胡 波，龔壁衛(wèi)，童 軍，劉 軍

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010;2.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

單向凍結(jié)凍融循環(huán)三軸儀的研制及其應(yīng)用

胡 波1,2，龔壁衛(wèi)1，童 軍1，劉 軍1

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010;2.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

季節(jié)性凍土凍結(jié)時(shí)地下水通過毛細(xì)作用向凍結(jié)鋒面遷移，在海拔較高或晝夜溫差較大的地區(qū)，這種凍結(jié)過程可能在很短時(shí)間經(jīng)歷若干個(gè)循環(huán)過程。針對(duì)以上工況研制單向凍結(jié)凍融循環(huán)三軸儀，該裝置能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水條件下的單向凍結(jié)試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)試凍融循環(huán)條件下三軸強(qiáng)度試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行粉質(zhì)黏土的單向凍結(jié)試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，試樣各斷面的CT數(shù)隨著凍結(jié)時(shí)間的增加不斷降低，同時(shí)證明凍結(jié)鋒面在凍結(jié)過程中不斷由低溫?cái)嗝嫦蚋邷財(cái)嗝嫱卣?，再現(xiàn)了單向凍結(jié)過程中凍結(jié)鋒面遷移過程。

季節(jié)性凍土；單向凍結(jié)；凍融循環(huán)；三軸儀；CT掃描

1 研究背景

天然地基在凍結(jié)過程中，土孔隙中不僅有水分的原位凍結(jié)與體積膨脹，而且未凍區(qū)水分被抽吸、集聚至凍結(jié)邊緣區(qū)的冰透鏡體一側(cè)，且凍結(jié)成冰透鏡體，使土顆粒分開，并被冰所充填。若在凍結(jié)過程中，來自未凍區(qū)補(bǔ)給的水分很充分，大量的水分遷移聚集，便出現(xiàn)嚴(yán)重的凍脹現(xiàn)象[1]。

室內(nèi)凍結(jié)模擬往往通過人工凍結(jié)的方式實(shí)現(xiàn)。常采用的低溫試驗(yàn)設(shè)備按人工降溫方式可分為局部恒溫和環(huán)境恒溫2大類。環(huán)境恒溫是指通過對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)所處環(huán)境進(jìn)行降溫，使整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)(包括試驗(yàn)對(duì)象)達(dá)到試驗(yàn)要求溫度的方法，常見的有在低溫室內(nèi)進(jìn)行的凍土力學(xué)特性試驗(yàn)。局部恒溫是指利用某種制冷方式僅在試驗(yàn)對(duì)象附近區(qū)域創(chuàng)造一個(gè)恒溫環(huán)境，常見有土的凍脹、融沉試驗(yàn)設(shè)備、凍土的三軸試驗(yàn)機(jī)等。按土樣凍融過程的順序可以將試驗(yàn)分為預(yù)凍融試驗(yàn)和正凍融試驗(yàn)2類。預(yù)凍融試驗(yàn)方式是傳統(tǒng)凍土力學(xué)研究常采用的試驗(yàn)方式，試驗(yàn)將凍融過程與加載過程分為2個(gè)互不相關(guān)聯(lián)的環(huán)節(jié)，試驗(yàn)土樣在制備完成后被迅速放入低溫箱內(nèi)進(jìn)行凍結(jié)，等試樣完全凍結(jié)后再迅速取出放入加載設(shè)備進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。正凍融試驗(yàn)是指土樣凍融過程是在荷載條件下進(jìn)行的，這種試驗(yàn)?zāi)Ｊ侥軌虮容^接近地描述天然土層的實(shí)際凍融過程[2]。人工凍土的凍結(jié)方式按照凍結(jié)方向可以分為單向凍結(jié)、雙向凍結(jié)與三向凍結(jié)3種方式。按照是否有外界水分補(bǔ)給的情況，可以分為開放系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)2種環(huán)境。

季節(jié)性凍土區(qū)的地基土在冬季凍結(jié)時(shí)地下水通過毛細(xì)作用向凍結(jié)鋒面遷移。在海拔較高或晝夜溫差較大的地區(qū)，這種凍結(jié)過程可能在很短時(shí)間經(jīng)歷若干個(gè)循環(huán)過程，室內(nèi)三軸試驗(yàn)設(shè)備要模擬這一物理過程，必須進(jìn)行有專門的補(bǔ)水裝置和特殊設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)開放補(bǔ)水條件下的單向凍結(jié)和融化。

