淮南弱膨胀土冻胀融沉特性

朱 杰， 王 蒙

(1.安徽理工大学土木建筑学院，淮南 232001；2.无锡市勘察设计研究院有限公司昆山分公司，昆山 215300)

膨胀土是一种土中黏粒成分主要由亲水性矿物组成的特殊土，具有显著的吸水膨胀和失水收缩的变形特性。膨胀土在中国分布范围很广，河南、湖北、安徽等20多个省均分布有大面积的膨胀土[1-2]。在冻土地区或采用人工冻结法施工的工程中，当膨胀土受冻后，土中的水分发生冻结或迁移，含水率随之改变，进而使膨胀土的胀缩性产生变化，加之随着温度的降低和升高，土体发生冻胀融沉现象，对工程造成很大的危害[3]。如淮南部分矿区采用冻结法凿井时，在膨胀黏土段常出现井帮向内位移、工作面底鼓严重的现象，从而使冻结壁失稳，造成冻结管折断。停止供冷后，冻土的融沉又对井壁产生附加应力，影响井筒稳定性。目前对于土体冻胀融沉的性质已有一定的研究。魏厚振等[4]对饱和粉土进行了冻结试验，并通过改变边界温度和试样高度，研究了冻土水分迁移、水分重分布、冻胀及冰透镜体发展规律；陈爱军等[5]进行了重塑黏土的冻结试验，分析了含水率与温度梯度对冻胀和水分迁移的影响；潘鹏等[6]以初始干密度、冻融循环次数为因素，研究了宁夏饱和黄土在不同补水条件下的冻胀和融沉性质；何平等[7]认为融沉系数与冻土中的含冰量和干重度有关，并将融沉分为3个状态分析，给出了融沉系数计算方法。但对于膨胀土的冻结融沉特性方面的研究极少，因此以淮南弱膨胀土为研究对象，进行了不同条件下的冻胀和融沉试验，可为富含弱膨胀土的地区在进行人工冻结法施工时提供依据。

1 试验内容及方法

1.1 试验装置研制

试验是在自主研制的冻胀融沉试验装置上进行的，装置主要由温控系统、加载系统、数据监测系统(包括位移监测、温度监测)、补水系统等部分组成，试验装置结构如图1所示，试样筒为有机玻璃制成，筒壁开孔，可安置温度传感器，精度达±0.5 ℃。顶底板由低温恒温槽循环液控制温度，温度范围为-40～+90 ℃，温度波动度±0.05，竖向荷载通过杠杆施加，采用位移传感器测量竖向变形，精度为0.01 mm，外部采用保温绝热材料进行隔热处理。

图1 冻胀融沉试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of freeze-heaving and thawing settlement test device

1.2 试验方案

冻胀试验：本次试验研究膨胀土在不同含水率、冷端温度、干密度及含盐率条件下的冻胀特性。冷端温度根据《煤矿冻结法开凿立井工程技术规范》(MT/T 1124—2011)选择3个温度水平，含水率等按本地区膨胀土表征值的一般范围确定，采用底板单向冻结方案，试验条件如表1所示，为单因素多水平的冻胀试验。融沉试验：研究在不同含水率、冷端温度及上覆荷载条件下的融沉特性。

表1 冻胀试验方案

1.3 试件制备与试验方法

试验用土取自淮南冲积黏土，呈褐黄色，土质细腻，通过常规土工试验，得到其基本物理指标如表2所示。根据《膨胀土地区建筑技术规范》(GB 50112—2013)，自由膨胀率在40%～65%的土为弱膨胀浅势，因此试验用土为弱膨胀土。

表2 试验用土的基本物理指标

试件采用直径60 mm，高100 mm的圆柱形土样。冻胀试验步骤：将试验用土烘干、粉碎、过筛，按照试验要求配制相应土样，在封闭条件下静置养护24 h。为防止冻结时筒壁对土样产生阻力影响冻胀量大小，先将制样筒内壁均匀地涂上凡士林。提前启动高低温恒温循环装置进行预冷，当底板达到试验要求温度时，进行试样安装，外部用保温材料围裹，试样筒的侧面安设温度传感器，用蜡将测温孔封住，防止水分流失以及提高温度测量精度，启动数据采集系统[8]。试验装置如图2所示。融沉试验步骤：制备试样，将试样在低温箱冻结至所需温度，持续24 h，安装试样到冻胀融沉仪上，为使加压上盖与试样接触良好并同时获得融沉系数，先施加10 kPa荷载，让土体在20 ℃条件下融化，当2 h内沉降小于0.02 mm则认为沉降稳定。

