淮南弱膨脹土凍脹融沉特性

朱 杰， 王 蒙

(1.安徽理工大學土木建筑學院，淮南 232001；2.無錫市勘察設計研究院有限公司昆山分公司，昆山 215300)

膨脹土是一種土中黏粒成分主要由親水性礦物組成的特殊土，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮的變形特性。膨脹土在中國分布范圍很廣，河南、湖北、安徽等20多個省均分布有大面積的膨脹土[1-2]。在凍土地區或采用人工凍結法施工的工程中，當膨脹土受凍后，土中的水分發生凍結或遷移，含水率隨之改變，進而使膨脹土的脹縮性產生變化，加之隨著溫度的降低和升高，土體發生凍脹融沉現象，對工程造成很大的危害[3]。如淮南部分礦區采用凍結法鑿井時，在膨脹黏土段常出現井幫向內位移、工作面底鼓嚴重的現象，從而使凍結壁失穩，造成凍結管折斷。停止供冷后，凍土的融沉又對井壁產生附加應力，影響井筒穩定性。目前對于土體凍脹融沉的性質已有一定的研究。魏厚振等[4]對飽和粉土進行了凍結試驗，并通過改變邊界溫度和試樣高度，研究了凍土水分遷移、水分重分布、凍脹及冰透鏡體發展規律；陳愛軍等[5]進行了重塑黏土的凍結試驗，分析了含水率與溫度梯度對凍脹和水分遷移的影響；潘鵬等[6]以初始干密度、凍融循環次數為因素，研究了寧夏飽和黃土在不同補水條件下的凍脹和融沉性質；何平等[7]認為融沉系數與凍土中的含冰量和干重度有關，并將融沉分為3個狀態分析，給出了融沉系數計算方法。但對于膨脹土的凍結融沉特性方面的研究極少，因此以淮南弱膨脹土為研究對象，進行了不同條件下的凍脹和融沉試驗，可為富含弱膨脹土的地區在進行人工凍結法施工時提供依據。

1 試驗內容及方法

1.1 試驗裝置研制

試驗是在自主研制的凍脹融沉試驗裝置上進行的，裝置主要由溫控系統、加載系統、數據監測系統(包括位移監測、溫度監測)、補水系統等部分組成，試驗裝置結構如圖1所示，試樣筒為有機玻璃制成，筒壁開孔，可安置溫度傳感器，精度達±0.5 ℃。頂底板由低溫恒溫槽循環液控制溫度，溫度范圍為-40～+90 ℃，溫度波動度±0.05，豎向荷載通過杠桿施加，采用位移傳感器測量豎向變形，精度為0.01 mm，外部采用保溫絕熱材料進行隔熱處理。

圖1 凍脹融沉試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of freeze-heaving and thawing settlement test device

1.2 試驗方案

凍脹試驗：本次試驗研究膨脹土在不同含水率、冷端溫度、干密度及含鹽率條件下的凍脹特性。冷端溫度根據《煤礦凍結法開鑿立井工程技術規范》(MT/T 1124—2011)選擇3個溫度水平，含水率等按本地區膨脹土表征值的一般范圍確定，采用底板單向凍結方案，試驗條件如表1所示，為單因素多水平的凍脹試驗。融沉試驗：研究在不同含水率、冷端溫度及上覆荷載條件下的融沉特性。

表1 凍脹試驗方案

1.3 試件制備與試驗方法

試驗用土取自淮南沖積黏土，呈褐黃色，土質細膩，通過常規土工試驗，得到其基本物理指標如表2所示。根據《膨脹土地區建筑技術規范》(GB 50112—2013)，自由膨脹率在40%～65%的土為弱膨脹淺勢，因此試驗用土為弱膨脹土。

表2 試驗用土的基本物理指標

試件采用直徑60 mm，高100 mm的圓柱形土樣。凍脹試驗步驟：將試驗用土烘干、粉碎、過篩，按照試驗要求配制相應土樣，在封閉條件下靜置養護24 h。為防止凍結時筒壁對土樣產生阻力影響凍脹量大小，先將制樣筒內壁均勻地涂上凡士林。提前啟動高低溫恒溫循環裝置進行預冷，當底板達到試驗要求溫度時，進行試樣安裝，外部用保溫材料圍裹，試樣筒的側面安設溫度傳感器，用蠟將測溫孔封住，防止水分流失以及提高溫度測量精度，啟動數據采集系統[8]。試驗裝置如圖2所示。融沉試驗步驟：制備試樣，將試樣在低溫箱凍結至所需溫度，持續24 h，安裝試樣到凍脹融沉儀上，為使加壓上蓋與試樣接觸良好并同時獲得融沉系數，先施加10 kPa荷載，讓土體在20 ℃條件下融化，當2 h內沉降小于0.02 mm則認為沉降穩定。

