覃 宇

(廣西翔路建設(shè)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

凍土物理學(xué)中將溫度為負(fù)溫或零度，并且含有冰的各種土統(tǒng)稱為凍土[1]。我國(guó)凍土面積約占國(guó)土總面積的1/2以上，是世界第三大凍土國(guó)。隨著全球氣候變暖，世界各地的凍土資源呈現(xiàn)出退化的趨勢(shì)。我國(guó)凍土退化現(xiàn)象也極為顯著，東北地區(qū)的多年凍土南界不斷向北推移，地下冰融化形成熱融湖、熱融沉陷；一些地區(qū)的凍脹丘數(shù)量逐年減少，個(gè)別甚至消失得不見蹤影。凍土退化伴隨而來的凍土融沉問題，給凍土區(qū)內(nèi)的交通工程及建筑物安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)帶來了嚴(yán)重的影響。

凍土融沉一直是國(guó)內(nèi)外工程界比較關(guān)注的問題。前蘇聯(lián)在凍土研究方面貢獻(xiàn)卓越，崔托維奇早在20世紀(jì)30年代就開始研究?jī)鐾恋奈锢砹W(xué)性質(zhì)；戈里什騰對(duì)凍土融沉壓縮性進(jìn)行了研究[2]；舒謝麗娜與崔托維奇一同給出了凍土融化壓縮系數(shù)的確定方法[3]。其它國(guó)家的凍土研究也開展得比較早，美國(guó)的Virgil.J.Lunardini研究了凍土融化于地面溫度線性變化之間的關(guān)系[4]；加拿大的W.G.Brown和G.H.Johnston確定了凍土融沉試驗(yàn)方法[5]；日本學(xué)者T.Ono設(shè)計(jì)了三軸凍融試驗(yàn)儀等[6]。我國(guó)凍土研究起步相對(duì)較晚，中國(guó)科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所從1965年開始，相繼在青海省木里、熱水、將倉(cāng)、青藏高原風(fēng)火山、大興安嶺滿歸和黑龍江省大慶等地開展了凍土融化下沉試驗(yàn)研究。鐵道部第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院在大興安嶺地區(qū)、黑龍江省低溫建筑研究所在龍鳳地區(qū)也開展過試驗(yàn)工作。此外，西北研究所、齊齊哈爾科學(xué)技術(shù)研究所、牙克石林業(yè)設(shè)計(jì)研究院、吉林大學(xué)、蘭州大學(xué)等單位也陸續(xù)開展了房屋、路基、管道、礦山、巷道的凍土地基融化深度的計(jì)算、預(yù)報(bào)以及防治凍土融化的施工等研究，為研究?jī)鐾羺^(qū)的凍土融沉問題奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文依托琿烏高速公路凍土勘察項(xiàng)目，對(duì)沿線鉆孔所取原狀樣進(jìn)行凍土融沉壓縮試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，掌握凍土原狀樣的融沉特性，對(duì)琿烏高速公路沿線的地基土做出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)概況

凍土融沉壓縮試驗(yàn)可分為室內(nèi)試驗(yàn)與原位測(cè)試兩種。本文采用的是室內(nèi)試驗(yàn)方法，試驗(yàn)土樣來自中俄原油管道二期工程沿線的凍土勘察鉆探取樣。

1.1 土樣制備

將凍土原狀樣在低溫實(shí)驗(yàn)室中，用環(huán)刀切取成樣，制樣過程中需要保持凍土原狀樣不能融化，低溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度要保持在-5 ℃。切取之后的試樣要保持層面與原狀樣層面一樣，并且平整，不能有突出或凹陷。樣品制備之后，需要將其用塑料薄膜進(jìn)行密封，并放置于冰柜一段時(shí)間，使試樣盡可能地保持凍結(jié)狀態(tài)。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用儀器主要為融化壓縮儀，該儀器由固結(jié)壓縮儀改造而成。與固結(jié)壓縮試驗(yàn)不同，融化壓縮試驗(yàn)首先在低溫恒溫室的墻上布置了一根紫銅管，該管與恒溫室外的熱水器相連，并且每隔30 cm設(shè)置一個(gè)出水口。而試驗(yàn)用的土樣盒也與固結(jié)壓縮試驗(yàn)有所不同，其傳壓板為加工制作而成，傳壓板內(nèi)部中空，板上設(shè)置熱循環(huán)水進(jìn)出口，每個(gè)傳壓板上的進(jìn)水口均與紫銅管上的出水口用橡膠管連接。其它試驗(yàn)所需的百分表、透水石、計(jì)時(shí)器等均和固結(jié)壓縮試驗(yàn)相同。融化壓縮儀如圖1所示，試樣盒如圖2所示。

