李樹武,聶德新,吳吉春

(1.成都理工大學(xué),四川成都 610059;2.西北勘測設(shè)計(jì)研究院工程地質(zhì)研究所,甘肅蘭州 730050;3.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730000)

某類粉質(zhì)粘土凍脹與水分變化的試驗(yàn)研究

李樹武1,2,聶德新1,吳吉春3

(1.成都理工大學(xué),四川成都 610059;2.西北勘測設(shè)計(jì)研究院工程地質(zhì)研究所,甘肅蘭州 730050;3.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730000)

利用取自祁連山區(qū)的某類粉質(zhì)粘土,分別在塑限和液限兩種含水量條件下以封閉和開放兩種補(bǔ)水條件開展凍脹試驗(yàn),以便于了解不同水分條件下這類粉質(zhì)粘土的凍脹量變化和凍脹發(fā)展過程中土樣水分變化。試驗(yàn)結(jié)果表明,這類土在塑限封閉條件下凍脹量很小,幾乎可以忽略;在液限封閉條件下,土樣凍脹率可達(dá)3.4%;只有在開放補(bǔ)水條件下,土樣的凍脹率可達(dá)15%。試驗(yàn)結(jié)束后,分層測量土樣含水量結(jié)果表明,凍結(jié)鋒面以上部分土樣含水量增加,其增加量和凍脹量一致;凍結(jié)鋒面以下部分土樣含水量減小,凍結(jié)過程中水分遷移是土體強(qiáng)烈凍脹的根本原因。

粉質(zhì)粘土;凍脹;水分遷移

0 引言

土體作為一種多孔介質(zhì),在凍結(jié)時(shí)將會(huì)發(fā)生水分的遷移和體積膨脹,從而產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。在中國北方地區(qū),凍脹作用比較普遍。土體發(fā)生凍脹,對工程建筑物和構(gòu)筑物的基礎(chǔ)穩(wěn)定造成威脅,在凍結(jié)施工中造成不便和安全隱患,尤其對公路、輸水渠道影響不容忽視。為了掌握凍脹發(fā)生的規(guī)律,國內(nèi)外開展了各種條件下的室內(nèi)、室外試驗(yàn)、監(jiān)測,據(jù)此提出了很多有建設(shè)性的結(jié)論[1-3]。目前,人們已經(jīng)基本了解了凍脹發(fā)生的機(jī)理,確定了水分和土質(zhì)是控制凍脹發(fā)生的兩個(gè)關(guān)鍵因素[4,5]。在此基礎(chǔ)上,提出了各種行之有效的防止凍脹的措施和手段[5,6],取得了良好的效益。近年來,很多室內(nèi)凍脹試驗(yàn)關(guān)注凍融循環(huán)過程中土體的凍脹、融沉以及土體結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化[7,8],對試樣中的水分變化研究不多。通過對取自祁連山山區(qū)的某類粉質(zhì)粘土開展室內(nèi)凍脹試驗(yàn),深入分析水分條件和凍脹之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)所用土料取自祁連山區(qū)一洪積扇前緣。該類土干密度為1.33～1.42 g/cm3,液限35.60%,塑限19.62%,粒度分析曲線如圖1所示,土樣級(jí)配類型定為粉質(zhì)粘土。

圖1 土樣顆粒分析Fig.1 Particle size analysis

試驗(yàn)土樣在實(shí)驗(yàn)室重新配制(試樣在干密度條件下,按塑限和液限兩種含水量條件配制),試驗(yàn)制樣和測試均在凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。試驗(yàn)系統(tǒng)包括制冷系統(tǒng),溫控系統(tǒng),補(bǔ)水系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),土樣制成高11 cm,直徑10 cm的圓柱狀,裝入有機(jī)玻璃制成的圓筒內(nèi),圓筒上下端用制冷盤封閉,采用酒精作為制冷媒質(zhì)循環(huán)冷卻土樣至設(shè)定溫度。土樣筒下端與補(bǔ)水系統(tǒng)相連,模擬自然開放條件下土體的補(bǔ)水條件;土樣筒上端裝有位移測量裝置測量凍脹量,測量精度在 ±0.01 mm;土樣筒側(cè)壁每隔1 cm裝一個(gè)熱敏電阻測溫探頭,布設(shè)在土樣內(nèi)部,側(cè)壁用保溫材料包裹,以防止土樣側(cè)向熱交換。土樣筒放置在敷以保溫材料的試驗(yàn)箱內(nèi)。試驗(yàn)裝置如圖2所示。

