冻土期水工混凝土冻融膨胀观测试验研究

赵 波

(辽宁泽龙水利实业有限责任公司，沈阳 110003)

0 前 言

东北地区进入冬季后，气温较低，土壤开始处于冻结阶段，水工混凝土受冻土期变化，较易出现明显的冻融膨胀变化特征，因此在水工混凝土施工期，需要对其冻土期的冻融膨胀特征进行分析，从而设定相关水工混凝土的抗冻指标[1]。近些年来，对弈北方寒区冻融膨胀的观测试验取得一定的研究成果[2-7]，这些研究成果大都表明冻土期水工混凝土的冻融变化特征十分明显，冻融初期和缓冻期膨胀量变化具有较为明显的差异性，需要对不同时期的冻融膨胀量进行试验分析，才能定量分析冻融膨胀的具体影响程度。此外对于冻融膨胀量的影响因素探讨研究还较少，多个研究成果表明含水率和温度是冻土期水工混凝土冻融膨胀两个主要影响因素，但哪个影响因素是其变化主因还未得到相关研究。结合上述2个科学问题，文章从工程实际出发，以辽宁某工程为研究实例，通过冻土期水工混凝土的冻融膨胀进行观测试验，分析冻土期冻融膨胀量在不同时期的变化特征，并分析其变化影响的主要因素。研究成果对于北方地区水工混凝土施工抗冻指标设计具有重要的参考价值。

1 观测试验方法

1.1 采样方法

在进行冻土采样时，主要对其表层厚度在2.5-3.5m深度下的土层进行采集，按照合《土工试验方法标准》对采集的土样进行密封处理，土样的剔除和筛选按照四分方法进行处理。首先采样溶解性试验对采集的冻土进行预先处理，采集的冻土样品溶解离子试验结果，见表1。从试验结果可看出，冻土中溶解的Ca2+的浓度较大，而Cl-作为浓度最高的阴离子存在冻土溶解液中。此外对采集的冻土进行颗粒级配试验，采集的冻土颗粒级配试验结果，见表2。

表1 采集的冻土样品溶解离子试验结果

表2 采集的冻土颗粒级配试验结果

1.2 试验仪器

冻融膨胀观测主要分为3个试验步骤：

第1步：观测试验仪器的准备，本次观测试验主要采用试验筒、温控监测系统作为冻融膨胀量和温度的监控试验数据的采集。

第2步：对水工混凝土的冻融变形特征进行观测试验。本次选用内筒直径为100mm的观测筒对冻融膨胀量进行观测，观测筒高度和内部厚度分别为200mm和45mm，将热源灵敏传感器安装到观测筒的底部位置。冻结底板安装在融观测试验筒的顶部位置，底板直径和厚度分别为350mm和45mm。多个单孔设置在冻结底板位置，循环制动冻融的冷却溶液，4个排水孔安装在观测筒的顶部位置。将厚度为20mm的固定板安装在观测试验筒的底部位置，环形凹槽在固定板内部进行安装固定，钢架安装在底板和支撑板的中部区域，在冻融膨胀时底板不受其变化影响。

第3步：主要对水工混凝土的冻融变形特征进行监测，主要通过观测筒和磁仪器进行变形量监测，冻融观测试验高程和测试偏差分别为55mm和0.10mm。

1.3 试验步骤

采用5个试验步骤完成水工混凝土冻融膨胀的变化特征，各试验步骤分别为：

1)采用溶解试验对采集的冻土样品进行溶解离子和颗粒直径的大小分析，对其采集的冻土物理特征进行试验测定。

2)观测试验：采用空载试验的方式对其冻融前的含水率进行测定，将10cm的保温层包围在观测筒的外部区域，以保证同一个试验温度下进行冻融变化观测试验。

3)含水率的测定：将不同土样进行含水率测定后，进行搅拌均匀密封装入样品采集袋中，一般在常温条件下将试验土样的溶解液静置20h以上，从而确保采集的土壤样品具有相同的均匀度。

