珲乌高速公路冻土原状样融沉特性试验研究

覃 宇

(广西翔路建设有限责任公司，广西 南宁 530029)

0 引言

冻土物理学中将温度为负温或零度，并且含有冰的各种土统称为冻土[1]。我国冻土面积约占国土总面积的1/2以上，是世界第三大冻土国。随着全球气候变暖，世界各地的冻土资源呈现出退化的趋势。我国冻土退化现象也极为显著，东北地区的多年冻土南界不断向北推移，地下冰融化形成热融湖、热融沉陷；一些地区的冻胀丘数量逐年减少，个别甚至消失得不见踪影。冻土退化伴随而来的冻土融沉问题，给冻土区内的交通工程及建筑物安全稳定运营带来了严重的影响。

冻土融沉一直是国内外工程界比较关注的问题。前苏联在冻土研究方面贡献卓越，崔托维奇早在20世纪30年代就开始研究冻土的物理力学性质；戈里什腾对冻土融沉压缩性进行了研究[2]；舒谢丽娜与崔托维奇一同给出了冻土融化压缩系数的确定方法[3]。其它国家的冻土研究也开展得比较早，美国的Virgil.J.Lunardini研究了冻土融化于地面温度线性变化之间的关系[4]；加拿大的W.G.Brown和G.H.Johnston确定了冻土融沉试验方法[5]；日本学者T.Ono设计了三轴冻融试验仪等[6]。我国冻土研究起步相对较晚，中国科学院兰州冰川冻土研究所从1965年开始，相继在青海省木里、热水、将仓、青藏高原风火山、大兴安岭满归和黑龙江省大庆等地开展了冻土融化下沉试验研究。铁道部第三勘测设计院在大兴安岭地区、黑龙江省低温建筑研究所在龙凤地区也开展过试验工作。此外，西北研究所、齐齐哈尔科学技术研究所、牙克石林业设计研究院、吉林大学、兰州大学等单位也陆续开展了房屋、路基、管道、矿山、巷道的冻土地基融化深度的计算、预报以及防治冻土融化的施工等研究，为研究冻土区的冻土融沉问题奠定了坚实的基础。

本文依托珲乌高速公路冻土勘察项目，对沿线钻孔所取原状样进行冻土融沉压缩试验，通过对试验结果的分析，掌握冻土原状样的融沉特性，对珲乌高速公路沿线的地基土做出危险性评价。

1 试验概况

冻土融沉压缩试验可分为室内试验与原位测试两种。本文采用的是室内试验方法，试验土样来自中俄原油管道二期工程沿线的冻土勘察钻探取样。

1.1 土样制备

将冻土原状样在低温实验室中，用环刀切取成样，制样过程中需要保持冻土原状样不能融化，低温实验室内温度要保持在-5 ℃。切取之后的试样要保持层面与原状样层面一样，并且平整，不能有突出或凹陷。样品制备之后，需要将其用塑料薄膜进行密封，并放置于冰柜一段时间，使试样尽可能地保持冻结状态。

1.2 试验仪器

试验所用仪器主要为融化压缩仪，该仪器由固结压缩仪改造而成。与固结压缩试验不同，融化压缩试验首先在低温恒温室的墙上布置了一根紫铜管，该管与恒温室外的热水器相连，并且每隔30 cm设置一个出水口。而试验用的土样盒也与固结压缩试验有所不同，其传压板为加工制作而成，传压板内部中空，板上设置热循环水进出口，每个传压板上的进水口均与紫铜管上的出水口用橡胶管连接。其它试验所需的百分表、透水石、计时器等均和固结压缩试验相同。融化压缩仪如图1所示，试样盒如图2所示。

图1 冻土融沉压缩仪现场图

图2 融沉试验试样盒示意图

1.3 试验步骤

(1)在低温实验室内取样结束后，立即将试样称重，精确至0.01 g；再将其用塑料薄膜密封，放于冰柜冷冻30 min。剩余土料用于测定其基本物理性质指标。

(2)对融沉压缩仪进行标定，记录试验仪器设备变形值，用于试验结果的修正。

(3)将试样从冰柜中取出，放入融沉压缩仪内，上下各放置一张滤纸，之后在下面放置一块透水石，上面放置一块透水板；将百分表摆正，调零。

(4)开动外部热水循环器，保持恒温室内温度为-5 ℃。当热水开始循环后，热融沉陷开始，随即开动秒表，分别记录5 min、10 min、30 min、60 min时的变形量，并每小时观测一次，记录变形量，直至在连续2 h内的变形量<0.05 mm时为止。

(5)融沉稳定后，关闭热水循环器，并开始逐级加荷进行压缩试验。融沉试验采用三级加荷，第一级荷载为50 kPa，第二级荷载为100 kPa，第三级荷载为200 kPa。每级荷载加载完毕后，待变形稳定之后进行观测记录，直至最后一级荷载加载完毕为止。

(6)试验结束后，将试样从环刀内取出，并放置在烘箱内测定其含水率。

(7)按照式(1)计算冻土融沉系数a0(%)：

(1)