試驗(yàn)采用自上而下的一維凍結(jié)方式,以模擬自然條件下的凍結(jié)過程。為了控制試驗(yàn)土樣內(nèi)的溫度梯度和凍結(jié)速度,試樣下端溫度控制在1.0℃,上端冷卻至-2℃或-1℃。在塑限和液限兩種初始含水量,封閉和開放兩種補(bǔ)水條件下,分別開展了塑限封閉、液限封閉和液限開放3組試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)用澳大利亞生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集儀(Data Taker 500)采集,每30 min采集1次,直至試驗(yàn)結(jié)束。

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental apparatus

試驗(yàn)結(jié)束后,對每個(gè)試樣取出垂直剖分,觀察冰透鏡體的形成和分布,并按1 cm厚度分層,分別測試各層內(nèi)的含水量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同水分條件下土樣凍脹

試驗(yàn)結(jié)果表明,表面凍結(jié)溫度為-1℃時(shí),試樣的凍結(jié)深度在3 cm左右,表面凍結(jié)溫度為-2℃時(shí),試樣凍結(jié)深度達(dá)到5 cm。三種水分條件下,土樣凍脹差異十分顯著,為了便于比較,選取凍結(jié)溫度為-2℃的3組試驗(yàn)結(jié)果列于表1中。試驗(yàn)終止后,變形測量結(jié)果顯示封閉條件下,初始含水量為塑限時(shí),土樣總變形量為0.1 mm,凍脹率僅僅為0.2%;初始含水量為液限時(shí),土樣變形達(dá)1.7 mm,凍脹率達(dá)3.4%,在開放補(bǔ)水條件下,初始含水量為液限時(shí),凍脹變形量達(dá)7.5 mm,凍脹率可達(dá)15%。

表1 試驗(yàn)土樣的基本參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Basic parameters and result of experimental soil sample

圖3 土樣凍脹量隨時(shí)間變化圖Fig.3 Frost heave amount change with time

圖3是三種水分條件下土樣凍脹量發(fā)展過程曲線,不同水分條件下土樣的凍脹量差異很大。塑限封閉條件下土樣凍結(jié)過程中幾乎沒有明顯的凍脹,盡管從表層凍結(jié)開始,向下凍結(jié)深度達(dá)到5.0 cm,其凍脹量始終沒有明顯變化,最終的凍脹量率只有0.2%。而在封閉的液限含水量條件下,土樣的凍脹量始終大于塑限封閉條件下的土樣,在試驗(yàn)時(shí)間50 h以后,凍脹曲線接近于水平,說明凍脹趨于穩(wěn)定。對比封閉條件下兩個(gè)不同含水量試樣的凍脹過程和最終凍脹量,可以得出這樣的結(jié)論,即在沒有水分補(bǔ)給條件下,土樣含水量低于一定值時(shí),土體不發(fā)生凍脹,也就是說土體發(fā)生凍脹需要達(dá)到或超過一定的臨界含水量。在開放補(bǔ)水條件下,土樣凍脹量發(fā)展很快,可以分為三個(gè)階段,初期幾乎沒有凍脹,中期凍脹快速發(fā)展,后期逐漸減緩,說明在補(bǔ)水條件下,土體中存在主凍脹帶。