對(duì)于凍融循環(huán)問題，國(guó)內(nèi)部分單位也進(jìn)行了研究，并提出了幾種新裝置。常小曉等[3]提出了一種低溫高壓三軸蠕變?cè)囼?yàn)儀(中國(guó)專利號(hào)“ZL200420085815.6”)，其利用三向凍結(jié)方式實(shí)現(xiàn)低溫下的三軸蠕變?cè)囼?yàn)和強(qiáng)度試驗(yàn)，但無法實(shí)現(xiàn)大氣降溫條件下地基土的單向凍結(jié)過程模擬。付偉等[4]提出了一種多功能公路土基凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置(中國(guó)專利號(hào)“ZL201020254199.8”)，該裝置能實(shí)現(xiàn)多個(gè)土樣的單向凍結(jié)及凍融循環(huán)，但是該裝置不能進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試，需要在凍結(jié)及凍融循環(huán)后取出試樣再進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試。顧同欣等[5]提出了一種室內(nèi)凍土凍融循環(huán)過程試驗(yàn)裝置(中國(guó)專利號(hào)“ZL 201220004855.8”)，可以用于研究土體的凍融過程，獲得不同溫度梯度、不同土性下凍結(jié)時(shí)補(bǔ)水量、凍脹融沉量等參數(shù)，但也無法實(shí)現(xiàn)凍融條件下強(qiáng)度特性研究。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，所要解決的技術(shù)問題在于提供一種單向凍結(jié)凍融循環(huán)三軸儀，可以實(shí)現(xiàn)低溫補(bǔ)水條件下的單向凍結(jié)凍融循環(huán)試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)試凍融循環(huán)條件下三軸強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 系統(tǒng)的研制

本文研制的三軸儀(中國(guó)專利號(hào)“ZL 201320122898.0”)所進(jìn)行的試驗(yàn)是在局部恒溫、單向凍結(jié)、開放系統(tǒng)條件下的正凍融試驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)單向凍結(jié)條件下的凍融循環(huán)試驗(yàn)和三軸強(qiáng)度試驗(yàn)。設(shè)計(jì)中同時(shí)滿足以下要求：①三軸壓力室應(yīng)保證試驗(yàn)過程中的試樣處于較低的環(huán)境溫度；②在試樣的上部及下部分別設(shè)置不同的溫度控制單元，實(shí)現(xiàn)凍結(jié)溫度梯度差；③三軸壓力室內(nèi)部的圍壓介質(zhì)應(yīng)有利于保證試樣底部與頂部的溫度梯度；④凍結(jié)過程中應(yīng)保持試樣底部與補(bǔ)水裝置的水力聯(lián)系，使得土樣處于開放狀態(tài)，模擬凍結(jié)過程中水分的遷移與補(bǔ)給。

據(jù)此，在常規(guī)三軸儀的基礎(chǔ)上改裝，圖1為研制的單向凍結(jié)凍融循環(huán)三軸儀壓力室，其他部分與常規(guī)三軸儀相同。該單向凍結(jié)凍融循環(huán)三軸儀可以實(shí)現(xiàn)三向凍結(jié)和單向凍結(jié)，也可以實(shí)現(xiàn)封閉條件和補(bǔ)水條件下的凍融試驗(yàn)。該壓力室的主要改進(jìn)包括3個(gè)方面：①采用雙壓力室的結(jié)構(gòu)，外壓力室外側(cè)設(shè)置隔熱材料；②研制了帶有冷凍液循環(huán)槽的試樣帽和試樣底座；③采用3臺(tái)制冷設(shè)備分別控制試樣頂部、試樣底部以及外壓力室的溫度。

圖1 單向凍結(jié)三軸儀壓力室示意圖Fig.1 Schematic diagram of pressure chamber of unilateral freezing triaxial apparatus

圖2 單向凍結(jié)凍融循環(huán)三軸儀示意圖Fig.2 Schematic diagram of unilateral freezing triaxial apparatus for freeze-thaw cycle