其中：a0——冻土融沉系数(%)；

h0——试样初始高度，本试验试样尺寸与环刀尺寸相同，为40 mm；

Δh0——冻土融化下沉量(mm)。

某一级压力稳定后的单位固结变形量按式(2)计算：

(2)

其中：si——某一级压力范围内的单位固结变形量(mm)；

Δhi——某一级压力下的变形量(mm)。

某一级压力范围内的冻土融化压缩系数按式(3)计算：

(3)

其中：atc——融化压缩系数(MPa-1)；

pi——某一级压力值(MPa)。

2 试验结果分析

本次融沉压缩试验共完成36个，根据开样时的描述与颗粒分析试验结果对土样进行定名分类，并对各类土的融沉系数a0与含水率w、干密度γd进行回归分析。为了便于统计分析，将试验土样分成三类，即细粒土、粗粒土与泥炭质土。其中细粒土和粗粒土可作为非泥炭化土进行分析。

2.1 a0-w关系

将计算所得的细粒土和粗粒土的融沉系数与含水率进行回归分析，其散点图分别如图3、图4所示。

图3 细粒土融沉系数与含水率关系图

图4 粗粒土融沉系数与含水率关系图

从图3～4中融沉系数的分布可知，细粒土与粗粒土的融沉系数均随含水率的增大而增大。这一规律表明，冻土在融化过程中原本呈固态的冰，随着温度不断升高而变成液态的水排出，从而使土体结构发生改变。在荷载作用下，颗粒将重新集结，因此产生竖向沉降。可见，冻土融沉特性受含水率的影响十分明显。对融沉系数与含水率进行回归分析，分析结果验证了这一显著规律。回归方程如表1所示。

通过数据分析可知，如果地基土的持水能力很高，在经过一个冻融循环周期后，势必要产生较大的沉降量，对建筑物带来严重的影响。相对而言，粗粒土的持水能力较差，比较适合作为地基土与回填土。

表1 回归分析计算汇总表

2.2 a0-γd关系

将计算所得的细粒土与粗粒土的融沉系数与干密度进行回归分析，其散点图如图5、图6所示。各种土融沉系数与干密度的回归分析方程如表1所示。

图5 细粒土融沉系数与干密度关系图

图6 粗粒土融沉系数与干密度关系图

由图5～6可知，融沉系数随干密度的增大而减小，这表明土体干密度越大，固体颗粒越密实，相对的其含水率越低，在冻土融化过程中，融沉变形量越小。

通过分析可知，干密度大的土，其密实程度较高，通常含水率较低，这类土比较适合作为地基土与回填土。粗粒土通常具有较高的透水性，对水系广布的大兴安岭地区而言，有利于降低冻胀与融沉的发生几率，但是需要注意控制粗粒土中的含泥量，否则将适得其反。

2.3 泥炭化土试验结果分析

本次冻土原状样中，还有7个泥炭化土样。由于泥炭化土样的融沉特性除了与含水率和干密度有关，其有机质含量对融化沉降变形量的影响也非常大，因此在分析泥炭化土样融沉特性时，必须考虑其有机质含量的影响。泥炭化土融沉系数散点图如图7、图8所示。

图7 融沉系数与含水率关系图

图8 融沉系数与干密度关系图

如图7～8所示，融沉系数随含水率的增大而增大，随干密度的增大而减小，但是趋势线比粗粒土和细粒土要相对平缓。而泥炭化土又会因其内部所含颗粒成分与有机质含量的不同，呈现出不同的融沉特性。通过对比，泥炭化粉质黏土的融沉系数要比泥炭化粉砂的融沉系数小。其中有三个泥炭质土试样的融沉系数并没有因为含水率的增大而增大，也不随干密度的增大而减小，而是随有机质含量的增大而增大。

分析表明，泥炭化含细粒土砾砂、泥炭化含细粒土角砾的融沉性对水的敏感度相对较弱，融沉变形量相对较小。而泥炭化黏性土由于其细粒含量较多，并且比较均匀，内部容易形成细小均匀的孔隙，对融沉变形十分有利。

3 结语

本文通过对冻土融沉压缩仪器进行改进，并利用改进的仪器对珲乌高速公路沿线冻土原状样进行了融沉压缩试验，分析了冻土原状样的融沉特性，得出结论：

(1)利用改进的仪器所得试验结果与普遍规律一致，验证了试验仪器的可适用性，其试验数据的精度满足规范要求。

(2)细粒土、粗粒土的融沉特性与含水率、干密度的关系基本相同，融沉特性随含水率的增大而增大，随干密度的增大而减小。在实际工程中，为了避免产生较大融沉变形，还需采用含泥量较少的砂砾、角砾等融沉特性较好的土作为回填材料。

(3)泥炭化土的融沉特性除了受含水率与干密度的影响外，还受有机质含量的影响。此外，泥炭化土的细粒含量多少同样会影响其融沉特性。在实际工程中，必须对泥炭化土进行处理，否则对路基十分不利。