图2 冻胀融沉装置Fig.2 Physical graph of freeze-heaving and thawing settlement device

2 试验结果分析

2.1 冻胀分析

2.1.1 各因素对冻胀性的影响

2.1.1.1 含水率对冻胀性的影响

通过冻胀试验可得不同含水率下试样冻胀率随时间变化曲线如图3所示，可见在冻结初期，试样处于快速冻结状态，冻胀速率大，随着时间推移，冻胀速率均有所减缓，在33 h后趋于平稳，含水率越高，其平均冻胀速率和总冻胀量越大[9]。含水率为20%、22%、24%时的冻胀率分别为3.94%、4.54%、5.53%，即含水率每增加1%冻胀率则增大0.4%，可见含水率对总冻胀量的影响非常显著。

图3 不同含水率下冻胀率与时间关系曲线Fig.3 Relation curves between frost heaving ratio and time under different water content

开始试样底端冻结发展较快，随着冻结锋面的上移，冷量传递速度和温度梯度逐渐减小，上部水分向锋面迁移，水相变成冰会释放潜热，导致冻胀速率减小。土体含水率越高，从未冻土中迁移过来的水越多，降低相同的温度时，所要吸收的冷量比含水率小的土体更多。因此冻结锋面推进速度较慢，这给未冻水的迁移留有了一定的时间，因此有较多的水分会在冻结锋面处结晶，冻胀率较大。

冻土的冻胀规律可以用指数函数y=a(1-e-bt)描述，其中y代表冻胀率，t表示时间，a、b为试验常数。对图3所示曲线进行拟合得到(R2均为0.998)：

(1)

2.1.1.2 冷端温度对冻胀性的影响

图4所示为3种冷端温度条件(含水率20%)下冻胀率的变化，可以看出，当冷端温度较低时，温度梯度较大，原有水分以极快的速度冻结，冻结锋面稳定时间较短，推进速度较快，此情况下水分迁移量较少，冻胀率有限。冷端温度为-20 ℃和-15 ℃的试样冻胀率较为接近，35 h冻胀率分别为3.94%和4.57%，相差约16%。而-10 ℃试样冻胀率明显高出其他两种温度，最终达到6.93%，比-20 ℃时高出76%。这是因为冷端温度较高时，温度梯度较小，冻结锋面推进速度慢，水分有足够的时间向锋面迁移，较大的相变潜热又同时延缓了冻结锋面的推进，使得锋面处水分集聚较多，形成较厚的分凝冰夹层，因而冻胀率较大。

图4 不同冷端温度下冻胀率与时间关系曲线Fig.4 Relation curves between frost heaving ratio and time under different freezing temperature

2.1.1.3 干密度对冻胀性的影响

图5表明，当试样的干密度由小变大时，冻胀率也随之增大。在干密度较小土体颗粒分布较松散时，冻胀率随着干密度增长变化较快，干密度从1.65 g/cm3到1.70 g/cm3，冻胀率由2.9%增加到3.72%，增长幅度为28.3%，这时干密度对冻胀率影响较大，而干密度为1.75 g/cm3时冻胀率为3.94%，增长幅度仅5.9%，干密度的变化影响减小。当土体的含水率等条件相同时，增大其干密度相当于减小其孔隙度，进而使土体饱和度上升，土中水结冰体积膨胀占据孔隙后，挤压周围的土颗粒，冻胀量更大。

图5 不同干密度下冻胀率与时间关系曲线Fig.5 Relation curves between frost heaving ratio and time under different dry density

2.1.1.4 含盐率对冻胀性的影响

在人工冻结法施工中，常遇到土层中含有各种盐分，这些盐分不仅影响到土层的冻结温度，进而延缓了冻结壁交圈时间，而且会影响土层的冻胀性质。为研究含盐分对土体冻胀的影响程度，试验选用无水硫酸钠作为外加盐添加到试样中，试验用水为蒸馏水，土样经过水洗去盐。图6所示为不同含盐率下冻胀率与时间关系曲线，可见，土体冻胀率随含盐量的增加而减小，含盐量分别为0%、1%、1.5%、2%时的35 h冻胀率分别为3.94%、3.22%、2.28%、1.72%，其中含盐2%比不含盐试样减小了56.3%，可知硫酸盐在土体中具有一定的抑制冻胀量的作用。主要原因是试样孔隙中易溶盐离子浓度增高，和土颗粒中原有吸附的离子置换，使土颗粒的表面能和毛细作用降低，因此造成土体中水分迁移程度降低，同时盐分的添加增加了土中未冻水含量，以至于减小了土体的冻胀性。

