人工凍結(jié)富水卵石土凍脹特性研究

吳 鎮(zhèn)， 王 磊， 賈 鋒， 何亞夢， 吳 澤

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計院，山東 濟(jì)南 250022；2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

人工凍結(jié)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(nèi)外采礦工程、基坑支護(hù)、市政工程施工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-5]。目前，人工地層凍結(jié)技術(shù)在滲透系數(shù)及滲流速度較小的黏土、粉土地層中應(yīng)用廣泛[6,7]，但其在滲透系數(shù)及滲流速度較大的卵石地層中的施工技術(shù)及效果仍待進(jìn)一步研究。

土體凍結(jié)后其強(qiáng)度獲得提升，人工凍結(jié)技術(shù)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(nèi)外學(xué)者已對人工凍土的強(qiáng)度特性進(jìn)行了大量的研究[1,2]，并取得了一定的成果。凍土強(qiáng)度特性提高為工程施工提供了可能性，但伴隨土體凍結(jié)而產(chǎn)生的凍脹變形及融沉，亦可能對工程施工產(chǎn)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(xué)者Everett[11]提出了第一凍脹理論即毛細(xì)理論，該理論分別對凍脹及凍脹力進(jìn)行了定量的解釋和估計，并將凍土冰透鏡體產(chǎn)生的原因歸結(jié)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(jié)緣理論，它認(rèn)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(jié)溫度、上覆超載壓力、凍結(jié)緣厚度、凍結(jié)緣的溫度梯度等。分凝勢表示土體內(nèi)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(biāo)，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(gòu)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(guān)參數(shù)，如裝置選材，大小形狀，裝置與土體產(chǎn)生的凍結(jié)摩擦；凍結(jié)外界因素，如溫度梯度、水分條件、凍結(jié)約束力等。

如上文所述，各類土質(zhì)的凍脹特性呈現(xiàn)較大差異，有關(guān)學(xué)者已對細(xì)粒土不同含鹽量及荷載狀態(tài)下的凍脹變形特性進(jìn)行了相關(guān)研究[15,16]，而對于路基工程中的粗粒土，現(xiàn)如今普遍認(rèn)為土體中細(xì)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(shè)的發(fā)展，施工地質(zhì)條件呈現(xiàn)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(jié)技術(shù)的應(yīng)用及優(yōu)化設(shè)計，使探究人工凍結(jié)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(zhì)

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(shù)和曲率系數(shù)分別為Cu=50、Cc=0.5，為級配不良土質(zhì)。

1.2 試驗方案

凍脹試驗通過設(shè)計不同含水量、不同冷端凍結(jié)溫度的卵石土凍結(jié)試驗組，來了解上述兩種因素對該土質(zhì)土體的凍脹變形產(chǎn)生的影響，并進(jìn)行內(nèi)在影響機(jī)制及理論分析。試驗采用下部單向凍結(jié)的方式，分別在含水率為6%、9%、飽和以及補(bǔ)水(9%)的條件下進(jìn)行冷端凍結(jié)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(bǔ)水條件；T代表試驗時底端凍結(jié)溫度，T1和T2分別代表-5℃和-10℃。

圖1 粒徑級配累積曲線

依據(jù)上述試驗方案可將試驗組分為開放式(補(bǔ)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(shù)據(jù)采集裝置及制冷水浴循環(huán)器。試驗裝置整體實物見圖3和圖4。

圖2 凍脹試驗筒設(shè)計圖

1.3 過程控制

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

(2)按試驗設(shè)計配置試驗用土，準(zhǔn)確稱量后，分層置入試驗桶內(nèi)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(jiān)測土體凍脹量。

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

(5)試驗開始后，土樣單向凍結(jié)48 h，在此期間使用數(shù)據(jù)采集儀采集溫度數(shù)據(jù)，4 min/次，凍結(jié)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(nèi)部溫度場變化

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

(1)試驗開始后，除暖端外土體內(nèi)部各測溫點溫度迅速下降，近似呈線性發(fā)展趨勢。試驗開始后24 h左右，試樣內(nèi)各測點溫度達(dá)到穩(wěn)定，且該溫度場分布一直持續(xù)到試驗結(jié)束。

圖5 冷端溫度為-5℃、含水量為6%時不同測點溫度隨凍結(jié)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(jié)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(jié)時間變化曲線

(2)在相同的冷端凍結(jié)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(bǔ)水的條件下，凍結(jié)時溫度下降越慢，分析其原因：凍結(jié)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(jié)速率越慢。

2.2 土體水分遷移現(xiàn)象

土體凍結(jié)過程中，溫度梯度致使土體內(nèi)部水分發(fā)生遷移現(xiàn)象。不同試驗條件下，試樣土體凍結(jié)后含水量與高度關(guān)系曲線見圖8～圖10。由圖可知：

(1)土體內(nèi)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(yuǎn)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(xiàn)象表明，溫度梯度提供了水分遷移的驅(qū)動力，試樣土體中的未凍水向凍結(jié)區(qū)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(guān)系曲線

圖9 冷端溫度為-10℃時，含水量與距冷端距離的關(guān)系曲線

圖10 開放式試樣補(bǔ)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(bǔ)水量相對減少。分析其原因，冷端溫度越低，土體內(nèi)部凍結(jié)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(fù)值，環(huán)境溫度降低導(dǎo)致土體顆粒收縮；凍脹快速發(fā)展階段，凍結(jié)鋒面處水分聚集結(jié)冰，體積增大，形成冰透鏡體；凍脹緩慢發(fā)展階段，土體內(nèi)冰透鏡體繼續(xù)發(fā)展，但自由水含量減少，結(jié)冰速率減慢；穩(wěn)定階段，凍結(jié)鋒面基本穩(wěn)定，凍脹發(fā)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(jié)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(jié)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(tǒng)計于表1中。

表1 人工凍結(jié)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(jié)鋒面的推進(jìn)速度較為緩慢，水分在遷移的過程中得以凍結(jié)，因而凍脹變形大。

(2)相同凍結(jié)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(bǔ)給與凍脹過程幾乎是同步的，凍結(jié)前期，溫度梯度驅(qū)動水分遷移，試樣補(bǔ)水過程中，凍脹也隨之不斷地發(fā)育；當(dāng)凍脹量發(fā)生到某一程度時，雖然凍結(jié)鋒面仍在繼續(xù)發(fā)展，但是隨著土樣的凍結(jié)，土樣內(nèi)孔隙逐漸減少，補(bǔ)水量顯著減少，導(dǎo)致凍脹發(fā)展逐漸變緩，甚至停止。

4 結(jié)論

(1)含水量越高，凍結(jié)時溫度下降越慢，且水分補(bǔ)給可有效減慢凍結(jié)發(fā)展進(jìn)程。

(2)在凍結(jié)過程中，溫度梯度使土體中發(fā)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(xiàn)象。

(3)封閉系統(tǒng)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(tǒng)的凍脹率明顯高于封閉系統(tǒng)，外界水分進(jìn)入并在試樣中發(fā)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(jìn)行人工凍結(jié)法施工時，選擇合適的手段，隔絕外部地下水的補(bǔ)給，并且在凍結(jié)過程中，選擇較低的凍結(jié)溫度，加快凍結(jié)速率，可有效減少凍脹量，減輕凍脹現(xiàn)象產(chǎn)生的危害。