高珍珍，王蒙，倪斌

（1.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2.無錫市勘察設計院有限公司昆山分公司，江蘇 昆山 215300）

0 引言

膨脹土是特殊土的一種，其粘粒成份主要由強親水性礦物質(zhì)組成，并且具有顯著脹縮性的粘性土。該土具有吸水膨脹、失水收縮并往復變形的性質(zhì)[1-2]，對于工程的破壞作用不可低估，因此必須解決因膨脹土而造成的一系列工程問題。

關(guān)于土體凍脹融沉的研究已有很多，但對于弱膨脹土的融沉研究還不夠充分，因此以淮南弱膨脹土為研究對象，進行多影響因素下的融沉試驗，分析各影響因素對融沉系數(shù)的影響程度，其試驗結(jié)果可為富含弱膨脹土地區(qū)人工凍結(jié)法的設計提供參考。

1 試驗內(nèi)容及試驗方法

1.1 土樣基本參數(shù)

對所取土樣進行常規(guī)土工試驗，各試驗步驟嚴格按照GB/T50123—2019《土工試驗方法標準》中的規(guī)定進行，經(jīng)試驗得到所用土的基本物理參數(shù)見表1。

表1 土的基本物理指標參數(shù)

1.2 試驗裝置

本試驗中所用儀器為：自制凍脹融沉試驗儀、低溫恒溫控制裝置、STDW-40低溫試驗箱、溫度傳感器、位移傳感器以及數(shù)據(jù)采集裝置等。

1.3 試驗方案

試驗選取含鹽率、凍結(jié)溫度、荷載等對融沉影響較大的因素進行融沉試驗。具體試驗方案見表2。

表2 融沉試驗方案

1.4 試樣設計

1.4.1 試樣制備

采用直徑60 mm，高100 mm的圓柱體試樣，將事先已悶料一晝夜的土取出備用，先將制樣筒內(nèi)壁均勻的涂上一層凡士林，用來減少土樣與制樣筒內(nèi)壁的摩擦力。試樣采用五層壓樣法，制樣完成后將試樣從制樣筒內(nèi)脫出。將脫出的試樣裝入涂有凡士林的有機玻璃試樣筒內(nèi)，放入恒溫箱內(nèi)養(yǎng)護，使土樣內(nèi)部溫度、水分均勻分布，在試驗之前不發(fā)生水分遷移，減小試驗誤差。

1.4.2 土樣凍結(jié)

把制好的土樣連同試樣筒放入冰箱中，將冰箱溫度調(diào)節(jié)至試驗所需凍結(jié)溫度，持續(xù)凍結(jié)24 h。

1.4.3 試樣安裝

待土樣完全凍結(jié)后，取出試樣放在已經(jīng)預熱好的凍脹融沉儀上，預先對試樣施加100 kPa的力，平衡摩擦力以及加快融沉進程，調(diào)整好位移傳感器等監(jiān)測設備，讓試樣在20℃的溫度下強制融化，當試樣在2 h內(nèi)沉降量小于0.02 mm時，認為融沉達到穩(wěn)定，保存好試驗數(shù)據(jù)，切斷各儀器電源，停止試驗。

1.4.4 數(shù)據(jù)處理

整理試驗所得數(shù)據(jù)，計算融沉系數(shù)，繪制曲線。

2 融沉試驗結(jié)果分析

2.1 凍結(jié)溫度對融沉性的影響

按照表2的實驗設計方案，探究試樣不同凍結(jié)溫度下分別進行單向強制融化溫度為20℃的融沉實驗，結(jié)果如圖1、2所示。

圖1 不同冷端溫度的實時融沉量

由圖1可知，凍結(jié)時的溫度越低，試樣的融沉量就越大，并且其融化穩(wěn)定時所需要的時間就越長，且各試樣在試驗開始120 min左右時其融沉基本穩(wěn)定，從融化開始到融沉完成所用時間非常短，初期融沉速率很快。

由圖2可知，試樣在封閉全凍結(jié)條件下，對融沉系數(shù)與凍結(jié)溫度進行擬合，兩者線性相關(guān)性較好。隨著凍結(jié)溫度的降低，融沉系數(shù)呈線性增大，因為在封閉系統(tǒng)下，土體的凍脹主要是因為土體中的水分凍結(jié)后體積膨脹10%，并不是所有的水分都會隨著溫度的降低而凍結(jié)，存在一部分未凍水，這部分未凍水會隨著溫度進一步的降低而凍結(jié)，在相同的干密度和含水率下，凍結(jié)溫度越低，未凍水含量就越少，凍脹量就會越大，相應融化后的融沉量也就越大。

圖2 不同冷端溫度的融沉系數(shù)

2.2 干密度對融沉性的影響

土體產(chǎn)生融化下沉是土體在自重以及外荷載作用下壓縮空隙體積所產(chǎn)生的，土的孔隙率大小直接影響著土體的融沉系數(shù)。試驗選取了三組不同干密度的試樣進行試驗，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同干密度的融沉系數(shù)

