東北地區(qū)季節(jié)性凍土期水工混凝土凍融膨脹觀測(cè)試驗(yàn)研究

汪海龍

(大石橋市水利工程移民局,遼寧 營(yíng)口 115100)

季節(jié)性凍土在北方地區(qū)較為普遍,而在季節(jié)性凍土期水工混凝土的凍融膨脹對(duì)水工建筑物的安全造成影響。因此在北方地區(qū),水利工程設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮水工混凝土在季節(jié)性凍土期的凍融膨脹問(wèn)題。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)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(cè)試驗(yàn)的方式,對(duì)混凝土凍融膨脹階段的含水率變化進(jìn)行試驗(yàn)分析。但這部分研究成果大都針對(duì)道路工程研究較多[6- 9],水利工程研究還較少,蔡正銀[10]對(duì)某輸水工程地基土鹽-凍脹特性進(jìn)行試驗(yàn)研究,研究結(jié)果表明地基土樣凍融膨脹造成輸水工程較為嚴(yán)重的水頭損失。在遼寧地區(qū)冬季較為寒冷,季節(jié)性凍土更為明顯,為此水利工程設(shè)計(jì)需要考慮地區(qū)季節(jié)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(shí)例,對(duì)該區(qū)域進(jìn)行凍融膨脹觀測(cè)試驗(yàn)。分析成果可以為水利工程設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值。

1 土樣制備及試驗(yàn)方法

1.1 土樣采集方法

土樣采集時(shí),主要采集地表深度為3～4m的樣土,密封包裝后結(jié)合GB/T50123- 1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)試驗(yàn)土樣進(jìn)行四分方法的剔除和篩選。首先對(duì)試驗(yàn)土樣進(jìn)行溶解性試驗(yàn)。土樣溶解性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(duì)試驗(yàn)土體的顆粒粒徑進(jìn)行級(jí)配分析,分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)土樣溶解性試驗(yàn)結(jié)果

表2 試驗(yàn)土樣的粒徑分布曲線

1.2 觀測(cè)試驗(yàn)儀器

本次凍融觀測(cè)試驗(yàn)儀器主要分為3個(gè)部分,第一部分為凍融觀測(cè)試驗(yàn)筒，第二部分溫度控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng),第三部分為土樣凍融膨脹變形監(jiān)測(cè)儀器。其中凍融觀測(cè)試驗(yàn)筒的直徑為100mm,其內(nèi)壁厚度為35mm,整個(gè)筒的高度為150mm,在其筒深縱向每隔30mm安裝一個(gè)熱源靈敏傳感器。在凍融觀測(cè)試驗(yàn)筒頂部安裝凍結(jié)底板,底板直徑為300m,底板厚度為30mm,在凍結(jié)底板設(shè)置多個(gè)單孔,保證冷卻液的循環(huán)制動(dòng),在其頂部設(shè)置4個(gè)進(jìn)出排水孔,試驗(yàn)筒的底部安裝固定板,固定板的厚度為15mm,在其內(nèi)部安裝環(huán)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(cè)試驗(yàn)不因膨脹而變形。第二部分的溫度控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng),主要采用國(guó)產(chǎn)的溫控系統(tǒng),其溫控的精度為0.2℃。第三部分為混凝土變形監(jiān)測(cè)儀器,該儀器由磁儀器和試驗(yàn)觀測(cè)筒構(gòu)成,本次變形監(jiān)測(cè)的測(cè)試高程為60mm,膨脹試驗(yàn)的精度為0.05mm。

1.3 試驗(yàn)步驟

本次混凝土凍融膨脹試驗(yàn)主要分為5個(gè)步驟。

(1)對(duì)試驗(yàn)土樣的主要物理特性進(jìn)行分析,測(cè)定土樣的溶解性和顆粒粒徑大小。

(2)凍融試驗(yàn)：在試驗(yàn)前可進(jìn)行空載試驗(yàn),保證儀器的運(yùn)轉(zhuǎn)通暢,在觀測(cè)筒外部包圍10cm的保溫層,確保試驗(yàn)土樣在同一個(gè)溫度層進(jìn)行試驗(yàn)。