图6 不同含盐率下冻胀率与时间关系曲线Fig.6 Relation curves between frost heaving ratio and time under different saltbearing content

2.1.2 温度场测试

这里只给出A3试样(含水率24%，冷端温度-20 ℃)的温度变化曲线。图7所示为试样不同高度处温度下降曲线，可见在接近冷端的位置，其温度下降速率最快，且迅速达到稳定状态，之后温度保持不变，最终稳定温度也较低，距离冷端越远，则温度下降速度相对越慢，稳定温度越高。在距离冷端为0、20、40、60、80 mm处其稳定温度分别为-20、-13.6、-7.6、-2.8、1.3 ℃，试样在80 mm处达到正温。由于试样冻结温度为-1.1 ℃，由图8可知，温度沿试样高度基本成线性分布，用插值法确定其未冻土和已冻土段的界面在68 mm处，当然，沿土样高度安设更密集的温度传感器可更准确地获得界面位置，但同时也会对冻胀变形产生影响[10]。

图7 冷端温度为-20 ℃时A3试样温度曲线Fig.7 Temperature curve of sample A3 at -20 ℃

图8 A3试样温度随高度变化曲线Fig.8 Temperature curve of sample A3 with height

以土层温度差与高度差之比定义温度梯度值，作出温度梯度随时间变化曲线，如图9所示，试样各层温度梯度在试验开始均快速增大，并达到最大值，在0～20、20～40、40～60、60～80 mm各段分别为1.265、0.505、0.31、0.195 ℃/mm，距离冷端越近的土层，温度梯度越大，随着与冷端距离增加，传递冷量减小以及迁移水的潜热释放，温度梯度逐渐减小。当试验进行到500 min时，土体内重新达到热平衡，这时各层温度梯度基本稳定，梯度值分别为0.345、0.305、0.255、0.195 ℃/mm。

图9 A3试样的温度梯度曲线Fig.9 Temperature gradient curve of sample A3

整理可得在3种冷端温度条件(同一含水率20%和干密度1.75 g/cm3)下的冻结深度随时间变化曲线，如图10所示，在冻结初期，冻结深度发展较快，随后逐渐减缓，一定时间后，冻结深度基本不变，达到冻结稳定阶段。稳定后的冻深在-10、-15、-20 ℃时分别为33.5、59.6、69.6 mm，可见冻深随温度降低而增加，但在-15 ℃以上冻深增加幅度较大，-15 ℃以下则幅度较小，且冻深稳定与温度场稳定时间基本一致。

图10 不同温度下冻结深度随时间变化曲线Fig.10 Relation curves between frozen depth and time under different temperature

2.1.3 水分场测试

冻结试验结束后，将试样取出并沿高度分别切割成薄片，测得相应的含水率分布。试验结果显示，各试样冻后的水分分布情况大致相同[11]，以冻结温度为-20 ℃，含水率分别为20%、22%、24%的试样A1、A2、A3为研究对象，从图11中可以看出，已冻区的含水率比初始含水率大，未冻区的含水率比初始含水率小，最靠近冷端的位置，含水率基本不变，当逐渐远离冷端时，含水率逐渐增大，直至增大到一个最大值，含水率迅速减小到低于初始含水率水平。对含水率为20%、22%、24%的试样，其含水率最大值分别达到24.6%、25.1%、26.3%，而暖端含水率则分别降低到15.5%、16.7%、17.9%。 这是由于在靠近冷端的位置，温度梯度较大，土样迅速降温冻结，水分还来不及迁移，基本为原位冻结，所以水分增长不明显。随着冻结锋面的推进，温度梯度逐渐减小，冻结锋面的移动速度有所减缓，出现较显著的水分迁移，使含水率增大，A1土样在-20 ℃冻结深度稳定在69.6 mm，当高度超过冻结锋面后，温度高于冻结温度，水分不断从暖端向冻结锋面迁移，最终在冻结缘附近集聚，故冻结缘附近含水率最大，各试样出现最大含水率的位置均为60～80 mm处，与冻结深度一致。图12所示为3种温度(同一含水率20%)下的冻后水分分布。可见随温度降低，冻结深度增大，含水率最大值位置提高，在-10、-15、-20 ℃下含水率最大值分别为23.9%、23.9%、24.6%，而暖端含水率分别降低到16.6%、17.2%、15.5%。