從圖3中可以看出，隨著干密度的增大，融沉系數(shù)先減小后增大，融沉系數(shù)與干密度的關(guān)系曲線中有一個臨界干密度，此時對應著最小融沉系數(shù)。當土體干密度小于臨界干密度時，此時土體孔隙率較大，土體的融沉量主要由壓縮空隙產(chǎn)生，另外一小部分由土中水分相變成冰體積膨脹產(chǎn)生，此時干密度越小，孔隙率就越大，融沉量就越大。當干密度大于臨界干密度時，此時孔隙率減小，由壓縮空隙所產(chǎn)生的融沉量逐漸減小，因土體中的含水率不變，土體的飽和度增大，容納空隙水相變成冰體積膨脹量的空間就越小，則冰膨脹時對土顆粒的推擠作用就越大，造成土顆粒的位移，因此土體的凍脹率就較大，相對融化時的融沉量就越大。

非飽和土體干密度在超過臨界干密度后，融沉量會隨著干密度的增大而增大這一特性在何平[3]的研究中也得到解釋，何平在《凍土融沉系數(shù)的評價方法》中引入接觸率Cr來計算非飽和土體中參與凍脹作用的水的比例，定義當土體完全飽和的時候，此時接觸率為1，當干燥時的接觸率為0，非飽和土體的融沉系數(shù)可用式（1）表示：

式中：A0-融沉系數(shù)，Cr-接觸率。

2.3 含鹽率對融沉性的影響

為探究含鹽率對融沉性的影響，試驗選取四組不同含鹽率的試驗進行試驗，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同含鹽率的實時融沉量

從圖4中可以看出，除去含鹽率為0%的試樣外，試樣的融沉量是隨著含鹽率的增大而增大的，并且含鹽率越大，融沉穩(wěn)定所需要的時間就越短，這是因為隨著含鹽率的增大，土中水分的凍結(jié)溫度升高，融化所需要的時間就減少，其融沉穩(wěn)定就越快。

如圖5所示，試樣在封閉全凍結(jié)條件下，對融沉系數(shù)與含鹽率進行擬合，可以看出兩者線性相關(guān)性較好。

圖5 不同含鹽率的融沉系數(shù)

擬合曲線中存在一個明顯的轉(zhuǎn)折點，當土樣由含鹽率為0%～1%時，融沉系數(shù)急劇變小，當含鹽量繼續(xù)增大時，融沉系數(shù)又隨著含鹽量的增大而增大。經(jīng)分析認為，當土樣不含鹽時，此時土體中水分的凍結(jié)溫度較低，在相同的溫度下，含鹽率為0%的土樣中的未凍水含量較少，因此凍脹率較大，相應的融沉系數(shù)也較大。當土樣加入硫酸鈉后，土樣中所含水分的凍結(jié)溫度會升高，因此在相同的凍結(jié)溫度下，含鹽土體中的未凍水含量會隨著含鹽率的增大而增大，理論上融沉系數(shù)應該減小，但是由于硫酸鈉隨著溫度的降低而出現(xiàn)鹽脹效應，所以當含鹽量增大時，鹽脹量也會變大，硫酸鹽吸水膨脹的部分大于因含鹽量增大未凍水增多而導致凍脹量減小的那一部分，因此宏觀表現(xiàn)為融沉量隨著含鹽量的增大而增大。

2.4 荷載對融沉性的影響

荷載對于試樣融沉性的影響不可忽視，按照表2的試驗設計方案，通過對施加不同荷載的試樣進行融沉試驗，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同荷載的實時融沉量

從圖6可以看出，融沉量主要的產(chǎn)生階段是在加熱后的2 h內(nèi)，結(jié)合溫度傳感器中的數(shù)據(jù)可以看出，試樣在120 min內(nèi)基本融化完畢，在這個期間內(nèi)，試樣內(nèi)冰晶隨著溫度的升高而不斷融化成水，體積變小。

由圖7可見，在試驗所選范圍內(nèi)，試樣的融沉系數(shù)與荷載的線性相關(guān)性較好，隨著荷載的不斷加大，融沉系數(shù)也不斷變大。這是因為，施加荷載較小的土體，內(nèi)部土顆粒的接觸性較差，有效應力較小，在溫度升高，土體慢慢融化的過程中，土體內(nèi)的結(jié)構(gòu)組成變化不大，因此融沉量較小。隨著荷載的不斷加大，融沉量也隨之增大，這是因為當土體內(nèi)冰晶融化成水后，土體的含水率增大，土中水分一時排不出去，在外部荷載的作用下，土中逐漸形成了超靜孔隙水壓力，會使土骨架之間的有效應力減小，土體變形受阻，隨著時間的推移，孔隙水從土樣底部排出，超靜孔隙水壓力慢慢的減小，作用于土顆粒之間的有效應力逐漸變大，當作用在土體上的荷載不斷加大時，這種超靜孔隙水壓力減小的速度就越快，土顆粒之間的相對位移越大，致使土體的融沉量就越大。

圖7 不同荷載下的融沉系數(shù)

3 結(jié)論

（1）凍結(jié)溫度越低，試樣的融沉系數(shù)越大。

（2）融沉系數(shù)隨著干密度的增加先減小后增大的，存在一個臨界干密度對應著土體的最小融沉系數(shù)。

（3）當土體添加了硫酸鹽后，在其他條件相同的情況下，硫酸鈉會隨著溫度的降低而出現(xiàn)鹽脹效應,理論上融沉系數(shù)隨著含鹽量的增加而減小，宏觀表現(xiàn)為融沉系數(shù)隨著含鹽量的增加而增大。

（4）荷載對融沉量的影響巨大，在一定范圍內(nèi)，土體的融沉量與外部荷載呈線性增加。