季凍區(qū)路基填土凍脹特性試驗(yàn)研究

崔宏環(huán)，王偉浩，閆子麟，邢辰，孫利成

(河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

凍土是具有負(fù)溫并含有冰的土類和巖石，土體處于負(fù)溫的環(huán)境下，孔隙中部分水分凍結(jié)成冰導(dǎo)致土體原有的熱學(xué)平衡被打破，受溫度梯度影響，未凍結(jié)區(qū)內(nèi)水分向凍結(jié)鋒面遷移并遇冷結(jié)成冰，凍結(jié)鋒面附近各相成分的受力狀況發(fā)生變化，土骨架受拉分離，水分聚集形成冰透鏡體，隨著凍結(jié)鋒面推移以及水分進(jìn)一步遷移和集聚，土體體積增大發(fā)生凍脹現(xiàn)象。張家口地區(qū)為典型的季凍區(qū)，由于路基存在凍脹現(xiàn)象，對(duì)季凍區(qū)道路正常運(yùn)營(yíng)造成很大影響。

常法等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的路基土水分變化，分析對(duì)路基的凍脹影響；毛雪松等通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析路基內(nèi)部水分和溫度在時(shí)間和空間上的變化；邴慧等通過(guò)對(duì)開(kāi)放系統(tǒng)條件下粉質(zhì)紅黏土凍脹試驗(yàn)分析，得到土體變形主要是因?yàn)橥林兴脑粌雒浐瓦w移水凍脹；程培峰等研究粉砂土在不同含水率和壓實(shí)度情況下的凍脹試驗(yàn)，得到了不同條件下的凍脹率；李?yuàn)^等在不同含水率和壓實(shí)度條件下對(duì)青藏地區(qū)的黏土和粉質(zhì)黏土進(jìn)行凍脹試驗(yàn)，得到凍脹率與含水率、壓實(shí)度之間的規(guī)律；陳文等對(duì)不同含水率和重度值的土樣進(jìn)行試驗(yàn)，分析含水率與重度值對(duì)凍脹性的影響；王瑞分析了兩種不同土質(zhì)的凍脹率在不同壓實(shí)度情況下的變化規(guī)律；吳東軍等通過(guò)自主研發(fā)的凍融裝置，在開(kāi)放系統(tǒng)下進(jìn)行了單向凍結(jié)深厚表土試驗(yàn),得到含水率和溫度與凍脹率的關(guān)系；李建宇等在封閉條件下對(duì)包蘭線路基土進(jìn)行凍脹試驗(yàn)，研究在不同含水量、密實(shí)度下的凍脹特性；魏厚振等通過(guò)改變飽和粉土試樣的高度與邊界溫度，進(jìn)行凍脹試驗(yàn)，研究其水分遷移和水分重分布的變化規(guī)律；程培峰等通過(guò)對(duì)凍土區(qū)內(nèi)凍土進(jìn)行凍脹試驗(yàn)，分析了凍脹率與含水率、壓實(shí)度等變量之間的關(guān)系。該文以張家口地區(qū)路基填土作為研究對(duì)象，通過(guò)自主研發(fā)的凍脹試驗(yàn)機(jī)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，揭示大尺寸試樣在開(kāi)放系統(tǒng)條件下頂端溫度對(duì)路基填土的凍脹影響機(jī)理，為張家口地區(qū)以及類似地區(qū)的道路路基凍害整治提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

河北張家口地區(qū)為典型的季節(jié)性凍土區(qū)域，其分布著廣泛的凍土，此次試驗(yàn)選取張家口地區(qū)的路基填土，首先進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，得到了土樣的基本物理指標(biāo)如表1所示，由于破壞了原狀土樣，因此盡量保證所配試樣與原狀土樣參數(shù)一致，減少試驗(yàn)的誤差。

表1 試驗(yàn)土樣基本物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

室內(nèi)試驗(yàn)所用設(shè)備為自主設(shè)計(jì)的試樣凍脹機(jī)，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)包括土工凍脹試驗(yàn)機(jī)恒溫箱體、兩個(gè)水浴降溫循環(huán)裝置、溫度、水分與位移檢測(cè)系統(tǒng)和補(bǔ)水系統(tǒng)等，其中凍脹機(jī)恒溫箱體外形尺寸約為2 m×2 m，恒溫箱體最佳恒溫波動(dòng)度為±0.2 ℃，兩個(gè)水浴降溫源循環(huán)裝置分別連接降溫頂板與底板，其最佳波動(dòng)范圍為±0.1 ℃，適用于-20～60 ℃的凍土凍脹試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中溫度可通過(guò)水浴箱上部控制面板調(diào)節(jié)。