圖2 凍脹融沉裝置Fig.2 Physical graph of freeze-heaving and thawing settlement device

2 試驗結果分析

2.1 凍脹分析

2.1.1 各因素對凍脹性的影響

2.1.1.1 含水率對凍脹性的影響

通過凍脹試驗可得不同含水率下試樣凍脹率隨時間變化曲線如圖3所示，可見在凍結初期，試樣處于快速凍結狀態，凍脹速率大，隨著時間推移，凍脹速率均有所減緩，在33 h后趨于平穩，含水率越高，其平均凍脹速率和總凍脹量越大[9]。含水率為20%、22%、24%時的凍脹率分別為3.94%、4.54%、5.53%，即含水率每增加1%凍脹率則增大0.4%，可見含水率對總凍脹量的影響非常顯著。

圖3 不同含水率下凍脹率與時間關系曲線Fig.3 Relation curves between frost heaving ratio and time under different water content

開始試樣底端凍結發展較快，隨著凍結鋒面的上移，冷量傳遞速度和溫度梯度逐漸減小，上部水分向鋒面遷移，水相變成冰會釋放潛熱，導致凍脹速率減小。土體含水率越高，從未凍土中遷移過來的水越多，降低相同的溫度時，所要吸收的冷量比含水率小的土體更多。因此凍結鋒面推進速度較慢，這給未凍水的遷移留有了一定的時間，因此有較多的水分會在凍結鋒面處結晶，凍脹率較大。

凍土的凍脹規律可以用指數函數y=a(1-e-bt)描述，其中y代表凍脹率，t表示時間，a、b為試驗常數。對圖3所示曲線進行擬合得到(R2均為0.998)：

(1)

2.1.1.2 冷端溫度對凍脹性的影響

圖4所示為3種冷端溫度條件(含水率20%)下凍脹率的變化，可以看出，當冷端溫度較低時，溫度梯度較大，原有水分以極快的速度凍結，凍結鋒面穩定時間較短，推進速度較快，此情況下水分遷移量較少，凍脹率有限。冷端溫度為-20 ℃和-15 ℃的試樣凍脹率較為接近，35 h凍脹率分別為3.94%和4.57%，相差約16%。而-10 ℃試樣凍脹率明顯高出其他兩種溫度，最終達到6.93%，比-20 ℃時高出76%。這是因為冷端溫度較高時，溫度梯度較小，凍結鋒面推進速度慢，水分有足夠的時間向鋒面遷移，較大的相變潛熱又同時延緩了凍結鋒面的推進，使得鋒面處水分集聚較多，形成較厚的分凝冰夾層，因而凍脹率較大。

圖4 不同冷端溫度下凍脹率與時間關系曲線Fig.4 Relation curves between frost heaving ratio and time under different freezing temperature

2.1.1.3 干密度對凍脹性的影響

圖5表明，當試樣的干密度由小變大時，凍脹率也隨之增大。在干密度較小土體顆粒分布較松散時，凍脹率隨著干密度增長變化較快，干密度從1.65 g/cm3到1.70 g/cm3，凍脹率由2.9%增加到3.72%，增長幅度為28.3%，這時干密度對凍脹率影響較大，而干密度為1.75 g/cm3時凍脹率為3.94%，增長幅度僅5.9%，干密度的變化影響減小。當土體的含水率等條件相同時，增大其干密度相當于減小其孔隙度，進而使土體飽和度上升，土中水結冰體積膨脹占據孔隙后，擠壓周圍的土顆粒，凍脹量更大。

圖5 不同干密度下凍脹率與時間關系曲線Fig.5 Relation curves between frost heaving ratio and time under different dry density

2.1.1.4 含鹽率對凍脹性的影響

在人工凍結法施工中，常遇到土層中含有各種鹽分，這些鹽分不僅影響到土層的凍結溫度，進而延緩了凍結壁交圈時間，而且會影響土層的凍脹性質。為研究含鹽分對土體凍脹的影響程度，試驗選用無水硫酸鈉作為外加鹽添加到試樣中，試驗用水為蒸餾水，土樣經過水洗去鹽。圖6所示為不同含鹽率下凍脹率與時間關系曲線，可見，土體凍脹率隨含鹽量的增加而減小，含鹽量分別為0%、1%、1.5%、2%時的35 h凍脹率分別為3.94%、3.22%、2.28%、1.72%，其中含鹽2%比不含鹽試樣減小了56.3%，可知硫酸鹽在土體中具有一定的抑制凍脹量的作用。主要原因是試樣孔隙中易溶鹽離子濃度增高，和土顆粒中原有吸附的離子置換，使土顆粒的表面能和毛細作用降低，因此造成土體中水分遷移程度降低，同時鹽分的添加增加了土中未凍水含量，以至于減小了土體的凍脹性。

