赫景旭，鄭 鑫，程 正，霍彥霖

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163000)

0 引言

我國(guó)北方大部分地區(qū)仍利用傳統(tǒng)的土渠進(jìn)行農(nóng)田灌溉，導(dǎo)致由于凍脹破壞產(chǎn)生的渠道滲漏情況普遍存在，水資源利用率不高，浪費(fèi)嚴(yán)重。每年在農(nóng)田灌溉中渠道損失的水量高達(dá) 1.73×1011m3，約占農(nóng)業(yè)總用水量的47%。我國(guó)凍土面積分布廣泛，是世界上第三凍土大國(guó)，季凍區(qū)面積大約 5.137×106km2，約占國(guó)土面積的 53.5%，東北地區(qū)作為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地之一，長(zhǎng)期以來(lái)，因凍脹造成的襯砌板膨脹、隆起、開裂，凍融后滑坡坍塌等凍害，嚴(yán)重影響了襯砌的穩(wěn)定及其防滲節(jié)水的功能。所以，為了更好滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求，需要重視灌區(qū)混凝土防滲渠道凍脹問(wèn)題的預(yù)防及處理工作[1]。

由于地下水位埋藏較淺(即高地下水位)而導(dǎo)致基土凍結(jié)過(guò)程中存在明顯水分補(bǔ)給的混凝土襯砌渠道稱為開放系統(tǒng)下的混凝土襯砌渠道[2]。而且有無(wú)水分供給情況下的凍脹量相差甚遠(yuǎn)。水分的遷移、補(bǔ)給和相變又引起土體凍脹變形破壞了原土體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，且水分遷移后形成的冰層再融化又會(huì)加劇土體力學(xué)性質(zhì)的弱化。這對(duì)建筑于其上的建筑物是非常不利的，可見(jiàn)深入認(rèn)識(shí)和解決開放系統(tǒng)條件下(即考慮水分遷移與補(bǔ)給)的土體凍結(jié)和凍脹問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。1999年，周國(guó)慶[4]首次提出了關(guān)于間歇凍結(jié)來(lái)控制凍脹的機(jī)理研究，指出了間歇凍結(jié)所形成的凍土區(qū)域溫度高、未凍土區(qū)域溫度梯度低、凍結(jié)速率小等結(jié)果都有利于抑制凍脹的產(chǎn)生與發(fā)展。商翔宇[5]對(duì)此進(jìn)行了初步驗(yàn)證，分析了連續(xù)與間歇不同模式下的凍脹影響，采用間歇凍結(jié)模式來(lái)控制凍土凍脹也得到普遍的認(rèn)可。因此進(jìn)一步研究不同影響條件下的間歇模式凍結(jié)也對(duì)抑制凍脹這個(gè)課題很有意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括制冷溫控系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主要設(shè)備為多功能溫濕度傳感器及低溫試驗(yàn)箱。見(jiàn)圖1。

圖1 低溫試驗(yàn)箱體

1.2 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)采用的是對(duì)凍脹較為敏感的粉質(zhì)黏土，試驗(yàn)土樣在試驗(yàn)前24 h進(jìn)行風(fēng)干備用，試驗(yàn)使用的土樣均過(guò)0.5 mm篩再使用，試驗(yàn)土樣指標(biāo)如表1所示。設(shè)計(jì)三種不同初始含水量分別為20%、24%、28%；試驗(yàn)的土樣制成高度12 cm、直徑10 cm的圓柱體。

表1 土壤物理性質(zhì)及指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在開放系統(tǒng)的條件下進(jìn)行，對(duì)不同初始含水率的土樣進(jìn)行不同最低凍脹溫度條件下的凍脹試驗(yàn)，采用一維凍脹模式，對(duì)試驗(yàn)筒體的側(cè)向及底部進(jìn)行保溫處理，保證自上而下凍結(jié)，而且無(wú)任何外載作用。

在試驗(yàn)進(jìn)行前，提前8 h將試驗(yàn)箱的溫度恒溫在+5 ℃左右，此條件保證了溫度的一致性，在試件筒體的左右兩側(cè)沿著垂直方向每隔1.5 cm安插溫度傳感器和濕度傳感器，用來(lái)實(shí)時(shí)觀察溫濕度的變化；凍脹量的變化采用精度為0.01 mm的頂點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行記錄。在此試驗(yàn)條件下進(jìn)行不同影響因素的凍脹試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)凍脹的變化及發(fā)展規(guī)律。

在土樣經(jīng)過(guò)恒溫后進(jìn)行試驗(yàn)，在控制凍深的間歇凍結(jié)模式下，開始階段采用提前預(yù)設(shè)好的最低凍脹溫度進(jìn)行凍結(jié)，當(dāng)凍結(jié)鋒面達(dá)到預(yù)定的凍深后，再以-0.5 ℃進(jìn)行凍結(jié)，如此循環(huán)使得試樣的凍結(jié)鋒面始終在預(yù)設(shè)的0.5～1 cm左右范圍內(nèi)波動(dòng)。

