冻土试验方法浅析

邱良军

(铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津 300251)

1 概述

冻土是温度低于0 ℃且含有冰的土岩。而多年冻土在两年或两年以上都处于冻结状态,只有表层几米的土层处于夏融冬冻的状态。在多年冻土地区的主要工程地质问题有融沉、冻胀等不良地质现象。

在2008年5月、10月及2009年5月到大兴安岭的漠河进行了冻土的勘察试验工作。由于工地现场的试验室条件有限，只做了筛分、液塑限、比重、含水量、密度、融沉压缩等几项试验,其中筛分、液塑限、比重试验与正常土试验无区别,在此就不赘述，下面针对含水量、密度、融沉压缩等几项试验谈一点自己工作中的感悟,敬请专家批评指正。

2 试验过程

2.1 冻土的总含水量

即冻土中所有的冰和未冻水的总质量与土骨架质量之比；即冻土在100 ℃至105 ℃温度下烘至恒重后所失去水分的质量与所达到恒重后干土质量之比，用百分数表示。

由于冻土中含有大量的冰(特别是富冰冻土)且冰的分布很不均匀,这就造成整个土体均匀性很差,在做含水量时就要注意取样的代表性且要尽量多取些(一般取500 g以上)，如含冰量较少的细粒土，可视情况减少取样量。

冻土的含水量是判定土冻胀性的关键指标,一定要做准确。

2.2 密度

根据冻土的特点和试验条件选用液体称量法、联合测定法、充砂法和环刀法。

液体称量法适用于表面无显著孔隙的冻土。

联合测定法适用于层(网)状冰构造的黏性土或砂类土。

充砂法适用于表面有明显孔隙的冻土。

环刀法适用于土温高于-3 ℃的黏性土和砂类土。

冻土密度试验宜在负温环境下进行。无负温环境时,应采取保温措施和快速测定。在试验过程中,冻土表面不得发生融化。

密度试验主要用了液体秤量法、环刀法、充砂发几种方法,下面加以叙述。

液体秤量法：先将水冷冻至0 ℃,而后用斧子将冻土样砍成需要的尺寸,之后用细线捆住试样后进行称量。

充砂法：先筛出0.25 mm至0.5 mm的砂备用，再标定量砂密度(步骤参见土工试验规范中之灌砂法测密度),之后按照规范中所述冻土充砂法测密度。

环刀法：冻土非常坚硬，用环刀法制件非常困难,经过不断摸索找出了一些制件方法。图1、图2为环刀法密度制件工作过程示例。

图1 环刀法密度制件(一)

图2 环刀法密度制件(二)

2.3 室内融沉试验

冻土融化压缩试验有现场原位测试及室内试验两种,室内试验方法比较成熟,应用也较久,其方法基本上与融土的压缩试验相似。

本试验的目的是测定冻土融化过程中的相对下沉量(融沉系数)和融沉后的变形与压力关系(如图3所示)。

图3 单位变形量与压力关系曲线

(1)开土

由于工作量不大，此次外业试验未购置专用的冻土切削制件设备,到现场后购置了一些简单的工具(见图4),有瓦刀、斧头、钢锯、粗齿的手锯(锯木头用的)、木锉、刷子(刷洗设备用)等。由于冻土的冻结强度很大,人工制件非常困难。通过不断摸索，总结出一套方法：先用瓦刀和斧子把样品砍到比环刀直径略粗,用粗齿木锯进一步将样品刮锯到与环刀直径接近,再用木锉仔细锉至与环刀直径相同,然后一点点向下按环刀,第一个样品用了1个多小时的时间才慢慢制好。制出的样品比较理想。

图4 制件用工具

(2)试验过程

用循环热水使冻土试样中的冰融化,在自重作用下发生热融沉陷；然后再对试样施加法向压力,使其在有侧限状态下产生压缩变形,其原理同融土压缩试验。

(3)重塑冻土的融沉试验

对原状冻土和重塑冻土(先将冻土融化,拌和均匀,再将拌和好的土样装至环刀中,之后放入冰箱中冻结,即制成冻土的重塑试件)的融沉试验结果做了一些对比(见表1)。通过对比不难发现,重塑前后差异较大,考虑可能主要是土的内部组成结构差异所导致。