圖6 不同含鹽率下凍脹率與時間關系曲線Fig.6 Relation curves between frost heaving ratio and time under different saltbearing content

2.1.2 溫度場測試

這里只給出A3試樣(含水率24%，冷端溫度-20 ℃)的溫度變化曲線。圖7所示為試樣不同高度處溫度下降曲線，可見在接近冷端的位置，其溫度下降速率最快，且迅速達到穩定狀態，之后溫度保持不變，最終穩定溫度也較低，距離冷端越遠，則溫度下降速度相對越慢，穩定溫度越高。在距離冷端為0、20、40、60、80 mm處其穩定溫度分別為-20、-13.6、-7.6、-2.8、1.3 ℃，試樣在80 mm處達到正溫。由于試樣凍結溫度為-1.1 ℃，由圖8可知，溫度沿試樣高度基本成線性分布，用插值法確定其未凍土和已凍土段的界面在68 mm處，當然，沿土樣高度安設更密集的溫度傳感器可更準確地獲得界面位置，但同時也會對凍脹變形產生影響[10]。

圖7 冷端溫度為-20 ℃時A3試樣溫度曲線Fig.7 Temperature curve of sample A3 at -20 ℃

圖8 A3試樣溫度隨高度變化曲線Fig.8 Temperature curve of sample A3 with height

以土層溫度差與高度差之比定義溫度梯度值，作出溫度梯度隨時間變化曲線，如圖9所示，試樣各層溫度梯度在試驗開始均快速增大，并達到最大值，在0～20、20～40、40～60、60～80 mm各段分別為1.265、0.505、0.31、0.195 ℃/mm，距離冷端越近的土層，溫度梯度越大，隨著與冷端距離增加，傳遞冷量減小以及遷移水的潛熱釋放，溫度梯度逐漸減小。當試驗進行到500 min時，土體內重新達到熱平衡，這時各層溫度梯度基本穩定，梯度值分別為0.345、0.305、0.255、0.195 ℃/mm。

圖9 A3試樣的溫度梯度曲線Fig.9 Temperature gradient curve of sample A3

整理可得在3種冷端溫度條件(同一含水率20%和干密度1.75 g/cm3)下的凍結深度隨時間變化曲線，如圖10所示，在凍結初期，凍結深度發展較快，隨后逐漸減緩，一定時間后，凍結深度基本不變，達到凍結穩定階段。穩定后的凍深在-10、-15、-20 ℃時分別為33.5、59.6、69.6 mm，可見凍深隨溫度降低而增加，但在-15 ℃以上凍深增加幅度較大，-15 ℃以下則幅度較小，且凍深穩定與溫度場穩定時間基本一致。

圖10 不同溫度下凍結深度隨時間變化曲線Fig.10 Relation curves between frozen depth and time under different temperature

2.1.3 水分場測試

凍結試驗結束后，將試樣取出并沿高度分別切割成薄片，測得相應的含水率分布。試驗結果顯示，各試樣凍后的水分分布情況大致相同[11]，以凍結溫度為-20 ℃，含水率分別為20%、22%、24%的試樣A1、A2、A3為研究對象，從圖11中可以看出，已凍區的含水率比初始含水率大，未凍區的含水率比初始含水率小，最靠近冷端的位置，含水率基本不變，當逐漸遠離冷端時，含水率逐漸增大，直至增大到一個最大值，含水率迅速減小到低于初始含水率水平。對含水率為20%、22%、24%的試樣，其含水率最大值分別達到24.6%、25.1%、26.3%，而暖端含水率則分別降低到15.5%、16.7%、17.9%。 這是由于在靠近冷端的位置，溫度梯度較大，土樣迅速降溫凍結，水分還來不及遷移，基本為原位凍結，所以水分增長不明顯。隨著凍結鋒面的推進，溫度梯度逐漸減小，凍結鋒面的移動速度有所減緩，出現較顯著的水分遷移，使含水率增大，A1土樣在-20 ℃凍結深度穩定在69.6 mm，當高度超過凍結鋒面后，溫度高于凍結溫度，水分不斷從暖端向凍結鋒面遷移，最終在凍結緣附近集聚，故凍結緣附近含水率最大，各試樣出現最大含水率的位置均為60～80 mm處，與凍結深度一致。圖12所示為3種溫度(同一含水率20%)下的凍后水分分布。可見隨溫度降低，凍結深度增大，含水率最大值位置提高，在-10、-15、-20 ℃下含水率最大值分別為23.9%、23.9%、24.6%，而暖端含水率分別降低到16.6%、17.2%、15.5%。

