季节性冻土期水利工程混凝土的冻融膨胀试验分析

韩显达

(朝阳市水务局，辽宁 朝阳 122000)

0 引 言

中国北方寒冷地区普遍存在季节性冻土，而水利工程的安全运行受水工混凝土冻融膨胀特别是季节性冻土期的影响十分显著。因此，寒冷地区水利工程设计必须考虑季节性冻土期水工混凝土的冻融膨胀问题[1]。关于混凝土的冻融膨胀研究我国尚处于起步阶段，大多利用试验观测的方式分析冻融膨胀阶段的混凝土含水率变化特征[2-6]。例如，蔡正银等[7]试验研究了输水工程的地基冻胀-土盐特性，结果显示输水工程的水头损失主要来源于地基土样冻融膨胀。冬季辽宁地区气温较低，季节性冻土分布广泛，水利工程设计必须考虑水工混凝土的冻融膨胀特性[8-10]。因此，有必要通过试验观测揭示其冻融膨胀特征，为合理设计水利工程方案提供科学依据。

1 试验方法

1.1 试样采集

一般地，以距离地表3～4m深进行土样采集，采样后立即密封包装，并对试验土样利用四分法和《土工试验方法标准》进行筛选、剔除，经溶解性分析确定试验土样化学组分，试验土样的化学组分，见表1；土样颗粒级配，见表2。结果显示，土样中的阳离子Ca2+和阴离子Cl-的含量较高。

表1 试验土样的化学组分

表2 土样颗粒级配

1.2 观测仪器

冻融膨胀观测仪器主要有试验筒、温度监测与控制系统、冻融膨胀变形监测仪3个部分，其中试验筒高150mm，内壁厚35mm，筒径100mm，热源灵敏传感器沿纵向筒深每隔30mm安装。冻结底板安装在试验筒顶部，底板厚30mm，直径300mm，为维持冷却液的循环制动对冻结底板挖设多个单孔，顶部布置进出排水孔4个，底部安装厚度15mm的固定板，为便于固定内部内设环形凹槽，支撑板与固定底板之间按钢架以确保冻融观测时底板不因膨胀而发生变形；试验选用国产温控系统，温度监测与控制系统的温控精度达到0.1℃；冻融膨胀变形监测仪主要由试验观测筒和磁仪器所组成，膨胀变形监测精度达到0.05mm，最大测试高程60mm。

1.3 试验流程

1)步骤1：冻融试验。首先测定分析试验土样的颗粒粒径、溶解性等主要物理特性，为了确保试验仪器的正常运行，在冻融试验开始前先进行空载，然后用10mm厚的保温层包围观测筒外部，以保证试验土样处于相同保温层内。

2)步骤2：准备土样。搅拌均匀后，将含水率不同的土样分别装入袋内，常温静置24h以确保试验土样的均匀混合。

3)步骤3：测定冻结含水率。采用温控系统逐步降低试验土样温度，设定温降速率0.5℃/h，冻融膨胀达到稳定后关闭温控系统，每隔3cm深从土样顶部逐层向下取土，将各层土样的含水率利用烘干法测定。

2 结果与分析

2.1 冻融膨胀试验结果

不同含水率下的粗砂土和细粒土冻融膨胀量，见表3；其中w为含水率；冻融膨胀量变化曲线，见图1。

表3 不同含水率下的粗砂土和细粒土冻融膨胀量

续表3 不同含水率下的粗砂土和细粒土冻融膨胀量

(a)细粒土 (b)粗砂土

由表3可知，随着含水率的增加粗砂土和细粒土的冻融膨胀量均表现出增大趋势，这是由于含水率越高则冻融阶段的冻结率就越大，水工混凝土在该阶段的冻融膨胀量也就越高。

图1(a)表明，冻融过程中细粒土的膨胀变化可以分成冻融和稳定2个阶段。在冻融阶段，初始冻融膨胀量随着冻融时间的延长有所减小，这是由于细粒土的孔径较小难以形成比较明显的冻融膨胀，冻融阶段的膨胀量表现出快速上升趋势，曲线增长梯度不断增加并达到最高，而稳定阶段的冻融膨胀量变化较小[11]。图1(b)表明，冻融阶段粗砂土的初始冻融膨胀量不断上升，这是由于粒径较大的粗砂土冻融量要远远大于细粒土，其冻融和稳定2个极端的冻融量变化过程与细粒土基本相同。冻结阶段，粗砂土冻融量表现出明显的增长趋势，而稳定阶段的变化不明显。

2.2 相关性数据分析

根据含水率检测数据，深入分析不同含水率与粗砂土、细粒土冻融膨胀率的相关性，冻融膨胀率与土样含水率关系图，见图2。图2表明，冻融膨胀率与粗砂土、细粒土含水率之间存在显著相关性，其相关系数达到0.8850、0.8516，即冻融膨胀率与粗砂土含水率的相关性优于细粒土，这与粗砂土、细粒土的粒径相关，粒径越大则相关性越好，故细粒土的相关性略小于粗砂土。总体而言，两种土质的冻融膨胀率与含水率均存在显著相关性，即水工混凝土的冻融膨胀受土样含水率的影响较大[12]。

(a)细粒土 (b)粗砂土

2.3 含水率纵向分布特点

依据相关试验数据，全面探讨冻融膨胀阶段不同土样含水率的纵向分布规律，粗砂土纵向含水率变化曲线，见图4。图3表明，初始含水率越高则细粒土顶部含水率越大，其底部越小，土样6～9cm高度区间的冻结比较严重，而1～3cm高度区间不易冻结；因此，土样高度越小则含水率越大，其发生冻融膨胀的概率越低。图4表明，不同初始含水率条件下，粗砂土的含水率纵向分布具有明显差异，土样8～9cm高度区间的冻结比较严重，而2～3cm高度区间不易冻结。总体而言，质地不同的土样其发生冻融膨胀的深度也存在一定的差异[13-15]。

(a)w=10% (b)w=20%

3 结 论

通过试验研究水工混凝土冻融膨胀特征，主要得出以下结论：冻融膨胀阶段的土样膨胀速率较快，水工混凝土冻融膨胀曲线梯度呈快速上升趋势，稳定阶段的冻融膨胀率上升幅度减小逐渐达到稳定；冻融膨胀率与含水率呈显著的线性关系，为了减小混凝土冻融膨胀率，在施工阶段要严格控制土样含水率；制约水工混凝土冻融膨胀的关键因素是含水率，而引起冻融膨胀的主因是水分纵向变化。