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

(4)凍結(jié)試驗(yàn)：結(jié)合溫度控制系統(tǒng),對(duì)試驗(yàn)土樣逐步降低溫度,降溫速度控制在0.6℃/h。

(5)凍結(jié)含水率測(cè)定：在凍融膨脹穩(wěn)定階段后,關(guān)閉溫度調(diào)控系統(tǒng),自土樣頂部每3cm逐步向下取土,采用烘干方法對(duì)取土土樣進(jìn)行含水率的測(cè)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 凍融膨脹過(guò)程試驗(yàn)結(jié)果

分別對(duì)細(xì)粒和粗砂土進(jìn)行凍融膨脹觀測(cè)試驗(yàn),觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3和表4,并繪制了兩種質(zhì)地下凍融膨脹變化曲線,如圖1所示。

從表1中可以看出,細(xì)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?yàn)楹实脑黾?使得凍融階段凍結(jié)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(yīng)有所增加。從圖1可以明顯看出,細(xì)粒在凍融過(guò)程分為兩個(gè)階段,第一階段為凍融初始階段,這一階段隨著凍融時(shí)間的增加,凍融膨脹量有所下降,這主要是因?yàn)樵诔跏純鋈陔A段,細(xì)粒土孔徑較小,不易發(fā)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(guò)程,凍融膨脹曲線梯度逐步增加,并達(dá)到最大,在凍融穩(wěn)定階段,凍融膨脹量較為穩(wěn)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?yàn)榇稚巴亮捷^大,凍融量明顯高于細(xì)粒。在凍融階段和穩(wěn)定階段,凍融量的發(fā)展過(guò)程和細(xì)粒過(guò)程較為相似。在凍結(jié)階段粗砂土凍融量增加較為明顯,而在凍融穩(wěn)定階段,凍融量較為穩(wěn)定。

表3 細(xì)粒土不同含水率下的凍融膨脹變化試驗(yàn)結(jié)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(guò)程圖

2.2 土樣含水率與凍融膨脹率相關(guān)性試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合凍融膨脹試驗(yàn)含水率測(cè)定結(jié)果,分析了細(xì)粒和粗砂土凍融膨脹率和含水率之間的相關(guān)性,相關(guān)性分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同土樣含水率與凍融膨脹率相關(guān)圖

從圖2可以看出,含水率和凍融膨脹率具有較好的相關(guān)性。細(xì)粒土的含水率和凍融膨脹率相關(guān)系數(shù)為0.8472,粗砂土含水率和凍融膨脹率的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8761,其相關(guān)性好于細(xì)粒土,這主要和細(xì)粒土以及粗砂土的粒徑相關(guān),粒徑較大,其相關(guān)性較好,粒徑較小的細(xì)粒土相關(guān)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(guān)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(yàn)結(jié)果

結(jié)合試驗(yàn)成果,分析了不同土樣在凍融膨脹階段含水率縱向分布,結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 細(xì)粒土含水率縱向變化試驗(yàn)結(jié)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(yàn)6～9cm之間,屬于凍結(jié)較為嚴(yán)重的區(qū)域。而在1～3cm的區(qū)域?qū)儆诓灰變鼋Y(jié)的區(qū)域。隨著土樣高度的降低,含水率也逐步增加,不易發(fā)生凍融膨脹。對(duì)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(yàn)結(jié)果

同,其含水率縱向分布不同,在試驗(yàn)8～9cm之間,屬于凍結(jié)較為嚴(yán)重的區(qū)域,而在2～3cm屬于不易凍結(jié)的區(qū)域,可見(jiàn)不同材質(zhì)的土樣,其凍融膨脹發(fā)生階段的深度不同。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)東北地區(qū)季節(jié)性凍土期水工混凝土凍融膨脹進(jìn)行觀測(cè)試驗(yàn)研究,得出結(jié)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(wěn)定階段,其凍融膨脹率逐步較小,凍融膨脹增長(zhǎng)率最低；含水率與凍融膨脹率具有較好的線性關(guān)系,在施工階段,應(yīng)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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