圖11 不同初始含水率凍后水分沿試樣高度分布Fig.11 Distribution of moisture along the sample height after freezing at different initial moisture content

圖12 不同冷端溫度下凍后水分沿試樣高度分布Fig.12 Distribution of moisture along the sample height after freezing at different cold junction temperatures

2.1.4 冷生構造

通過對凍結試樣進行觀察分析，凍土構造縱剖面可分為4個帶，如圖13所示。

圖13 土體冷生構造圖Fig.13 Soil cryogenic structures schematic diagram

(1)整體狀構造帶，圖中A線以下部分，這部分靠近冷源，因此孔隙水迅速完成了原位凍結，基本沒有水分的遷移。這部分特點是有較少的橫向細小裂紋，肉眼幾乎看不到冰晶[12]。

(2)薄層狀構造帶，圖中AB線范圍內，此范圍內凍結鋒面移動速度持續減慢，少量孔隙水從未凍土遷移到凍結鋒面處凍結，形成薄層狀冰透鏡體。特點是冰透鏡體較密集，自下而上冰層逐漸增厚，水平連續性變好。

(3)分凝冰厚夾層構造帶，圖中BC線范圍內，此范圍內有一條較厚的冰帶，此帶以上為凍結緣，在凍結速率很小時，水分不斷集聚于此，當持續時間足夠長，則形成了分凝冰厚夾層。

(4)未凍土，即圖中的C線以上部分，這部分土在凍結溫度以上，含水率減少，存在固結作用，因此干密度比凍結試驗前增大。

2.2 融沉分析

凍土融沉的原因在于膠結冰相變成水，在自重應力和外荷載作用下孔隙水排出，土體產生體積壓縮。從表3可以看出，當含水率升高和溫度降低時，其融沉量呈現增大的態勢[13]，其他條件相同時，含水率由20%到24%，融沉量增加了31%，即含水率每提高1%，融沉量增加7.75%。隨含水率增加，融沉量變化幅度減小。而溫度從-10 ℃到-20 ℃，融沉量增加85.7%，增加幅度顯著。因為溫度降低時，土中未凍水含量減少，已凍水增加，導致凍脹量和融沉量均有所增加。

根據經典凍土力學概念，通過推導可得土層豎向應變為

ε=a0+mVΔp

(2)

式(2)中：a0為融沉系數；mV為體積壓縮系數；Δp為豎向應力。由初始荷載(10 kPa)融沉試驗可得a0=5.6%，結合各級荷載100、300、500 kPa下的融沉量，利用式(2)進行線性擬合得到mV=0.1 MPa-1(R2=0.94)。

表3 融沉試驗結果

3 結論

對淮南弱膨脹土進行了不同條件下的凍脹和融沉試驗，并測定和分析了土中溫度分布和水分遷移的規律，得到以下結論。

(1)土體凍脹率隨含水率增加而增大，含水率每增加1%凍脹率則增大0.4%，可見含水率對凍脹率影響較大。凍結初期凍脹速率較快，隨后緩慢降低，33 h后趨于平穩，凍脹率隨時間關系可由指數函數y=a(1-e-bt)描述。當冷端溫度較低時，土體中溫度梯度大，凍結鋒面推進速度快，土體凍脹率有限，而當冷端溫度升高時，水分遷移量增加，土體凍脹率隨之增大。隨著干密度的提高，凍脹率前期增長較快，后期增長幅度減少。另外，當土體硫酸鹽含量增加時，凍脹量受到抑制而相應減小。

(2)接近冷端位置時，土體降溫速率最快，且迅速達到穩定狀態，離冷端越遠，降溫速率越慢，最終穩定溫度越高。試樣凍結深度也呈現初期發展速度快，隨后逐漸減緩以致最后趨于穩定的態勢，且隨溫度降低而增加。

(3)凍結區含水率比初始含水率大，未凍區含水率比初始含水率小，含水率最大的部位出現在凍結緣附近，與凍結深度基本一致。

(4)土體融沉量隨含水率的升高和溫度的降低而增大，由不同荷載下的融沉量可確定融沉系數和體積壓縮系數，可為計算凍土沉降提供參數。