該單向凍結(jié)凍融循環(huán)三軸儀包括壓力室、主機(jī)、穩(wěn)定氣壓源、溫控系統(tǒng)、補(bǔ)水裝置、測(cè)試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖2所示。壓力室包括外壓力室和內(nèi)壓力室，內(nèi)壓力室的上部設(shè)有由試樣帽上盒和試樣帽下盒組成的試樣帽，壓力室的底部設(shè)置由底座上盒及底座下盒組成的底座，試驗(yàn)時(shí)試樣置于試樣帽和底座之間；外壓力室與壓力室之間利用保溫管路與溫控系統(tǒng)中的外壓力室制冷機(jī)相連，采用冷凍液提供試驗(yàn)的環(huán)境溫度；試樣帽下盒及底座上盒均設(shè)有冷凍液循環(huán)槽，并通過管路分別與溫控系統(tǒng)中的試樣帽制冷機(jī)和試樣底座制冷機(jī)相連，分別控制試樣頂部及底部的溫度；內(nèi)壓力室通過管路與穩(wěn)定氣壓源相連，通過壓縮空氣施加圍壓；壓力室上部設(shè)有荷載傳力軸，穿過壓力室上蓋作用在試樣帽上盒；壓力室底座通過管路與補(bǔ)水裝置相連；主機(jī)提供動(dòng)力實(shí)現(xiàn)試樣剪切，試樣帽制冷機(jī)、試樣底座制冷機(jī)、外壓力室制冷機(jī)上分別設(shè)有與測(cè)試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連的溫度傳感器，主機(jī)上設(shè)置的位移傳感器、荷載傳感器與測(cè)試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。

本試驗(yàn)裝置的特點(diǎn)是：相對(duì)于常規(guī)三軸儀，試樣帽和底座均設(shè)計(jì)為上下盒2個(gè)部分，2盒之間設(shè)置冷凍液循環(huán)槽，并同時(shí)與外部制冷機(jī)相連，通過可編程自動(dòng)化控制的溫控制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)三軸試樣頂部與底部的溫度梯度；凍結(jié)過程中因保持試樣底部與補(bǔ)水裝置的水力聯(lián)系，使得土樣處于開放狀態(tài)，可模擬凍結(jié)過程中水分的遷移與補(bǔ)給。本試驗(yàn)裝置可以完成如下試驗(yàn)：①開放條件下的單向凍結(jié)試驗(yàn)；②開放條件下的單向凍結(jié)凍融循環(huán)試驗(yàn)；③凍融循環(huán)作用下土體三軸強(qiáng)度試驗(yàn)；④巖體、混凝土、無機(jī)混合料等材料的凍融特性試驗(yàn)；⑤壓力室材料采用鋁制拉桿及有機(jī)玻璃制作時(shí)，亦可結(jié)合CT掃描等手段實(shí)現(xiàn)凍結(jié)過程的細(xì)觀試驗(yàn)。試驗(yàn)中通過提高溫控系統(tǒng)的溫度至室溫進(jìn)行試樣的融化。下面以單向凍結(jié)CT試驗(yàn)為例介紹其應(yīng)用。

3 單向凍結(jié)CT試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)土樣

本試驗(yàn)土料為粉質(zhì)黏土，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1，試樣干密度為1.68 g/cm3，飽和后含水率為34.6%。

表1 土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of soil sample

3.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本試驗(yàn)采用西門子Sensation40CT機(jī)，如圖3所示。CT(Computerized Tomography)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)對(duì)被測(cè)體斷層中某種特性進(jìn)行定量描述的專門技術(shù)[6-7]。該技術(shù)通過X射線對(duì)物體的掃描，構(gòu)建以純水CT數(shù)零為標(biāo)準(zhǔn)的理想圖像，在此標(biāo)準(zhǔn)下，某點(diǎn)對(duì)X射線的吸收強(qiáng)弱直接用CT數(shù)表示出來。如果被測(cè)物體是僅存在密度變化的同一種物質(zhì)，在已知這種物質(zhì)的X射線質(zhì)量吸收系數(shù)的條件下，CT數(shù)就直接表示了物質(zhì)的密度。簡(jiǎn)言之，CT圖像即代表了被測(cè)物體某層面的密度圖。在本次試驗(yàn)中，借助CT掃描對(duì)單向凍結(jié)過程中的土體孔隙變化進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，并通過試驗(yàn)斷面CT數(shù)的變化定量分析其凍結(jié)過程。土體中發(fā)生凍脹時(shí)，土體孔隙率變大，相應(yīng)的CT數(shù)變小，通過檢測(cè)多個(gè)斷面的CT數(shù)的變化過程可以實(shí)現(xiàn)凍結(jié)鋒面變化的觀測(cè)。