圖1 凍土融沉壓縮儀現(xiàn)場(chǎng)圖

圖2 融沉試驗(yàn)試樣盒示意圖

1.3 試驗(yàn)步驟

(1)在低溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)取樣結(jié)束后，立即將試樣稱重，精確至0.01 g；再將其用塑料薄膜密封，放于冰柜冷凍30 min。剩余土料用于測(cè)定其基本物理性質(zhì)指標(biāo)。

(2)對(duì)融沉壓縮儀進(jìn)行標(biāo)定，記錄試驗(yàn)儀器設(shè)備變形值，用于試驗(yàn)結(jié)果的修正。

(3)將試樣從冰柜中取出，放入融沉壓縮儀內(nèi)，上下各放置一張濾紙，之后在下面放置一塊透水石，上面放置一塊透水板；將百分表擺正，調(diào)零。

(4)開動(dòng)外部熱水循環(huán)器，保持恒溫室內(nèi)溫度為-5 ℃。當(dāng)熱水開始循環(huán)后，熱融沉陷開始，隨即開動(dòng)秒表，分別記錄5 min、10 min、30 min、60 min時(shí)的變形量，并每小時(shí)觀測(cè)一次，記錄變形量，直至在連續(xù)2 h內(nèi)的變形量<0.05 mm時(shí)為止。

(5)融沉穩(wěn)定后，關(guān)閉熱水循環(huán)器，并開始逐級(jí)加荷進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。融沉試驗(yàn)采用三級(jí)加荷，第一級(jí)荷載為50 kPa，第二級(jí)荷載為100 kPa，第三級(jí)荷載為200 kPa。每級(jí)荷載加載完畢后，待變形穩(wěn)定之后進(jìn)行觀測(cè)記錄，直至最后一級(jí)荷載加載完畢為止。

(6)試驗(yàn)結(jié)束后，將試樣從環(huán)刀內(nèi)取出，并放置在烘箱內(nèi)測(cè)定其含水率。

(7)按照式(1)計(jì)算凍土融沉系數(shù)a0(%)：

(1)

其中：a0——凍土融沉系數(shù)(%)；

h0——試樣初始高度，本試驗(yàn)試樣尺寸與環(huán)刀尺寸相同，為40 mm；

Δh0——凍土融化下沉量(mm)。

某一級(jí)壓力穩(wěn)定后的單位固結(jié)變形量按式(2)計(jì)算：

(2)

其中：si——某一級(jí)壓力范圍內(nèi)的單位固結(jié)變形量(mm)；

Δhi——某一級(jí)壓力下的變形量(mm)。

某一級(jí)壓力范圍內(nèi)的凍土融化壓縮系數(shù)按式(3)計(jì)算：

(3)

其中：atc——融化壓縮系數(shù)(MPa-1)；

pi——某一級(jí)壓力值(MPa)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次融沉壓縮試驗(yàn)共完成36個(gè)，根據(jù)開樣時(shí)的描述與顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果對(duì)土樣進(jìn)行定名分類，并對(duì)各類土的融沉系數(shù)a0與含水率w、干密度γd進(jìn)行回歸分析。為了便于統(tǒng)計(jì)分析，將試驗(yàn)土樣分成三類，即細(xì)粒土、粗粒土與泥炭質(zhì)土。其中細(xì)粒土和粗粒土可作為非泥炭化土進(jìn)行分析。

2.1 a0-w關(guān)系

將計(jì)算所得的細(xì)粒土和粗粒土的融沉系數(shù)與含水率進(jìn)行回歸分析，其散點(diǎn)圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 細(xì)粒土融沉系數(shù)與含水率關(guān)系圖

圖4 粗粒土融沉系數(shù)與含水率關(guān)系圖

從圖3～4中融沉系數(shù)的分布可知，細(xì)粒土與粗粒土的融沉系數(shù)均隨含水率的增大而增大。這一規(guī)律表明，凍土在融化過程中原本呈固態(tài)的冰，隨著溫度不斷升高而變成液態(tài)的水排出，從而使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。在荷載作用下，顆粒將重新集結(jié)，因此產(chǎn)生豎向沉降。可見，凍土融沉特性受含水率的影響十分明顯。對(duì)融沉系數(shù)與含水率進(jìn)行回歸分析，分析結(jié)果驗(yàn)證了這一顯著規(guī)律?；貧w方程如表1所示。