松散土層發(fā)生凍脹,其凍脹量來自兩個(gè)方面的貢獻(xiàn)。其一是土顆?？障堕g的水分發(fā)生凍結(jié)時(shí),體積膨脹。自然水體結(jié)冰以后體積增大約1/9左右,在試驗(yàn)條件下,如果側(cè)向受限,其體積增量都體現(xiàn)在高度變化上,即水相變后的體積增量全部轉(zhuǎn)化為凍脹量,則其凍脹率可達(dá)11.1%。在該試驗(yàn)中,如果土樣中的水分就地凍結(jié),即單純由水的體積增量作為凍脹量,那么理論上,在液限含水量條件下,其體積含水量約為46%,土體接近于飽和,凍脹率也只有5%,在塑限含水量條件下體積含水量約為27%,凍脹率為3%,而試驗(yàn)實(shí)測凍脹率均分別小于理論值。從微觀角度分析,土體孔隙中的水分凍結(jié)而發(fā)生體積膨脹,其體積增量有一部分可能用于充填土體的原有孔隙,這部分增量在表觀上對土體凍脹沒有貢獻(xiàn),而另一部分用于“撐大”土體的原有孔隙,才表現(xiàn)出土體的凍脹?？梢娫跊]有水分遷移的情況下,土體中水分的凍脹體積增量,一部分被土體孔隙所消耗,所以其凍脹量不會(huì)超過其初始所含水分的凍脹量,而這部分凍脹量與實(shí)際觀測值相比比較小,只有土體在完全飽和狀態(tài)下,才有可能達(dá)到所含水分體積的11.1%。

對土體凍脹的另一個(gè)主要貢獻(xiàn)來自于下部水分向凍結(jié)鋒面的遷移,這是在自然條件下凍脹敏感性土類能夠產(chǎn)生凍脹量的主要原因。在自然條件下,發(fā)生凍脹大多屬于開放條件,只是補(bǔ)水條件有所差異。地下水位較淺、土顆粒較細(xì),有利于水分向凍結(jié)鋒面遷移,當(dāng)?shù)叵滤贿_(dá)到一定深度或土層孔隙大小達(dá)到一定尺度,水分遷移將被阻止。

2.2 試驗(yàn)結(jié)束后試樣中的水分重分布

試驗(yàn)結(jié)束后,稍微加熱土樣筒側(cè)壁,使得土樣與筒壁之間的凍結(jié)融化,能夠完整從試樣筒中取出。取出完整試樣后,3組試樣形態(tài)接近,僅凍結(jié)鋒面位置存在差異。以液限封閉試樣為例,觀察土樣凍結(jié)情況和側(cè)壁形態(tài)(圖4-A),可以發(fā)現(xiàn),土樣的側(cè)壁形態(tài)清晰地指示了凍結(jié)鋒面達(dá)到的位置。由于側(cè)壁的輕微融化,顯現(xiàn)出土樣凍結(jié)形成的冰透鏡形態(tài)。冰透鏡是由于水分發(fā)生遷移使得土體過飽和后分凝而成,從圖4-A可以看出,越接近凍結(jié)鋒面,分凝冰透鏡厚度、長度越大,分布越密集,試樣中的分凝冰透鏡向上尺度變小,密度變疏,在凍結(jié)層的上部肉眼幾乎看不出分凝冰的形跡。將試樣沿縱向剖開(圖4-B),從剖面可以看見許多呈水平平行排列的分凝冰透鏡,其展布模式與側(cè)壁觀察結(jié)果類似。凍結(jié)鋒面以下部分,肉眼觀察明顯變干,側(cè)壁上留有許多或大或小的空洞(圖4-A),這是水分或空氣排空后的遺留,說明水分發(fā)生了重分布。內(nèi)部形態(tài)(圖4-B)由于切割破壞無法觀察。

圖4 試驗(yàn)結(jié)束以后試樣的側(cè)壁和內(nèi)部形態(tài)(液限封閉試樣)Fig.4 Feature of sample side and insider after testing(liquid limit conditions)

將3組試樣分別按1 cm分層切割,分別測量各層的含水量,繪制各個(gè)試樣中含水量分布曲線,如圖5所示。圖5中兩條豎直線是試樣配制后的初始含水量,分別為土樣的塑限和液限含水量,表示試樣中的含水量均勻分布。試驗(yàn)結(jié)束后,各組試驗(yàn)的試樣內(nèi)的含水量曲線均發(fā)生了變化,表示凍結(jié)過程使得土層內(nèi)的含水量發(fā)生了重分布。明顯的規(guī)律是以凍結(jié)鋒面為界,鋒面以上凍結(jié)部分水分增加,下部未凍結(jié)部分水分減小。試驗(yàn)說明在凍結(jié)過程中水分發(fā)生了遷移,凍結(jié)鋒面下部水分在溫度梯度造成的水壓差下發(fā)生向凍結(jié)鋒面的積聚。凍結(jié)開始階段,由于凍結(jié)速度很快,水分來不及遷移,向上的補(bǔ)給水量較少,試樣中水分就地凍結(jié),所以試樣上部含水量增量較少,在試樣側(cè)壁和剖開面上觀察到的冰透鏡較少、較小;當(dāng)達(dá)到一定凍結(jié)深度時(shí),凍結(jié)鋒面移動(dòng)速度減緩,水分遷移速度大于凍結(jié)鋒面移動(dòng)速度,造成水分在鋒面上聚集,試樣中含水量明顯增加;試驗(yàn)結(jié)束時(shí),凍結(jié)達(dá)到最大深度(文中所選3個(gè)試樣均是在-2℃條件下的最大凍深),凍結(jié)鋒面長時(shí)間在此深度停留,造成水分大量聚集,形成較密集的形態(tài)較大的冰透鏡。