圖3 西門子Sensation40CT機(jī)Fig.3 Siemens Sensation40 CT apparatus

圖4 試驗(yàn)過程中壓力室和溫控裝置Fig.4 Pressure chamber and temperature control device in the test

圖5 試驗(yàn)過程中的循環(huán)制冷機(jī)Fig.5 Circulation refrigeration machine in the test

圖6 掃描斷面示意圖Fig.6 Schematic diagram of the scanning section

外壓力室溫度控制的主要目的是為試驗(yàn)設(shè)置環(huán)境溫度，有利于實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的溫控效果。本次試驗(yàn)中，外壓力室的溫度控制為2 ℃，試樣頂部溫度控制在-10 ℃，底部溫度控制為2 ℃。制冷設(shè)備均采用酒精作為冷凍循環(huán)液。

試驗(yàn)時(shí)將三軸壓力室和溫度量測(cè)設(shè)備置于CT機(jī)的掃描臺(tái)上(如圖4)，連接循環(huán)制冷機(jī)(如圖5)以及補(bǔ)水裝置。凍結(jié)開始前按照?qǐng)D6所示分別對(duì)H/4，H/2，3H/4(H為試樣初始高度)共3個(gè)斷面進(jìn)行掃描，記錄凍結(jié)前的試樣CT掃描圖片。然后，開啟循環(huán)制冷機(jī)進(jìn)行凍結(jié)，分別在凍結(jié)開始14，19，39，48，53 h時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行掃描，提取試樣不同時(shí)間各個(gè)斷面的CT數(shù)進(jìn)行分析。

3.3 試驗(yàn)成果分析

圖7為不同凍結(jié)時(shí)間條件下試樣各斷面的CT數(shù)變化曲線。由圖7可以看出，橫坐標(biāo)軸0#斷面位置為試樣底部，控制溫度為2℃，而4#斷面位置為試樣頂部，控制溫度為-10 ℃。凍結(jié)時(shí)間持續(xù)53 h。

圖7 不同凍結(jié)時(shí)間試樣各斷面的CT數(shù)變化曲線Fig.7 Curves of CT number of different sections of sample at different frozen times

試驗(yàn)開始時(shí)，各斷面的CT數(shù)基本一致。凍結(jié)14 h后，2#和3#斷面的CT數(shù)出現(xiàn)明顯的下降，說明凍結(jié)14 h后，2#和3#斷面之間的土樣均出現(xiàn)凍脹，導(dǎo)致土體密度變??；1#斷面的CT數(shù)沒有明顯變化，其密度沒有明顯改變；此時(shí)試樣的凍結(jié)鋒面應(yīng)在1#與2#斷面之間。凍結(jié)時(shí)間達(dá)到39 h時(shí)，1#斷面的CT數(shù)出現(xiàn)顯著的下降，說明凍結(jié)鋒面已越過1#斷面向試樣底部拓展，2#及3#斷面的CT數(shù)進(jìn)一步下降，凍脹持續(xù)發(fā)展。凍結(jié)時(shí)間超過39 h后，由于凍結(jié)鋒面已經(jīng)擴(kuò)展至試樣底部，試樣各斷面的CT數(shù)基本維持不變。

圖8為凍結(jié)開始前以及凍結(jié)開始53 h后1#—3#斷面CT圖片，對(duì)比可知，凍結(jié)后各斷面土體孔隙明顯變大，尤以3#斷面最為明顯，這是由于凍結(jié)過程中試樣孔隙中水的凍脹所致。