試驗(yàn)共分為五組，試驗(yàn)取用三種不同的初始含水率及三種不同的最低凍脹溫度條件，分別對(duì)初始含水率為20%、24%、28%的土樣在最低凍脹溫度為-15 ℃的條件下凍結(jié)48 h；再對(duì)初始含水率為24%的土樣分別在最低凍脹溫度為-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃的條件下凍結(jié)48 h，最后將得到的凍脹量進(jìn)行對(duì)比。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 初始含水率對(duì)凍脹效果的影響

圖2、圖3和圖4是對(duì)三種不同初始含水率凍結(jié)條件條件下的溫濕度變化曲線，由于采用了不同的初始條件，因此在凍結(jié)過(guò)程中曲線變化狀態(tài)及凍脹量都有些許的變化。

圖2 -15 ℃含水率20%條件下的溫濕度變化曲線

圖4 -15 ℃含水率24%條件下的溫濕度變化曲線

通過(guò)溫度變化曲線可以看出降溫階段的過(guò)程可以分為快速降溫階段及溫度循環(huán)階段，循環(huán)階段平均每240 min完成一次。在快速降溫階段過(guò)程中，對(duì)比含水率變化曲線可知，在此階段過(guò)程中，凍結(jié)鋒面的推進(jìn)速度要快于循環(huán)階段，此時(shí)凍結(jié)鋒面初步形成，土樣也基本處在原位凍結(jié)狀態(tài)。通過(guò)含水率變化曲線可知，土樣隨著溫度的循環(huán)，土中水分也進(jìn)入了一個(gè)循環(huán)且緩慢上升的狀態(tài)，但是由于溫度條件的干擾，凍脹始終無(wú)法進(jìn)入到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，使其無(wú)法持續(xù)上升，這也導(dǎo)致這種凍結(jié)方式的凍脹量要遠(yuǎn)小于持續(xù)凍結(jié)狀態(tài)下的凍脹量。通過(guò)含水率變化曲線還可以看出，初始含水率為28%的土樣在凍結(jié)過(guò)程中變化的幅度要大于初始含水率為20%的土樣，說(shuō)明前者所形成的凍結(jié)面要大于后者。通過(guò)對(duì)比三種不同初始含水率的凍脹試驗(yàn)最后得到的凍脹量結(jié)果可知，初始含水率為28%時(shí)的凍脹量為2.34 mm，初始含水率為24%時(shí)的凍脹量為2.13 mm，初始含水率為20%時(shí)的凍脹量為1.82 mm。

2.2 最低凍脹溫度對(duì)凍脹效果的影響

圖4、圖5和圖6是對(duì)三種不同最低凍脹溫度凍結(jié)條件條件下的溫濕度變化曲線。凍脹過(guò)程同樣分為降溫階段和循環(huán)階段，而且同樣也是循環(huán)且緩慢上升的趨勢(shì)。通過(guò)三組試驗(yàn)的溫度變化曲線圖可知，最低凍脹溫度不僅僅影響著凍脹量，還影響著凍脹形成的速率及穩(wěn)定性，圖5中循環(huán)階段的過(guò)程所用的時(shí)間要大于圖6中循環(huán)過(guò)程所用的時(shí)間，而且由于圖5中最低凍脹溫度較低，凍結(jié)鋒面形成的穩(wěn)定性也較差，波動(dòng)幅度較大；同時(shí)土中含水率的波動(dòng)稍小于后者。通過(guò)試驗(yàn)最后所得到的凍脹量結(jié)果可以看出，當(dāng)凍脹最低溫度越低時(shí)，凍脹量會(huì)隨之增大，凍脹最低溫度為-10 ℃時(shí)凍脹量結(jié)果為1.68 mm；凍脹最低溫度為-15 ℃時(shí)凍脹量結(jié)果為2.13 mm；凍脹最低溫度為-20 ℃時(shí)凍脹量結(jié)果為2.23 mm。

圖5 -10 ℃含水率24%條件下的溫濕度變化曲線

圖6 -20 ℃含水率24%條件下的溫濕度變化曲線

圖7 凍脹量對(duì)比

3 結(jié)論

本文主要針對(duì)不同初始含水率和不同最低凍脹溫度條件下的粉質(zhì)黏土進(jìn)行了凍脹試驗(yàn)，最終通過(guò)對(duì)比凍脹量得到以下結(jié)論：

1)通過(guò)凍脹量對(duì)比曲線圖可以得到，在間歇凍結(jié)模式下，當(dāng)初始含水率越大時(shí)，凍脹量越大；當(dāng)最低凍結(jié)溫度越低時(shí)，凍脹量越大。

2)最低凍脹溫度不僅影響凍脹量，還會(huì)影響凍結(jié)鋒面形成的穩(wěn)定性。因此，在凍脹進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)前去改變其溫度邊界條件，可以使土中的溫度場(chǎng)偏離穩(wěn)定狀態(tài)，從而抑制凍脹的形成。

3)間歇凍脹模式過(guò)程中，溫度場(chǎng)由于熱邊界條件的擾動(dòng)始終達(dá)不到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，導(dǎo)致凍結(jié)鋒面的穩(wěn)定狀態(tài)也不斷被破壞，因此間歇凍脹模式的凍脹量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于持續(xù)凍脹。