中俄原油管線凍土的凍脹性研究

郭潤麒,姜凱涵，蘭巖松，李康一，王紅梅

(黑龍江大學 建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

土的凍脹性是指土體受凍后體積發(fā)生膨脹的性質(zhì)，而土體本身的顆粒大小、含水率、土的礦物質(zhì)成分、土中的溫度等與土的凍脹性是密不可分的。如裴向軍等[1]研究發(fā)現(xiàn)不同巖性的巖石在干濕兩個環(huán)境條件下的凍融應(yīng)變過程不同，飽水巖樣的凍融應(yīng)變過程分為8個階段而干燥巖樣的凍融應(yīng)變分為5個階段；劉泉生等[2]研究發(fā)現(xiàn)裂隙的凍脹擴展以凍脹荷載為主；銀英姿等[3]發(fā)現(xiàn)土壤水分狀態(tài)對凍深的變化具有重要作用；楊利民等[4]研究表明地基土表面最大可能的凍脹量與北緯度和凍結(jié)指數(shù)不符合隨機正態(tài)分布的關(guān)系；吉延峻等[5]發(fā)現(xiàn)富有機質(zhì)的粉質(zhì)黏土凍脹率最大；姜洪舉等[6]發(fā)現(xiàn)地表10 cm土層可能由于風干蒸發(fā)作用，其凍脹率很小可忽略不計；陳文等[7]研究發(fā)現(xiàn)地下水位對凍害現(xiàn)象影響很大，當?shù)叵滤疁\埋時，高速公路的凍害現(xiàn)象十分嚴重；吳禮舟等[8]研究發(fā)現(xiàn)飽和狀態(tài)下凍土的凍脹率與干密度成反比；夏才初等[9]研究發(fā)現(xiàn)裂隙對不同巖性巖體不均勻凍脹影響存在差別，孔隙率較大的巖體裂隙產(chǎn)生的影響較小，反之孔隙率較小的巖體裂隙產(chǎn)生的影響較大；汪恩良等[10]發(fā)現(xiàn)當粗砂土含水率一定時，粗砂土凍脹率隨試樣干密度增大而增大；汪恩良等[11]發(fā)現(xiàn)試樣初始含水率越高，試樣在凍融交界面附近土體含水量增幅越大；于艷春等[12]發(fā)現(xiàn)路基內(nèi)初始含水率的變化對路基各邊界表面位置凍脹變形的影響程度由大到小依次為路基路肩、路基中心、路基坡腳和天然地表；因此凍土的凍脹性研究具有深遠意義[13-14]。

1 工程地質(zhì)資料

中俄原油管線地形復雜，現(xiàn)選取如下段進行研究，23站至22站段；24站林場東南段；瓦拉干鎮(zhèn);秀峰至塔河段；秀峰南18 km段；干部河段；小西魯嘎河段;新林區(qū)北段;具體信息見表1。

表1 工程地質(zhì)資料

2 土中含水量對凍脹性的影響

國內(nèi)很多研究表明(戴惠民等[15])，土中凍前含水量對土的凍脹有一定影響，但不是全部水分而是超出起始凍脹含水量的水分，其關(guān)系一般用式(1)表達：

Kd=α(W-Wp)

(1)

式中：Kd為凍脹率，%,；α為系數(shù)；W為凍土層內(nèi)凍前平均含水量，%；Wp為起始凍脹含水量(相當于塑限)，%。

Kd=0.47(W-Wp)

(2)

根據(jù)式(2)計算土凍脹分類含水量界限值，并參照有關(guān)資料進行修正。

Ⅰ類不凍脹土：Kd≤1，則W≤Wp+2.1，取W≤Wp+2；

Ⅱ類弱凍脹土：1

Ⅲ類凍脹土：3.5

Ⅳ類強凍脹土：6

Ⅴ類特強凍脹土：Kd>15，亦即W>Wp+32。

3 凍脹等級分類

經(jīng)過研究計算后，將上述地段土質(zhì)進行凍脹等級分類，如表2所示。

表2 凍脹等級分類

由表2可知，泥炭質(zhì)黏土與粉質(zhì)黏土因其所在地點不同，從而其含水量與凍脹等級不同，在濕地、沼澤、山前洼地等含水量大的地帶，凍脹等級偏高；在林地、低山丘陵、灌木叢等含水量相對小的地帶，凍脹等級偏低。經(jīng)計算后列表可初步得出泥炭質(zhì)黏土與粉質(zhì)黏土的凍脹量隨著其所在位置的含水量呈線性關(guān)系。

根據(jù)工程地質(zhì)條件以及現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進行了不同含水率下泥炭質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土凍脹等級的分析如圖1，圖2所示。結(jié)果表明，泥炭質(zhì)黏土隨著含水率的增加其凍脹等級隨之增大，而粉質(zhì)黏土并沒有明顯的這種現(xiàn)象。這是由于泥炭質(zhì)黏土中含碳量更大，從而吸附性更強，更容易發(fā)生凍脹。土的凍脹性并不只能單獨考慮其土體性質(zhì)和其含水率去預(yù)估其凍脹性，而是應(yīng)考慮其地理位置，地形等綜合條件去分析其凍脹性。

圖1 泥炭質(zhì)黏土天然含水率與凍脹等級關(guān)系

圖2 粉質(zhì)黏土天然含水率與凍脹等級關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)研究表明，泥炭質(zhì)黏土與粉質(zhì)黏土相比，泥炭質(zhì)黏土更容易發(fā)生凍脹，其本質(zhì)原因是泥炭質(zhì)黏土中含有大量碳元素，其吸附性更強，更容易吸收水分，從而易發(fā)生凍脹。

(2)研究發(fā)現(xiàn)在濕地沼澤處多為多冰凍土區(qū)或富冰凍土區(qū)，易發(fā)生凍脹現(xiàn)象從而形成凍脹丘或冰錐，因此施工采用保溫管道埋設(shè)+換填+土工布等施工方法進行鋪設(shè)，從而減少水分的補給避免造成更大的破壞；而在山丘、山脊處多為花崗巖全風化或強風化基巖，基本不會產(chǎn)生凍脹破壞，因此施工采用傳統(tǒng)鋪設(shè)；所以在類似此地形處施工應(yīng)避免濕地、沼澤、淺灘等地段進行施工，避免發(fā)生工程凍害。

(3)影響凍土的凍脹性因素有很多，但根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)含水率對于土的凍脹性影響最大，含水率越高則凍脹率越大。