4)温控试验：在进行冻结观测试验时，需要对试验土壤温度进行严格控制，最好将试验土壤温度按照0.6℃/h进行逐步降温处理。

5)膨胀量试验：进入缓冻期后，将温控系统进行关闭，按照每3cm的深度从上向下逐步采集冻土，对采集的土壤样品采用烘干方法测定其含水率。

2 冻融膨胀观测结果分析

2.1 不同土样的冻融变化特征

对细粒和粗砂两种采集的土样进行冻融变化特征的观测试验，观测了不同含水率变化下两种类型土壤的冻融膨胀变化量，细粒土在不同含水量条件下的膨胀量观测结果，见表3；粗砂土在不同含水量条件下的膨胀量观测结果，见表4。

表3 细粒土在不同含水量条件下的膨胀量观测结果

表4 粗砂土在不同含水量条件下的膨胀量观测结果

2种类型冻土在不同含水率变化下具有相似的冻融变化特征，随着含水率的递增其冻融膨胀量逐步增加，主因是冻结初始阶段随着含水率的递增冻土的冻结比例相应增加，水工混凝土在冻结阶段冻融膨胀速率较大，也因此相应增加其膨胀量。在冻融初始阶段细粒随着冻融时间的增加其膨胀量有所减少，这主要是因为孔径较小的细粒土不易出现较为显著的冻融膨胀变化，而其冻融膨胀量显著递增的阶段主要出现在冻融期。粒径较大的粗砂土在冻结初期其冻融膨胀较大，其膨胀量要多于细粒。细粒和粗砂土在冻融期及缓冻期变化特征较为接近，在缓冻期两种冻土冻融膨胀量均呈现较为稳定的变化特征。

2.2 膨胀率与含水量相关度分析

对比分析两种类型冻土下冻融膨胀率与含水量之间的相关度，不细粒和粗砂土冻融膨胀率和含水率相关度分析结果，见图1。

细粒 粗砂

从2种类型冻土的冻融膨胀率和含水率相关度分析结果可看出，冻融膨胀率和含水率呈现较为明显的线性相关，细粒和粗砂冻融膨胀率和含水率相关系数均>0.8，属于高度相关，粗砂的总体相关度要好于细粒，这主要是因为孔径较小的细粒土不易出现较为显著的冻融膨胀变化，而其冻融膨胀量显著递增的阶段主要出现在冻融期，因此其相关度要低于粗砂土。从观测试验分析结果，水工混凝土的含水率是其冻融膨胀变化的主要，其次为气温。

2.3 冻融期垂向含水率变化试验

对细粒和粗砂冻融期垂向含水率进行观测试验分析，细粒冻融期垂线含水率分布，见图2；粗砂土冻融期垂线含水率分布，见图3。

ω=18% ω=24%

ω=18% ω=24%

从不同类型冻土冻融期含水率垂向变化可看出，冻土类型对其含水率垂向分布影响程度较小，顶部冻土层的含水率随着初始含水率的递增而逐步增加，而底部冻土层的含水率有逐渐减小的变化趋势，冻结较为严重的区域主要集中在冻土层深度为5-10cm的位置，不易冻结的土层厚度主要介于1.5-3.5cm的位置。随着含水率垂向深度的增加，含水率也逐步变化，且冻融膨胀量有所减少。粗砂初始含水量对其垂向分布影响较细粒要显著，冻结较为严重的土层深度主要介于8-9cm之间，不易冻结的土层深度主要集中在2-3cm的位置。不同类型的冻土对冻融膨胀影响程度有所差异。

3 结 论

1)随着含水率的递增水工混凝土冻土层的冻融膨胀量逐步增加，主因是冻结初始阶段随着含水率的递增冻土的冻结比例相应增加，水工混凝土在冻结阶段冻融膨胀速率较大，也因此相应增加其膨胀量。

2)粒径较大的粗砂土在冻结初期其冻融膨胀较大，其膨胀量要多于细粒。细粒和粗砂土在冻融期及缓冻期变化特征较为接近，在缓冻期两种冻土冻融膨胀量均呈现较为稳定的变化特征。

3)从不同类型冻土冻融期含水率垂向变化可看出，冻土类型对其含水率垂向分布影响程度较小，顶部冻土层的含水率随着初始含水率的递增而逐步增加，而底部冻土层的含水率有逐渐减小的变化趋势。