表1 原状冻土与重塑冻土融沉结果对比

原状土的结构不均,特别是含冰较多的冻土原状结构大多为层状,而经重塑后样品的结构都非常均匀,有的样品在原状时含有冰层，经融化后重塑，但有好多水加不进去,这样重塑后的土含水量就会减少一些；另一方面,对于含水量较小的冻土,原状时含有较多孔隙，而在重塑后,这些孔隙少了,密度就会增加一些。经过考虑分析,认为重塑前后融沉数据有差异是必然的,而用重塑后的土代替原状冻土做融沉试验是不可取的。

(4)注意事项

制冷：在做融沉试验过程中,压缩容器的结构是周围及底部制冷而上部为传压板加热,虽然有制冷与没有制冷土体最终都融化,但在实际工作中制冷的作用还是很大的。取土环刀是尼龙制的，如果没有周围的制冷,环刀遇热后会产生变形，卡在容器中不易取出。由于有制冷,环刀不易变形,每次试验结束后,环刀就会很容易取出。另一方面,由于环刀变形很小,体积也不会有很大变化,增加使用寿命。

开样与装样：开样过程中,要注意不能把样品开偏,由于环刀有一定的可塑性,开土时一定要注意不能使其产生变形,否则将很难装入压缩容器中。对一些已变形的环刀,要坚决弃用,以免在工作中造成不必要的麻烦。

异常问题：当发现含冰较多的冻土,融沉下沉量却很小，这时要注意了,有可能是加压盖板被卡住了,要仔细地对其进行检查。一般在做完一个试验后拆样时,要特别观察一下样品的压后状况,如样品很软、含水量大等都属于未压好。

加热及制冷循环时间：通过一段时间融沉试验的结果看,开始加热后前2 h的压缩变化量很大,2 h后变化就小一些了。当融沉稳定后关闭加热、制冷系统后，又会产生明显的沉降(一般5～20格)，可能是由于热胀冷缩的缘故。经过一段时间的总结，冷热循环系统一般开3 h就可关闭,之后再等到融沉稳定(0.005 mm/2 h)后,再进行后面的加荷。

百分表的调整：含冰较多的冻土融沉试验时的下沉量较大,有的可达15～20 mm,而百分表的量程只有10 mm。因此,在做含冰较多的冻土的融沉试验,每一次读数时要观察一下百分表及仪器的状态,随时加以调整,保证试验的准确。

3 怎样保持冻土的原状状态

由于冻土本身的特性,冻土的取样及取样后到试验前的保存非常关键,因为如果样品保存不好融化了，或者存放在冰箱中时其温度大于或小于天然状态下土层中的温度(等于地层中的温度几乎是不可能),这都会破坏土的原状状态,而导致做出来的试验结果与实际地层情况将会差之千里(尤其是融沉试验)。

怎样保证取回的冻土土样为原状状态，需注意以下几方面的问题：第一,外业取样要有车载冰箱，不能只采用简单的保温措施,且冰箱要加装温控器保证冰箱的温度可控。第二,试验室样品的保存也应有温度可控的试验专用冰箱。第三,对野外地温进行观测,根据本地区地温的观测结果,确定车载冰箱及试验冰箱的温度。第四,样品制件过程一定要在负温条件下进行,保证制件过程中样品不融化。第五,根据当地气温环境科学确定勘察时间,以漠河为例，最佳勘察时间为上半年3月下旬至5月初，下半年10月上旬至11月上旬两段时间。

[1]GB 50324—2001 冻土地质勘察规范[S]

[2]GB/T50123—1999 土工试验方法标准[S]

[3]TB 10102—2004 铁路工程土工试验规程[S]

[4]刘红军,程显春,马介峰.多年冻土的力学性质[J].东北林业大学学报,2005(2)

[5]王 瀚.冻土融化压缩性试验研究[J].山东煤炭科技,2010(1)