方麗莉

【摘要】凍融作用是凍土力學(xué)和工程首先關(guān)注的問題，凍融試驗研究土體在凍融過程中水分、溶質(zhì)遷移，溫度分布等現(xiàn)象，以及在凍融前后土體物理力學(xué)性質(zhì)的變化。本文在閱讀大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，對凍融試驗的儀器和試驗條件的合理選擇上進(jìn)行了總結(jié)和分析。

【關(guān)鍵詞】綜述；凍融循環(huán)；試驗；方法

1 前言

凍土是廣泛分布于地球表面的一種低溫地質(zhì)體。受氣溫年周期波動的影響，干寒區(qū)地表的土層會產(chǎn)生反復(fù)的凍結(jié)和融化。凍脹和熱融不僅會導(dǎo)致一系列危害國計民生的地質(zhì)災(zāi)害：凍害、鹽害和沙害，而且會給各類工程帶來嚴(yán)重的危害[1]。

凍融試驗研究土體在凍融過程中水分、溶質(zhì)遷移，分凝冰的形成，溫度分布等規(guī)律，以及在凍融前后土體密度、孔隙率、滲透性、界限含水量等物理指標(biāo)和強度、模量等力學(xué)參數(shù)的變化。為了獲取土體的這些變化規(guī)律，必須對土樣進(jìn)行合理的室內(nèi)外試驗。

不同的實驗室有不同的試驗體系，各個國家甚至行業(yè)又有各自的規(guī)范，如何在合理經(jīng)濟(jì)的前提下使其試驗結(jié)果可比，更切合實際是我們亟待解決的問題，也是凍土工程界面臨的重要課題。本文將通過對試驗方法的總結(jié)和分析，給出合理的試驗方法的建議，以保證試驗資料的可比性、重復(fù)性和準(zhǔn)確性，并將室內(nèi)試驗結(jié)果可靠的運用于工程設(shè)計中。

2 凍融試驗

凍融試驗一般是在室內(nèi)進(jìn)行。試驗方法根據(jù)試驗?zāi)康牟煌鳟?，試驗儀器和條件的設(shè)定一般根據(jù)實際需要確定。

2.1試驗儀器

凍融試驗的儀器主要分為三類。

2.1.1傳統(tǒng)試驗機(jī)

試驗一般采用圓柱狀土樣。土樣被放置于帶有溫度探測裝置的有機(jī)玻璃桶內(nèi)，并置于試驗箱內(nèi)。土樣上下端都與控溫設(shè)備相連的壓板接觸，用于對試樣進(jìn)行凍融。此外，端部還可以施加壓力，同時控制試驗的補水或排水條件。設(shè)置在試驗箱內(nèi)，土樣周圍的探頭，可以測量溫度、軸向變形、孔隙水壓力等，通過連接數(shù)據(jù)采集設(shè)備收集數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的凍融試驗裝置如圖1所示。這類試驗機(jī)有的還能進(jìn)行固結(jié)法制樣，然后直接用于凍融試驗。傳統(tǒng)試驗機(jī)注重研究土體的凍脹融沉過程，實時測量土體溫度、變形、孔隙水壓力等參數(shù)。

圖1凍融試驗裝置

2.1.2恒溫箱

用恒溫箱作為凍融的裝置。設(shè)置好溫度后將試樣直接放入箱內(nèi)進(jìn)行凍融循環(huán)，試驗結(jié)束后取出進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)試驗。這類裝置類似“冰箱”，功能比較單一，多數(shù)不能進(jìn)行補排水控制。恒溫箱通常只能進(jìn)行封閉系統(tǒng)的凍融試驗，不注重凍融過程，只是在宏觀上研究凍融作用對土力學(xué)性質(zhì)的影響。

2.1.3綜合類試驗機(jī)

這類儀器在傳統(tǒng)試驗機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，將凍融試驗與材料試驗機(jī)結(jié)合，在凍融循環(huán)后直接進(jìn)行力學(xué)試驗。這類試驗兼具物理和力學(xué)兩種性質(zhì)的試驗，不僅研究凍融過程的微觀變化而且重視凍融試驗后的力學(xué)特性。在試驗條件的控制上也更復(fù)雜：補水排水條件，應(yīng)力施加的方式及大小等。這使得研究更精確，能更真實反映土樣的受力過程和狀態(tài)。

