結，因而凍脹變形大。

(2)相同凍結溫度模式下，含水量越高，凍脹量越大，且開放體系中土樣凍脹量顯著高于封閉體系。對比圖10可知，水分的補給與凍脹過程幾乎是同步的，凍結前期，溫度梯度驅動水分遷移，試樣補水過程中，凍脹也隨之不斷地發育；當凍脹量發生到某一程度時，雖然凍結鋒面仍在繼續發展，但是隨著土樣的凍結，土樣內孔隙逐漸減少，補水量顯著減少，導致凍脹發展逐漸變緩，甚至停止。

4 結論

(1)含水量越高，凍結時溫度下降越慢，且水分補給可有效減慢凍結發展進程。

(2)在凍結過程中，溫度梯度使土體中發生水分重分布，試樣底部含水量較初始增加較為明顯，但溫度梯度的加大可在一定程度上削弱水分遷移現象。

(3)封閉系統下，土體的冷端溫度越高，凍脹率越大；土體的含水量越高，凍脹率越大。開放系統的凍脹率明顯高于封閉系統，外界水分進入并在試樣中發生分凝凍脹是富水卵石土樣凍脹的主要原因。

(4)對富水卵石地層進行人工凍結法施工時，選擇合適的手段，隔絕外部地下水的補給，并且在凍結過程中，選擇較低的凍結溫度，加快凍結速率，可有效減少凍脹量，減輕凍脹現象產生的危害。