圖8 各斷面CT圖片

Fig.8 CT photos of different sections

4 結(jié) 論

(1) 針對(duì)季節(jié)性凍土地區(qū)地基土的單向凍結(jié)凍融循環(huán)過程研制單向凍結(jié)凍融循環(huán)三軸儀，該裝置能實(shí)現(xiàn)低溫補(bǔ)水條件下的單向凍結(jié)凍融循環(huán)試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)試凍融循環(huán)條件下三軸強(qiáng)度試驗(yàn)。

(2) 采用單向凍結(jié)凍融循環(huán)三軸儀進(jìn)行粉質(zhì)黏土的單向凍結(jié)試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，試樣各斷面的CT數(shù)隨著凍結(jié)時(shí)間的增加不斷降低，同時(shí)證明凍結(jié)鋒面在凍結(jié)過程中不斷由低溫?cái)嗝嫦蚋邷財(cái)嗝嫱卣?，再現(xiàn)了單向凍結(jié)過程中凍結(jié)鋒面遷移過程。

[1] 陳肖柏, 劉建坤, 劉鴻緒, 等. 土的凍結(jié)作用與地基[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2006.(CHEN Xiao-bai, LIU Jian-kun, LIU Hong-xu,etal. Frost Action of Soil and Foundation Engineering[M]. Beijing: Science Press, 2006.(in Chinese))

[2] 于基寧. 低溫三軸試驗(yàn)機(jī)研制及粉質(zhì)黏土凍融循環(huán)力學(xué)效應(yīng)試驗(yàn)研究[D]. 武漢：中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所, 2007.(YU Ji-ning. Design of Low Temperature Triaxial Testing Machine and Experimental Study on Cyclic Freeze-thaw on the Mechanical Properties of Silty Clay[D]. Wuhan: Institute of Rock and Soil Mechanics of Chinese Academy of Sciences, 2007.(in Chinese))

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[5] 顧同欣, 馬 巍, 王貴榮, 等. 室內(nèi)凍土凍融循環(huán)過程試驗(yàn)裝置: 中國(guó), CN20248612.5[P]. 2012-10 -10. (GU Tong-xin, MA Wei, WANG Gui-rong,etal. Laboratory Frozen Soil Apparatus of Freeze-thaw Cycle：China, CN20248612.5 [P]. 2012-10-10. (in Chinese))

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[7] 葛修潤(rùn), 任建喜, 蒲毅彬, 等. 巖土損傷力學(xué)宏細(xì)觀試驗(yàn)研究[M]. 北京：科學(xué)出版社，2004. (GE Xiu-run, REN Jian-xi, PU Yi-bin,etal. Macro and Mesoscopic Damage Mechanics Test of Rock and Soil Materials [M]. Beijing: Science Press, 2004. (in Chinese))

(編輯：黃 玲)

Development and Application of Unilateral Freezing TriaxialApparatus for Freeze-Thaw Cycle

HU Bo1，2, GONG Bi-wei1, TONG Jun1, LIU Jun1

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China；2.Guangxi Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004,China)

Groundwater in seasonal frozen ground migrates towards the freezing front by capillary action when frozen. Several freeze-thaw cycles maybe experienced in a very short time during the frozen process in regions of high-altitude or large temperature difference between day and night. In view of this, a unilateral freezing triaxial apparatus for freeze-thaw cycle was developed. Unidirectional freezing test under the condition of filling water and triaxial shear strength test of freezing and thawing cycle can be conducted in the apparatus. Unidirectional freezing test on silty clay was conducted and the results show that CT numbers of the cross sections of samples decrease during the frozen process. The freezing front moves from the cross section of lower temperature to the cross section of higher temperature. The test result reflects the migration process of the freezing front during unilateral freezing.

seasonally frozen soil; unilateral freezing; freeze-thaw cycle; triaxial apparatus; computerized tomography scan

2013-11-11；

2014-01-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51008035，51108042)；廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助課題(12-KF-01)

胡 波(1980-)，男，湖北仙桃人，高級(jí)工程師，博士，主要從事特殊土、非飽和土與環(huán)境巖土工程等方面的研究工作，(電話)027-82927141(電子信箱)woshihubo135@sina.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.026

TU 445

A

1001-5485(2015)02-0128-05

2015,32(02):128-132