其內(nèi)部示意圖如圖2所示，試樣高80 cm，直徑20 cm，在試樣桶側(cè)面自上而下插入5個(gè)水分測(cè)量傳感器,并編號(hào)為S1～S5，記錄試樣在不同高度的水分隨時(shí)間的變化過(guò)程，其中每個(gè)傳感器豎向間距約為20 cm，精度為0.01%。自上而下插入6個(gè)溫度測(cè)量熱電偶，并編號(hào)為W1～W6，記錄試樣在不同高度的溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程，其中每個(gè)熱電偶的豎向間距約為11.4 cm，精度為0.1 ℃，在降溫頂板頂部安裝豎向變形測(cè)量傳感器，記錄試樣因凍脹豎向位移隨時(shí)間的變化過(guò)程，測(cè)量范圍為0～30 mm，精度為0.1 mm。且3個(gè)傳感器計(jì)數(shù)間隔均為60 s。

圖1 土工凍脹試驗(yàn)機(jī)

圖2 土工凍脹試驗(yàn)內(nèi)部示意圖(單位：cm)

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中降溫頂板溫度值取-5、-10和-15 ℃。

試驗(yàn)前先將土置于烘箱內(nèi)，烘干24 h，使其中水分充分揮發(fā)，按初始含水率為14%的土水配合比配土，配成土放入保鮮袋中燜24 h，使土水充分混合，隨后將燜置過(guò)的土擊入試樣桶內(nèi)制備試樣備用，分別對(duì)試樣進(jìn)行編號(hào)。

固定試樣桶于凍脹恒溫箱中，試驗(yàn)前將試樣置于恒溫環(huán)境中穩(wěn)定24 h，恒溫階段將降溫頂板與降溫底板按設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)試樣斷面監(jiān)測(cè)的溫度達(dá)到穩(wěn)定值后，再調(diào)節(jié)降溫頂板的溫度值，開(kāi)始進(jìn)行自上而下的單向凍結(jié)試驗(yàn)。試驗(yàn)全程均在補(bǔ)水條件下進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍脹量變化分析

土體凍脹主要是由于毛細(xì)水遷移引起的。隨著溫度的降低，顆粒表面水分凍結(jié)形成冰晶，此時(shí)試樣中水的相變熱與散熱不平衡，引起水沿毛細(xì)水分通路上升至凍結(jié)鋒面附近發(fā)生凍結(jié)，冰晶體積逐漸變大形成冰透鏡體，隨著凍結(jié)鋒面的下移，水分持續(xù)遷移，冰透鏡體增加并擠壓周圍土體產(chǎn)生凍脹。

圖3為不同頂端溫度(-5、-10、-15 ℃)條件下凍脹量隨時(shí)間的變化過(guò)程。

圖3 凍脹量隨時(shí)間的變化過(guò)程

由圖3可以看出：① 不同頂端溫度條件下凍脹量隨時(shí)間變化均有先快速增加再緩慢增加最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，原因是開(kāi)始階段土樣上部發(fā)生凍結(jié)作用，土體間孔隙中的水分結(jié)冰，并形成冰透鏡體向上擠壓土體，使凍脹量增長(zhǎng)較快；隨著時(shí)間增加，凍結(jié)鋒面下移，孔隙內(nèi)形成的冰晶也會(huì)阻礙水分遷移，影響冰透鏡體增加，使凍脹量增加緩慢；時(shí)間再增加，試樣中水的相變熱與散熱形成新的動(dòng)態(tài)熱平衡，凍結(jié)鋒面不再移動(dòng)，水分不再發(fā)生遷移，冰透鏡體不再增加，使凍脹量逐漸趨于穩(wěn)定；② -10 ℃對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)凍脹量最大，-5 ℃次之，-15 ℃最小，原因在于-10 ℃條件下土樣中的水分更易發(fā)生遷移，水分補(bǔ)充量大，單位時(shí)間內(nèi)上部?jī)鼋Y(jié)區(qū)內(nèi)冰透鏡體增加量較大，冰透鏡體擠壓土體使凍脹量增加量變大。-5 ℃與-10 ℃條件相比，土樣中的水分在土樣中遷移速率相對(duì)變慢，水分補(bǔ)充量相對(duì)變少，冰透鏡體的增加量相對(duì)減小，凍脹量較低。-15 ℃時(shí)，雖然此時(shí)的溫度最低，但此時(shí)土樣凍結(jié)速率也很大，導(dǎo)致試樣中部分水分沒(méi)有發(fā)生遷移便發(fā)生原位凍結(jié)，水分補(bǔ)充較-5 ℃時(shí)更少，從而使凍脹量最小。