图11 不同初始含水率冻后水分沿试样高度分布Fig.11 Distribution of moisture along the sample height after freezing at different initial moisture content

图12 不同冷端温度下冻后水分沿试样高度分布Fig.12 Distribution of moisture along the sample height after freezing at different cold junction temperatures

2.1.4 冷生构造

通过对冻结试样进行观察分析，冻土构造纵剖面可分为4个带，如图13所示。

图13 土体冷生构造图Fig.13 Soil cryogenic structures schematic diagram

(1)整体状构造带，图中A线以下部分，这部分靠近冷源，因此孔隙水迅速完成了原位冻结，基本没有水分的迁移。这部分特点是有较少的横向细小裂纹，肉眼几乎看不到冰晶[12]。

(2)薄层状构造带，图中AB线范围内，此范围内冻结锋面移动速度持续减慢，少量孔隙水从未冻土迁移到冻结锋面处冻结，形成薄层状冰透镜体。特点是冰透镜体较密集，自下而上冰层逐渐增厚，水平连续性变好。

(3)分凝冰厚夹层构造带，图中BC线范围内，此范围内有一条较厚的冰带，此带以上为冻结缘，在冻结速率很小时，水分不断集聚于此，当持续时间足够长，则形成了分凝冰厚夹层。

(4)未冻土，即图中的C线以上部分，这部分土在冻结温度以上，含水率减少，存在固结作用，因此干密度比冻结试验前增大。

2.2 融沉分析

冻土融沉的原因在于胶结冰相变成水，在自重应力和外荷载作用下孔隙水排出，土体产生体积压缩。从表3可以看出，当含水率升高和温度降低时，其融沉量呈现增大的态势[13]，其他条件相同时，含水率由20%到24%，融沉量增加了31%，即含水率每提高1%，融沉量增加7.75%。随含水率增加，融沉量变化幅度减小。而温度从-10 ℃到-20 ℃，融沉量增加85.7%，增加幅度显著。因为温度降低时，土中未冻水含量减少，已冻水增加，导致冻胀量和融沉量均有所增加。

根据经典冻土力学概念，通过推导可得土层竖向应变为

ε=a0+mVΔp

(2)

式(2)中：a0为融沉系数；mV为体积压缩系数；Δp为竖向应力。由初始荷载(10 kPa)融沉试验可得a0=5.6%，结合各级荷载100、300、500 kPa下的融沉量，利用式(2)进行线性拟合得到mV=0.1 MPa-1(R2=0.94)。

表3 融沉试验结果

3 结论

对淮南弱膨胀土进行了不同条件下的冻胀和融沉试验，并测定和分析了土中温度分布和水分迁移的规律，得到以下结论。

(1)土体冻胀率随含水率增加而增大，含水率每增加1%冻胀率则增大0.4%，可见含水率对冻胀率影响较大。冻结初期冻胀速率较快，随后缓慢降低，33 h后趋于平稳，冻胀率随时间关系可由指数函数y=a(1-e-bt)描述。当冷端温度较低时，土体中温度梯度大，冻结锋面推进速度快，土体冻胀率有限，而当冷端温度升高时，水分迁移量增加，土体冻胀率随之增大。随着干密度的提高，冻胀率前期增长较快，后期增长幅度减少。另外，当土体硫酸盐含量增加时，冻胀量受到抑制而相应减小。

(2)接近冷端位置时，土体降温速率最快，且迅速达到稳定状态，离冷端越远，降温速率越慢，最终稳定温度越高。试样冻结深度也呈现初期发展速度快，随后逐渐减缓以致最后趋于稳定的态势，且随温度降低而增加。

(3)冻结区含水率比初始含水率大，未冻区含水率比初始含水率小，含水率最大的部位出现在冻结缘附近，与冻结深度基本一致。

(4)土体融沉量随含水率的升高和温度的降低而增大，由不同荷载下的融沉量可确定融沉系数和体积压缩系数，可为计算冻土沉降提供参数。