某类粉质粘土冻胀与水分变化的试验研究

李树武,聂德新,吴吉春

(1.成都理工大学,四川成都 610059;2.西北勘测设计研究院工程地质研究所,甘肃兰州 730050;3.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州 730000)

某类粉质粘土冻胀与水分变化的试验研究

李树武1,2,聂德新1,吴吉春3

(1.成都理工大学,四川成都 610059;2.西北勘测设计研究院工程地质研究所,甘肃兰州 730050;3.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州 730000)

利用取自祁连山区的某类粉质粘土,分别在塑限和液限两种含水量条件下以封闭和开放两种补水条件开展冻胀试验,以便于了解不同水分条件下这类粉质粘土的冻胀量变化和冻胀发展过程中土样水分变化。试验结果表明,这类土在塑限封闭条件下冻胀量很小,几乎可以忽略;在液限封闭条件下,土样冻胀率可达3.4%;只有在开放补水条件下,土样的冻胀率可达15%。试验结束后,分层测量土样含水量结果表明,冻结锋面以上部分土样含水量增加,其增加量和冻胀量一致;冻结锋面以下部分土样含水量减小,冻结过程中水分迁移是土体强烈冻胀的根本原因。

粉质粘土;冻胀;水分迁移

0 引言

土体作为一种多孔介质,在冻结时将会发生水分的迁移和体积膨胀,从而产生冻胀现象。在中国北方地区,冻胀作用比较普遍。土体发生冻胀,对工程建筑物和构筑物的基础稳定造成威胁,在冻结施工中造成不便和安全隐患,尤其对公路、输水渠道影响不容忽视。为了掌握冻胀发生的规律,国内外开展了各种条件下的室内、室外试验、监测,据此提出了很多有建设性的结论[1-3]。目前,人们已经基本了解了冻胀发生的机理,确定了水分和土质是控制冻胀发生的两个关键因素[4,5]。在此基础上,提出了各种行之有效的防止冻胀的措施和手段[5,6],取得了良好的效益。近年来,很多室内冻胀试验关注冻融循环过程中土体的冻胀、融沉以及土体结构性质的变化[7,8],对试样中的水分变化研究不多。通过对取自祁连山山区的某类粉质粘土开展室内冻胀试验,深入分析水分条件和冻胀之间的关系。

1 试验装置与方法

试验所用土料取自祁连山区一洪积扇前缘。该类土干密度为1.33～1.42 g/cm3,液限35.60%,塑限19.62%,粒度分析曲线如图1所示,土样级配类型定为粉质粘土。

图1 土样颗粒分析Fig.1 Particle size analysis

试验土样在实验室重新配制(试样在干密度条件下,按塑限和液限两种含水量条件配制),试验制样和测试均在冻土工程国家重点实验室完成。试验系统包括制冷系统,温控系统,补水系统和数据采集系统,土样制成高11 cm,直径10 cm的圆柱状,装入有机玻璃制成的圆筒内,圆筒上下端用制冷盘封闭,采用酒精作为制冷媒质循环冷却土样至设定温度。土样筒下端与补水系统相连,模拟自然开放条件下土体的补水条件;土样筒上端装有位移测量装置测量冻胀量,测量精度在 ±0.01 mm;土样筒侧壁每隔1 cm装一个热敏电阻测温探头,布设在土样内部,侧壁用保温材料包裹,以防止土样侧向热交换。土样筒放置在敷以保温材料的试验箱内。试验装置如图2所示。

试验采用自上而下的一维冻结方式,以模拟自然条件下的冻结过程。为了控制试验土样内的温度梯度和冻结速度,试样下端温度控制在1.0℃,上端冷却至-2℃或-1℃。在塑限和液限两种初始含水量,封闭和开放两种补水条件下,分别开展了塑限封闭、液限封闭和液限开放3组试验。试验数据用澳大利亚生产的数据采集仪(Data Taker 500)采集,每30 min采集1次,直至试验结束。

图2 试验装置Fig.2 Experimental apparatus

试验结束后,对每个试样取出垂直剖分,观察冰透镜体的形成和分布,并按1 cm厚度分层,分别测试各层内的含水量。

2 试验结果与分析

2.1 不同水分条件下土样冻胀

试验结果表明,表面冻结温度为-1℃时,试样的冻结深度在3 cm左右,表面冻结温度为-2℃时,试样冻结深度达到5 cm。三种水分条件下,土样冻胀差异十分显著,为了便于比较,选取冻结温度为-2℃的3组试验结果列于表1中。试验终止后,变形测量结果显示封闭条件下,初始含水量为塑限时,土样总变形量为0.1 mm,冻胀率仅仅为0.2%;初始含水量为液限时,土样变形达1.7 mm,冻胀率达3.4%,在开放补水条件下,初始含水量为液限时,冻胀变形量达7.5 mm,冻胀率可达15%。