凍脹速率為單位時(shí)間內(nèi)凍脹量的增量，即：

(1)

式中：Vη為凍脹速率(mm/h)；Δh為凍脹量的變化量(mm)；Δt為時(shí)間增量(h)。

圖4為不同頂端溫度下的凍脹速率隨時(shí)間的變化過(guò)程。

圖4 凍脹速率隨時(shí)間的變化過(guò)程

由圖4可以看出：隨著凍結(jié)的發(fā)展，凍脹速率均呈現(xiàn)先降低再穩(wěn)定的趨勢(shì)，-10 ℃對(duì)應(yīng)的凍脹速率的變化速率最大且最早達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，原因在于頂端溫度在-10 ℃條件下土樣中的水分更易發(fā)生遷移，單位時(shí)間內(nèi)冰透鏡體更易形成，對(duì)水分遷移的影響越發(fā)明顯，使凍脹量增量減小，凍脹速率變化速率最大，且最早達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 凍脹率分析

凍脹率為凍脹量與凍結(jié)高度的比值，即：

(2)

式中：η為凍脹率；Δh為凍脹量(mm)；H為凍結(jié)高度(mm)。

定義凍脹量變化的3個(gè)階段內(nèi)的凍脹率分別為快增狀態(tài)凍脹率、慢增狀態(tài)凍脹率和穩(wěn)定狀態(tài)凍脹率。每個(gè)頂端溫度下均在其各階段中取一個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的凍脹率來(lái)代表各狀態(tài)凍脹率進(jìn)行分析，作出圖5不同狀態(tài)凍脹率與頂端溫度關(guān)系圖。

圖5 凍脹率與頂端溫度關(guān)系散點(diǎn)圖

由圖5可以看出：快增狀態(tài)凍脹率在-10 ℃條件時(shí)最大，慢增狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)應(yīng)的凍脹率隨頂端溫度的降低有下降的趨勢(shì)，原因是開(kāi)始階段凍結(jié)作用顯著，凍脹量對(duì)凍脹率的影響相對(duì)較大，且-10 ℃更易使水分在土樣中發(fā)生遷移，使對(duì)應(yīng)凍脹量增大，凍脹率出現(xiàn)比-5 ℃與-15 ℃高的情況，而慢增狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)凍脹量變化不明顯，凍結(jié)高度對(duì)凍脹率的影響相對(duì)較大，使凍脹率隨頂端溫度降低逐漸降低。

圖6為穩(wěn)態(tài)凍脹率與頂端溫度關(guān)系。

圖6 頂端溫度與穩(wěn)態(tài)凍脹率關(guān)系圖

由圖6可以看出：穩(wěn)態(tài)凍脹率隨著頂板溫度的降低呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，即-5 ℃最大，-10 ℃次之，-15 ℃最小。原因在于隨著頂板溫度的降低，凍結(jié)范圍相應(yīng)增大，凍結(jié)高度增大，穩(wěn)定后的凍脹率減小。

對(duì)慢增狀態(tài)凍脹率和穩(wěn)定狀態(tài)凍脹率與頂端溫度的關(guān)系進(jìn)行擬合得到擬合曲線圖，如圖7所示。

圖7 凍脹率與頂端溫度擬合曲線圖

由圖7可知：① 在凍脹量緩慢增長(zhǎng)階段擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R=0.935 78，慢增狀態(tài)凍脹率與頂端溫度的關(guān)系方程為η=0.005 93T+0.110 7；② 在凍脹量穩(wěn)定階段擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R=0.944 6，穩(wěn)定狀態(tài)凍脹率與頂端溫度的關(guān)系方程為η=0.006 58T+0.122 8。