通過數(shù)據(jù)分析可知，如果地基土的持水能力很高，在經(jīng)過一個(gè)凍融循環(huán)周期后，勢(shì)必要產(chǎn)生較大的沉降量，對(duì)建筑物帶來嚴(yán)重的影響。相對(duì)而言，粗粒土的持水能力較差，比較適合作為地基土與回填土。

表1 回歸分析計(jì)算匯總表

2.2 a0-γd關(guān)系

將計(jì)算所得的細(xì)粒土與粗粒土的融沉系數(shù)與干密度進(jìn)行回歸分析，其散點(diǎn)圖如圖5、圖6所示。各種土融沉系數(shù)與干密度的回歸分析方程如表1所示。

圖5 細(xì)粒土融沉系數(shù)與干密度關(guān)系圖

圖6 粗粒土融沉系數(shù)與干密度關(guān)系圖

由圖5～6可知，融沉系數(shù)隨干密度的增大而減小，這表明土體干密度越大，固體顆粒越密實(shí)，相對(duì)的其含水率越低，在凍土融化過程中，融沉變形量越小。

通過分析可知，干密度大的土，其密實(shí)程度較高，通常含水率較低，這類土比較適合作為地基土與回填土。粗粒土通常具有較高的透水性，對(duì)水系廣布的大興安嶺地區(qū)而言，有利于降低凍脹與融沉的發(fā)生幾率，但是需要注意控制粗粒土中的含泥量，否則將適得其反。

2.3 泥炭化土試驗(yàn)結(jié)果分析

本次凍土原狀樣中，還有7個(gè)泥炭化土樣。由于泥炭化土樣的融沉特性除了與含水率和干密度有關(guān)，其有機(jī)質(zhì)含量對(duì)融化沉降變形量的影響也非常大，因此在分析泥炭化土樣融沉特性時(shí)，必須考慮其有機(jī)質(zhì)含量的影響。泥炭化土融沉系數(shù)散點(diǎn)圖如圖7、圖8所示。

圖7 融沉系數(shù)與含水率關(guān)系圖

圖8 融沉系數(shù)與干密度關(guān)系圖

如圖7～8所示，融沉系數(shù)隨含水率的增大而增大，隨干密度的增大而減小，但是趨勢(shì)線比粗粒土和細(xì)粒土要相對(duì)平緩。而泥炭化土又會(huì)因其內(nèi)部所含顆粒成分與有機(jī)質(zhì)含量的不同，呈現(xiàn)出不同的融沉特性。通過對(duì)比，泥炭化粉質(zhì)黏土的融沉系數(shù)要比泥炭化粉砂的融沉系數(shù)小。其中有三個(gè)泥炭質(zhì)土試樣的融沉系數(shù)并沒有因?yàn)楹实脑龃蠖龃?，也不隨干密度的增大而減小，而是隨有機(jī)質(zhì)含量的增大而增大。

分析表明，泥炭化含細(xì)粒土礫砂、泥炭化含細(xì)粒土角礫的融沉性對(duì)水的敏感度相對(duì)較弱，融沉變形量相對(duì)較小。而泥炭化黏性土由于其細(xì)粒含量較多，并且比較均勻，內(nèi)部容易形成細(xì)小均勻的孔隙，對(duì)融沉變形十分有利。

3 結(jié)語

本文通過對(duì)凍土融沉壓縮儀器進(jìn)行改進(jìn)，并利用改進(jìn)的儀器對(duì)琿烏高速公路沿線凍土原狀樣進(jìn)行了融沉壓縮試驗(yàn)，分析了凍土原狀樣的融沉特性，得出結(jié)論：

(1)利用改進(jìn)的儀器所得試驗(yàn)結(jié)果與普遍規(guī)律一致，驗(yàn)證了試驗(yàn)儀器的可適用性，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度滿足規(guī)范要求。

(2)細(xì)粒土、粗粒土的融沉特性與含水率、干密度的關(guān)系基本相同，融沉特性隨含水率的增大而增大，隨干密度的增大而減小。在實(shí)際工程中，為了避免產(chǎn)生較大融沉變形，還需采用含泥量較少的砂礫、角礫等融沉特性較好的土作為回填材料。

(3)泥炭化土的融沉特性除了受含水率與干密度的影響外，還受有機(jī)質(zhì)含量的影響。此外，泥炭化土的細(xì)粒含量多少同樣會(huì)影響其融沉特性。在實(shí)際工程中，必須對(duì)泥炭化土進(jìn)行處理，否則對(duì)路基十分不利。