表1 试验土样的基本参数及试验结果Table 1 Basic parameters and result of experimental soil sample

图3 土样冻胀量随时间变化图Fig.3 Frost heave amount change with time

图3是三种水分条件下土样冻胀量发展过程曲线,不同水分条件下土样的冻胀量差异很大。塑限封闭条件下土样冻结过程中几乎没有明显的冻胀,尽管从表层冻结开始,向下冻结深度达到5.0 cm,其冻胀量始终没有明显变化,最终的冻胀量率只有0.2%。而在封闭的液限含水量条件下,土样的冻胀量始终大于塑限封闭条件下的土样,在试验时间50 h以后,冻胀曲线接近于水平,说明冻胀趋于稳定。对比封闭条件下两个不同含水量试样的冻胀过程和最终冻胀量,可以得出这样的结论,即在没有水分补给条件下,土样含水量低于一定值时,土体不发生冻胀,也就是说土体发生冻胀需要达到或超过一定的临界含水量。在开放补水条件下,土样冻胀量发展很快,可以分为三个阶段,初期几乎没有冻胀,中期冻胀快速发展,后期逐渐减缓,说明在补水条件下,土体中存在主冻胀带。

松散土层发生冻胀,其冻胀量来自两个方面的贡献。其一是土颗粒空隙间的水分发生冻结时,体积膨胀。自然水体结冰以后体积增大约1/9左右,在试验条件下,如果侧向受限,其体积增量都体现在高度变化上,即水相变后的体积增量全部转化为冻胀量,则其冻胀率可达11.1%。在该试验中,如果土样中的水分就地冻结,即单纯由水的体积增量作为冻胀量,那么理论上,在液限含水量条件下,其体积含水量约为46%,土体接近于饱和,冻胀率也只有5%,在塑限含水量条件下体积含水量约为27%,冻胀率为3%,而试验实测冻胀率均分别小于理论值。从微观角度分析,土体孔隙中的水分冻结而发生体积膨胀,其体积增量有一部分可能用于充填土体的原有孔隙,这部分增量在表观上对土体冻胀没有贡献,而另一部分用于“撑大”土体的原有孔隙,才表现出土体的冻胀。可见在没有水分迁移的情况下,土体中水分的冻胀体积增量,一部分被土体孔隙所消耗,所以其冻胀量不会超过其初始所含水分的冻胀量,而这部分冻胀量与实际观测值相比比较小,只有土体在完全饱和状态下,才有可能达到所含水分体积的11.1%。

对土体冻胀的另一个主要贡献来自于下部水分向冻结锋面的迁移,这是在自然条件下冻胀敏感性土类能够产生冻胀量的主要原因。在自然条件下,发生冻胀大多属于开放条件,只是补水条件有所差异。地下水位较浅、土颗粒较细,有利于水分向冻结锋面迁移,当地下水位达到一定深度或土层孔隙大小达到一定尺度,水分迁移将被阻止。

2.2 试验结束后试样中的水分重分布

试验结束后,稍微加热土样筒侧壁,使得土样与筒壁之间的冻结融化,能够完整从试样筒中取出。取出完整试样后,3组试样形态接近,仅冻结锋面位置存在差异。以液限封闭试样为例,观察土样冻结情况和侧壁形态(图4-A),可以发现,土样的侧壁形态清晰地指示了冻结锋面达到的位置。由于侧壁的轻微融化,显现出土样冻结形成的冰透镜形态。冰透镜是由于水分发生迁移使得土体过饱和后分凝而成,从图4-A可以看出,越接近冻结锋面,分凝冰透镜厚度、长度越大,分布越密集,试样中的分凝冰透镜向上尺度变小,密度变疏,在冻结层的上部肉眼几乎看不出分凝冰的形迹。将试样沿纵向剖开(图4-B),从剖面可以看见许多呈水平平行排列的分凝冰透镜,其展布模式与侧壁观察结果类似。冻结锋面以下部分,肉眼观察明显变干,侧壁上留有许多或大或小的空洞(图4-A),这是水分或空气排空后的遗留,说明水分发生了重分布。内部形态(图4-B)由于切割破坏无法观察。