2.3 溫度變化分析

圖8為3種頂端溫度情況下，不同時(shí)刻試樣內(nèi)部溫度沿深度的分布圖，時(shí)間間隔為12 h。

圖8 試樣內(nèi)部溫度沿高度分布圖

由圖8可知：在0時(shí)刻，經(jīng)過(guò)凍脹機(jī)恒溫循環(huán)系統(tǒng)處理后，不同高度處的溫度達(dá)到恒定值，故為一條豎直線條，隨著凍結(jié)的發(fā)展，同一深度處的溫度降低幅度越來(lái)越小，最后穩(wěn)定在一個(gè)溫度值，于是溫度沿深度的分布曲線也由12 h時(shí)刻的非線性弧形線條逐漸發(fā)展成具有一定線性關(guān)系的直線。原因是內(nèi)部溫度變化主要與水分凍結(jié)作用有關(guān)，隨著凍結(jié)的發(fā)展，土樣內(nèi)部水分最終會(huì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，且距離冷端越近的位置水分凍結(jié)效果越明顯。

2.4 水分變化分析

圖9為在-5 ℃條件下土樣內(nèi)部不同深度處水分隨時(shí)間的變化曲線。由圖9可以看出：

圖9 -5 ℃條件下不同深度處水分隨時(shí)間的變化曲線

(1) 在0 cm深度處，體積含水率直接大幅度減小。原因在于，此位置距離冷源最近，相當(dāng)于表層，在溫度達(dá)到土體凍結(jié)溫度后水分發(fā)生原位凍結(jié)，土粒間孔隙內(nèi)含冰量增加，試件上部由未凍結(jié)區(qū)漸變?yōu)閮鼋Y(jié)區(qū)，凍結(jié)鋒面在兩區(qū)域之間存在，雖然凍結(jié)鋒面處水分變化明顯，但是孔隙內(nèi)的冰晶對(duì)水分向上遷移有一定阻礙作用，使水分由于水結(jié)冰產(chǎn)生的減小量大于水分由于自下而上遷移的增加量，出現(xiàn)大幅度減小。

(2) 在20 cm深度處，體積含水率的減小由小幅度變?yōu)榇蠓?。原因在于此位置距冷端較近，相當(dāng)于淺層，開(kāi)始階段此位置主要充當(dāng)水分遷移通道，維持上部由于凍結(jié)作用發(fā)生的水分變化，水分隨著凍結(jié)的發(fā)展，凍結(jié)鋒面移動(dòng)到20 cm深度附近，此時(shí)作為發(fā)生凍結(jié)作用的區(qū)域，水分發(fā)生大幅減少。

(3) 0 cm深度處的體積含水率達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間與20 cm深度處的體積含水率開(kāi)始發(fā)生明顯減小的時(shí)間存在一定的時(shí)間差。原因是水分傳感器分布有一定間隔，這個(gè)時(shí)間差是凍結(jié)鋒面由上到下移動(dòng)的時(shí)間。

(4) 在40 cm及以下深度處，體積含水率基本呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)，凍脹現(xiàn)象不明顯，原因在于40 cm深度以下距冷端較遠(yuǎn)，相當(dāng)于深層，水分的凍結(jié)作用相對(duì)較弱，最大凍深處為20～40 cm，且開(kāi)放系統(tǒng)下凍脹過(guò)程中一直有補(bǔ)水瓶中的水分補(bǔ)充，使體積含水率保持穩(wěn)定。

3 結(jié)論

(1) 不同頂端溫度條件下的凍脹量隨凍結(jié)的發(fā)展均有先增大后穩(wěn)定的趨勢(shì)，穩(wěn)定后的凍脹量在頂板溫度為-10 ℃時(shí)最大，-5 ℃時(shí)的凍脹量次之，-15 ℃時(shí)的凍脹量最小。凍脹速率隨凍結(jié)的發(fā)展呈現(xiàn)先減小后穩(wěn)定的趨勢(shì)，在-10 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的凍脹速率減幅大，且達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間最短。

(2) 快增狀態(tài)凍脹率在-10 ℃條件時(shí)最大。慢增狀態(tài)和穩(wěn)態(tài)對(duì)應(yīng)的凍脹率隨頂端溫度的降低有下降的趨勢(shì)，得到慢增狀態(tài)凍脹率與頂端溫度的關(guān)系方程為η=0.005 93T+0.110 7，穩(wěn)定狀態(tài)凍脹率與頂端溫度的關(guān)系方程為η=0.006 58T+0.122 8。

(3) 試樣內(nèi)部溫度沿深度逐漸由非線性分布發(fā)展到線性分布。

(4) 頂端溫度作用對(duì)不同深度處水分的凍結(jié)與遷移均有不同的影響，最大影響深度不超過(guò)40 cm。0 cm深度處與20 cm深度處的體積含水率變化較明顯，最大凍深處為20～40 cm，40 cm及以下深度處，體積含水率基本呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)。