圖5 試驗(yàn)結(jié)束后試樣含水量在不同深度上的分布Fig.5 Water content distributed with depth after testing

由圖5可以看出,凍結(jié)鋒面上部的水分增加量自凍結(jié)鋒面向上遞減。封閉條件下,無論初始含水量是塑限還是液限含水量,凍結(jié)鋒面下部水分減少量基本是均一的。液限開放情況下最大凍深下土的含水量也逐漸變小,究其原因,可能是由于水分遷移速度大于補(bǔ)水速度引起,也可能與土體本身自然持水性有關(guān)。本試驗(yàn)沒有就這些因素的影響開展相關(guān)凍脹試驗(yàn),有待于今后進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

(1)含水量條件對凍脹敏感性土的凍脹量影響十分顯著,凍脹量與土樣的初始含水量正相關(guān)。在沒有水分補(bǔ)給的條件下,土樣存在凍脹發(fā)生的臨界含水量,只有達(dá)到或超過這一含水量,凍脹才比較明顯地顯現(xiàn)出來。

(2)在開放補(bǔ)水條件下的土體凍脹量遠(yuǎn)大于封閉條件。

(3)土體自上而下凍結(jié)過程中,土體中發(fā)生水分向凍結(jié)鋒面的遷移,以凍結(jié)鋒面為界,凍結(jié)鋒面以上土體含水量增加,以下未凍部分含水量減小。

(4)凍脹敏感性土體凍結(jié)時(shí)發(fā)生水分遷移,遷移水分的凍脹是土體整體凍脹量的主要貢獻(xiàn)者。

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(責(zé)任編輯:李 雯)

Exper imental Research on Frost Heaving and Moiture Changing with a Type of Silty Clay

LI Shuwu1,2,NIE Dexing1,WU Jichun3
(1.Chengdu University of Technology,Chengdu,Sichuan610059;2.Institute of Engineering Geology,N orthwest Investigation Design&Research Institute,Lanzhou,Gansu730050;3.State Key Laboratory of frozen Soil Engineering,CAREER I,CAS,Lanzhou,Gansu730000)

A group of frost heaving testswere performed on silty clay thatwas taken from QilianMountain under sample water contentwith plastic l imit and liquid limit conditions,using close(no supplyingwater)and open(supplyingwater)system,for the sake of understanding the frost heaving amount and the redistribution ofmoisture in soil freezing processes under differentmoisture conditions.The experiments demonstrate that the frost heaving ratio of this type silty clay is 0.2%and almostmay be ignored when the water content is plastic limitwith close system;the frost heaving ratio is 3.4%and 15%under liquid limitwater contentwith close system and open system respectively.End of the experiments,water contentwasmeasured for each plate that comes from horizontally cutting the sample every 1 cm.The moisture of frozen part of specimen upon the freezing front increase,and the amount ofmoisture increased accordingwith the amount of frost heaving,while the moisture of unfrozen partof specimen under freezing front decrease.Themoisturemigration is the basic reason to the intensive frost heaving during soil freezing.

silty clay;frost heaving;moisture migration

TU411.91

A

1671-1211(2010)05-0615-04

2010-07-20;改回日期:2010-09-06

李樹武(1973-),男,高級(jí)工程師,博士,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),從事地質(zhì)工程、巖土工程方面的生產(chǎn)與科研工作。E-mail:DZSLS W@163.com