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，對季凍區(qū)道路正常運營造成很大影響。

常法等通過現(xiàn)場觀測的路基土水分變化，分析對路基的凍脹影響；毛雪松等通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析路基內(nèi)部水分和溫度在時間和空間上的變化；邴慧等通過對開放系統(tǒng)條件下粉質(zhì)紅黏土凍脹試驗分析，得到土體變形主要是因為土中水的原位凍脹和遷移水凍脹；程培峰等研究粉砂土在不同含水率和壓實度情況下的凍脹試驗，得到了不同條件下的凍脹率；李奮等在不同含水率和壓實度條件下對青藏地區(qū)的黏土和粉質(zhì)黏土進行凍脹試驗，得到凍脹率與含水率、壓實度之間的規(guī)律；陳文等對不同含水率和重度值的土樣進行試驗，分析含水率與重度值對凍脹性的影響；王瑞分析了兩種不同土質(zhì)的凍脹率在不同壓實度情況下的變化規(guī)律；吳東軍等通過自主研發(fā)的凍融裝置，在開放系統(tǒng)下進行了單向凍結(jié)深厚表土試驗,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包蘭線路基土進行凍脹試驗，研究在不同含水量、密實度下的凍脹特性；魏厚振等通過改變飽和粉土試樣的高度與邊界溫度，進行凍脹試驗，研究其水分遷移和水分重分布的變化規(guī)律；程培峰等通過對凍土區(qū)內(nèi)凍土進行凍脹試驗，分析了凍脹率與含水率、壓實度等變量之間的關(guān)系。該文以張家口地區(qū)路基填土作為研究對象，通過自主研發(fā)的凍脹試驗機的監(jiān)測數(shù)據(jù)，揭示大尺寸試樣在開放系統(tǒng)條件下頂端溫度對路基填土的凍脹影響機理，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 試驗概況

1.1 試驗準(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，此次試驗選取張家口地區(qū)的路基填土，首先進行室內(nèi)土工試驗，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，減少試驗的誤差。

表1 試驗土樣基本物理指標(biāo)

1.2 試驗設(shè)備

室內(nèi)試驗所用設(shè)備為自主設(shè)計的試樣凍脹機，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)包括土工凍脹試驗機恒溫箱體、兩個水浴降溫循環(huán)裝置、溫度、水分與位移檢測系統(tǒng)和補水系統(tǒng)等，其中凍脹機恒溫箱體外形尺寸約為2 m×2 m，恒溫箱體最佳恒溫波動度為±0.2 ℃，兩個水浴降溫源循環(huán)裝置分別連接降溫頂板與底板，其最佳波動范圍為±0.1 ℃，適用于-20～60 ℃的凍土凍脹試驗，試驗過程中溫度可通過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個水分測量傳感器,并編號為S1～S5，記錄試樣在不同高度的水分隨時間的變化過程，其中每個傳感器豎向間距約為20 cm，精度為0.01%。自上而下插入6個溫度測量熱電偶，并編號為W1～W6，記錄試樣在不同高度的溫度隨時間的變化過程，其中每個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量傳感器，記錄試樣因凍脹豎向位移隨時間的變化過程，測量范圍為0～30 mm，精度為0.1 mm。且3個傳感器計數(shù)間隔均為60 s。

圖1 土工凍脹試驗機

圖2 土工凍脹試驗內(nèi)部示意圖(單位：cm)

1.3 試驗方案

試驗中降溫頂板溫度值取-5、-10和-15 ℃。

試驗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，隨后將燜置過的土擊入試樣桶內(nèi)制備試樣備用，分別對試樣進行編號。

固定試樣桶于凍脹恒溫箱中，試驗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)計進行調(diào)節(jié)，當(dāng)試樣斷面監(jiān)測的溫度達(dá)到穩(wěn)定值后，再調(diào)節(jié)降溫頂板的溫度值，開始進行自上而下的單向凍結(jié)試驗。試驗全程均在補水條件下進行。

2 試驗結(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 ℃)條件下凍脹量隨時間的變化過程。

圖3 凍脹量隨時間的變化過程

由圖3可以看出：① 不同頂端溫度條件下凍脹量隨時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，原因是開始階段土樣上部發(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，使凍脹量增長較快；隨著時間增加，凍結(jié)鋒面下移，孔隙內(nèi)形成的冰晶也會阻礙水分遷移，影響冰透鏡體增加，使凍脹量增加緩慢；時間再增加，試樣中水的相變熱與散熱形成新的動態(tài)熱平衡，凍結(jié)鋒面不再移動，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，水分補充量大，單位時間內(nèi)上部凍結(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變慢，水分補充量相對變少，冰透鏡體的增加量相對減小，凍脹量較低。-15 ℃時，雖然此時的溫度最低，但此時土樣凍結(jié)速率也很大，導(dǎo)致試樣中部分水分沒有發(fā)生遷移便發(fā)生原位凍結(jié)，水分補充較-5 ℃時更少，從而使凍脹量最小。

凍脹速率為單位時間內(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為時間增量(h)。

圖4為不同頂端溫度下的凍脹速率隨時間的變化過程。

圖4 凍脹速率隨時間的變化過程

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，-10 ℃對應(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，單位時間內(nèi)冰透鏡體更易形成，對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。每個頂端溫度下均在其各階段中取一個時刻對應(yīng)的凍脹率來代表各狀態(tài)凍脹率進行分析，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)系散點圖

由圖5可以看出：快增狀態(tài)凍脹率在-10 ℃條件時最大，慢增狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)對應(yīng)的凍脹率隨頂端溫度的降低有下降的趨勢，原因是開始階段凍結(jié)作用顯著，凍脹量對凍脹率的影響相對較大，且-10 ℃更易使水分在土樣中發(fā)生遷移，使對應(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)時凍脹量變化不明顯，凍結(jié)高度對凍脹率的影響相對較大，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，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，不同時刻試樣內(nèi)部溫度沿深度的分布圖，時間間隔為12 h。

圖8 試樣內(nèi)部溫度沿高度分布圖

由圖8可知：在0時刻，經(jīng)過凍脹機恒溫循環(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越小，最后穩(wěn)定在一個溫度值，于是溫度沿深度的分布曲線也由12 h時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)鋒面移動到20 cm深度附近，此時作為發(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)定的時間與20 cm深度處的體積含水率開始發(fā)生明顯減小的時間存在一定的時間差。原因是水分傳感器分布有一定間隔，這個時間差是凍結(jié)鋒面由上到下移動的時間。

(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)作用相對較弱，最大凍深處為20～40 cm，且開放系統(tǒng)下凍脹過程中一直有補水瓶中的水分補充，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，穩(wěn)定后的凍脹量在頂板溫度為-10 ℃時最大，-5 ℃時的凍脹量次之，-15 ℃時的凍脹量最小。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，在-10 ℃時對應(yīng)的凍脹速率減幅大，且達(dá)到穩(wěn)定時間最短。

(2) 快增狀態(tài)凍脹率在-10 ℃條件時最大。慢增狀態(tài)和穩(wěn)態(tài)對應(yīng)的凍脹率隨頂端溫度的降低有下降的趨勢，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)。