2.2試驗條件

盡管研究者使用的凍融試驗儀器不同，但導(dǎo)致土的凍融效應(yīng)差異的還與試驗條件有很大的關(guān)系。按照凍融進(jìn)行的方向，有一維凍融和三維凍融；按溫度梯度，有快速凍結(jié)和慢速凍結(jié)；按照冷源施加的方式，有恒溫凍融和變溫凍融；按加壓方式，有加壓凍融和自由凍融；按水分的補排來源，有封閉凍融和開放凍融。Alhmetshin等[2]對封閉和開放系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分類和闡述。對于封閉系統(tǒng)而言，只存在熱交換；而對于開放系統(tǒng)來說，則同時存在熱、質(zhì)交換；當(dāng)只有一個邊界上存在質(zhì)交換時，可稱為半開放系統(tǒng)，該系統(tǒng)的狀態(tài)是隨著時間發(fā)生變化的，而且系統(tǒng)邊界的位置也是隨著時間變化的。就室內(nèi)凍融試驗來說，開放系統(tǒng)要有外部水源補給；封閉系統(tǒng)沒有與外部水分的交換只在局部進(jìn)行重分布。此外還要考慮土體的滲透性，滲透系數(shù)小的土體若進(jìn)行開放系統(tǒng)的凍融試驗時，其效果相當(dāng)于封閉系統(tǒng)，同樣利用凍結(jié)速率也能控制排水情況[3]。

只有合理選擇凍融方式才能真實反映土體的實際凍融過程，試驗條件的確定按下述情況而定：（1）工程需求：最大程度的模擬或還原場地的真實情況。一般來說，季節(jié)性凍土區(qū)凍土層的凍融過程可以描述為敞開系統(tǒng)下的單向凍結(jié)和雙向融化，而多年凍土區(qū)則為開放系統(tǒng)下的雙向凍結(jié)和單向融化。（2）試驗需求：人為設(shè)定，研究在某些特定條件下的凍融效應(yīng)。具體來說，凍融溫度或是根據(jù)實測地溫資料設(shè)定或是人為設(shè)定模擬特定條件。循環(huán)周期一般都要保證凍融能夠徹底進(jìn)行，即土體不再發(fā)生體積的變化。凍融周期可以類比前人的研究，但需注意土性、試樣大小以及控制條件上的差異。溫度梯度、施壓以及補排水等條件也應(yīng)符合上述兩原則。此外，室內(nèi)模型試驗也是研究凍融作用的有效方法。模型試驗通常根據(jù)相似原則進(jìn)行設(shè)計，模擬野外狀況從而驗證設(shè)計和計算結(jié)果。Z.X.Zhang等對運河堤壩的凍脹融沉現(xiàn)象進(jìn)行模擬，分層將土填成路基，并將位移計、應(yīng)力盒、溫度探頭等預(yù)埋在土體中，監(jiān)測數(shù)據(jù)[4]。但這種方法較費時且不經(jīng)濟(jì)。

凍融試驗要選擇合理的凍融方式：儀器的選擇在一定程度上控制了試驗條件的，如單向凍融還是多向凍融；溫度梯度、補水方式、壓力情況、試驗周期都要根據(jù)工程實際情況或者研究需要選擇。

3 結(jié)論

凍融作用對土的工程性質(zhì)影響一方面與土質(zhì)以及土的初始狀態(tài)的有關(guān)，另一方面也跟凍融試驗儀器和條件有關(guān)。盡管各個國家或行業(yè)都有各自的規(guī)范，但差異不會太大。因此在試驗時盡可能遵照規(guī)范要求進(jìn)行操作和分析。要根據(jù)不同的實驗?zāi)康倪x擇凍融試驗儀器以及試驗條件。

總之，由于土的類型，以及影響因素的多樣性，目前對凍融循環(huán)對土的工程性質(zhì)的系統(tǒng)研究還遠(yuǎn)不完善，應(yīng)當(dāng)充分利用常規(guī)土力學(xué)的方法，針對凍土凍融特性，建立能夠反映凍融作用試驗方法體系，望與廣大寒區(qū)工程工作者共同探討。

參看文獻(xiàn)：

[1] 徐學(xué)祖，王家澄. 凍土物理學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社， 2001

[2] Akhmetshin A A， Grigoryev V A， and Yakupov V S. Open and closed systems of freezing and thawing rocks[C].Recent Development of Research on Permafrost Engineering and Cold Region Environment. Lanzhou： Lanzhou University Press， 2009：562-565

[3] Alkire B D. Effect of variable-drainage freeze-thaw tests on post-thaw shear strength[J]. Transportation Research Record 1981， 809：13–18.

[4] Z. X. Zhang， R.L. Kushwaha. Modeling soil freeze-thaw and ice effect on canal bank[J]. Canadian Geotechnical Journal， 1998， 35：655-665