图4 试验结束以后试样的侧壁和内部形态(液限封闭试样)Fig.4 Feature of sample side and insider after testing(liquid limit conditions)

将3组试样分别按1 cm分层切割,分别测量各层的含水量,绘制各个试样中含水量分布曲线,如图5所示。图5中两条竖直线是试样配制后的初始含水量,分别为土样的塑限和液限含水量,表示试样中的含水量均匀分布。试验结束后,各组试验的试样内的含水量曲线均发生了变化,表示冻结过程使得土层内的含水量发生了重分布。明显的规律是以冻结锋面为界,锋面以上冻结部分水分增加,下部未冻结部分水分减小。试验说明在冻结过程中水分发生了迁移,冻结锋面下部水分在温度梯度造成的水压差下发生向冻结锋面的积聚。冻结开始阶段,由于冻结速度很快,水分来不及迁移,向上的补给水量较少,试样中水分就地冻结,所以试样上部含水量增量较少,在试样侧壁和剖开面上观察到的冰透镜较少、较小;当达到一定冻结深度时,冻结锋面移动速度减缓,水分迁移速度大于冻结锋面移动速度,造成水分在锋面上聚集,试样中含水量明显增加;试验结束时,冻结达到最大深度(文中所选3个试样均是在-2℃条件下的最大冻深),冻结锋面长时间在此深度停留,造成水分大量聚集,形成较密集的形态较大的冰透镜。

图5 试验结束后试样含水量在不同深度上的分布Fig.5 Water content distributed with depth after testing

由图5可以看出,冻结锋面上部的水分增加量自冻结锋面向上递减。封闭条件下,无论初始含水量是塑限还是液限含水量,冻结锋面下部水分减少量基本是均一的。液限开放情况下最大冻深下土的含水量也逐渐变小,究其原因,可能是由于水分迁移速度大于补水速度引起,也可能与土体本身自然持水性有关。本试验没有就这些因素的影响开展相关冻胀试验,有待于今后进一步研究。

3 结论

(1)含水量条件对冻胀敏感性土的冻胀量影响十分显著,冻胀量与土样的初始含水量正相关。在没有水分补给的条件下,土样存在冻胀发生的临界含水量,只有达到或超过这一含水量,冻胀才比较明显地显现出来。

(2)在开放补水条件下的土体冻胀量远大于封闭条件。

(3)土体自上而下冻结过程中,土体中发生水分向冻结锋面的迁移,以冻结锋面为界,冻结锋面以上土体含水量增加,以下未冻部分含水量减小。

(4)冻胀敏感性土体冻结时发生水分迁移,迁移水分的冻胀是土体整体冻胀量的主要贡献者。

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(责任编辑:李 雯)

Exper imental Research on Frost Heaving and Moiture Changing with a Type of Silty Clay

LI Shuwu1,2,NIE Dexing1,WU Jichun3
(1.Chengdu University of Technology,Chengdu,Sichuan610059;2.Institute of Engineering Geology,N orthwest Investigation Design&Research Institute,Lanzhou,Gansu730050;3.State Key Laboratory of frozen Soil Engineering,CAREER I,CAS,Lanzhou,Gansu730000)

A group of frost heaving testswere performed on silty clay thatwas taken from QilianMountain under sample water contentwith plastic l imit and liquid limit conditions,using close(no supplyingwater)and open(supplyingwater)system,for the sake of understanding the frost heaving amount and the redistribution ofmoisture in soil freezing processes under differentmoisture conditions.The experiments demonstrate that the frost heaving ratio of this type silty clay is 0.2%and almostmay be ignored when the water content is plastic limitwith close system;the frost heaving ratio is 3.4%and 15%under liquid limitwater contentwith close system and open system respectively.End of the experiments,water contentwasmeasured for each plate that comes from horizontally cutting the sample every 1 cm.The moisture of frozen part of specimen upon the freezing front increase,and the amount ofmoisture increased accordingwith the amount of frost heaving,while the moisture of unfrozen partof specimen under freezing front decrease.Themoisturemigration is the basic reason to the intensive frost heaving during soil freezing.

silty clay;frost heaving;moisture migration

TU411.91

A

1671-1211(2010)05-0615-04

2010-07-20;改回日期:2010-09-06

李树武(1973-),男,高级工程师,博士,水文地质与工程地质专业,从事地质工程、岩土工程方面的生产与科研工作。E-mail:DZSLS W@163.com