王杏杏，李順群，李 琳

(天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院，天津300384)

凍脹是在凍結(jié)過程中形成凝冰和土與冰相間層或帶的結(jié)果。土的凍脹性不僅取決于原始位置處水分的凍結(jié)，而且還取決于凍結(jié)過程中未凍區(qū)水分的不斷遷徙和聚集。區(qū)別于一般融土的三相體系，凍土中有冰的存在，有人稱之為土的第四相。與常溫狀態(tài)土相比，凍土的力學(xué)性質(zhì)更為復(fù)雜。

土的凍脹特性主要與其干密度、含水率、外加荷載、溫度等因素有關(guān)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對土的凍脹過程及特性進(jìn)行了多方試驗研究［1－5］。程學(xué)磊、李順群等研究了圍壓和溫度這兩個重要指標(biāo)對凍土強(qiáng)度的影響［6］。吳禮舟等通過凍脹融沉試驗，研究了凍脹過程中凍結(jié)鋒面移動的規(guī)律［7］。嚴(yán)晗等通過室內(nèi)試驗，研究了不同含水率、干密度等條件下粉沙土的反復(fù)凍脹融沉特性［8］。齊吉琳等對凍土的力學(xué)特性及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析［9］。本文采用了一種新的試驗方法測得土的凍脹性，通過黏土在封閉條件下的凍脹試驗，應(yīng)用三維應(yīng)變花測試不同方向上的應(yīng)變，得出了黏土凍脹性與溫度、飽和度和干密度的關(guān)系。

1 試驗

1.1 土料性質(zhì)

凍融試驗采用重塑試樣進(jìn)行，試驗土樣取自天津曹莊。土樣的基本物理指標(biāo)包括:液限44.7%、塑限23.8%、密度16.3 kN/m3、含水率45.2%、顆粒比重2.71 g/cm3。采用比重計法進(jìn)行顆粒分析，得到的顆分曲線如圖1所示。取回的土經(jīng)碾碎、篩除雜質(zhì)后，重塑為不同干密度、不同飽和度的同尺寸土樣。本次試驗在天津城建大學(xué)地質(zhì)學(xué)院試驗室進(jìn)行，每次試驗制作兩個立方體試塊，土樣尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm。

1.2 試驗設(shè)備

試驗所需設(shè)備主要包括:①DR－2A凍融試驗箱(見圖2)，全封閉壓縮機(jī)組，控溫范圍－25℃ ～100℃，控制精度±1.5℃，內(nèi)部尺寸450 mm×550 mm×600 mm。②應(yīng)力應(yīng)變測量儀DH－3816(見圖2)，其為靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集箱、微型計算機(jī)及支持軟件組成。數(shù)據(jù)采樣箱可測60點(diǎn)，采樣速度60點(diǎn)/s，測量應(yīng)變范圍±19 999 u，最高分辨率1 u，系統(tǒng)不確定度不大于0.5% ±3 u，自動平衡范圍 ±15 000 u，外形尺寸450 mm×330 mm×160 mm(長 ×寬 ×高)。③安捷倫34970A溫度采集裝置(見圖2)，與計算機(jī)連接進(jìn)行測試、采集與存檔數(shù)據(jù)、實(shí)時顯示和分析。

試驗中需要的元件有三維應(yīng)變花，其用來測量不同方向的應(yīng)變。棱上粘貼的應(yīng)變片規(guī)格為電阻120 Ω，靈敏系數(shù)2.08，敏感柵尺寸長5 mm、寬 3 mm，基底尺寸長9.4 mm、寬5.3 mm，導(dǎo)線長度為2 m左右。制樣時的模具為150 mm×150 mm×150 mm立方體模具，并且內(nèi)部涂抹凡士林以便于拆模。

圖1 顆分曲線

1.3 試驗方法步驟

試驗步驟具體如下:

(1)制作三維應(yīng)變花。本次試驗需用兩個三維應(yīng)變花。用PPC塑料削剪四個長度為10 cm棱，將其粘合為正四面體架子，每條棱上各粘貼兩個應(yīng)變片，為防止應(yīng)變片遇水失效，外涂防水密封膠。對應(yīng)變片進(jìn)行編號，其中一個應(yīng)變花編號如圖3a、圖3c所示。為了便于觀察應(yīng)變變化規(guī)律，將圖3中另一應(yīng)變花編號的相應(yīng)位置改為大寫，如a1改為A1。

(2)制作試塊。根據(jù)試驗要求，重塑成所需土樣。試驗前一天，將所取土樣，粉碎后過2 mm篩，放于烘干箱中12 h，以保證所用土中無水分含量。取出土樣后，用保鮮膜覆蓋，保證土樣盡可能不吸收空氣中水分。模具大小為150 mm×150 mm×150 mm，在模具上均勻涂抹凡士林，以便于拆模，制模前根據(jù)已取土樣的干密度和飽和度計算所需土樣和水的質(zhì)量，用電子秤稱量土樣，量杯取水，混合攪拌均勻。制樣過程分為五步振搗，第一步加入土樣后將三維應(yīng)變花置于其中，并且記下三維應(yīng)變花在模具中的空間位置(見圖3c)，振搗壓實(shí)，第二步加入土樣后埋置溫度探針振搗壓實(shí)，依次加入第三、四、五步土樣振搗壓實(shí)，完成試塊制作(見圖3b)。

圖2 所采用的測試系統(tǒng)全貌

圖3 試塊制作

(3)將試塊置于恒溫箱中6 h，溫度調(diào)至1℃，以保證試樣內(nèi)部溫度一致，并進(jìn)行拆模，使試塊自由凍脹。

(4)凍融試驗箱溫度調(diào)至－25℃，試塊凍脹發(fā)展12 h，關(guān)閉試驗箱溫度，試塊融化12 h。應(yīng)變測量系統(tǒng)設(shè)置為每分鐘采集一次數(shù)據(jù)，測溫系統(tǒng)設(shè)置為每兩分鐘采集一次數(shù)據(jù)，從而得到不同溫度下試塊內(nèi)應(yīng)變變化規(guī)律，分析得到凍脹的發(fā)展過程和規(guī)律。

2 試驗結(jié)果與分析

試驗中所用的應(yīng)變花的每條棱上有兩個應(yīng)變片。每個方向取兩個應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)的平均值作為該方向的應(yīng)變值。圖4～圖6中橫坐標(biāo)軸表示時間，左縱坐標(biāo)軸表示應(yīng)變值，右縱坐標(biāo)軸表示溫度。

2.1 凍融隨溫度的變化規(guī)律

圖4為土在凍脹融沉過程中應(yīng)變隨溫度的變化規(guī)律，土樣的飽和度為80%，干密度為1.30 g/cm3。由圖4可知開始時應(yīng)變值為負(fù)，原因可能為制作試塊時施加了外部荷載。溫度為0°C時，應(yīng)變開始上升，隨著溫度的降低，應(yīng)變急劇增大，直至溫度接近－25℃時，應(yīng)變達(dá)到最大，趨于平緩，且有輕微下降，關(guān)閉凍融試驗箱，隨著溫度升高其應(yīng)變不斷減小，直至平穩(wěn)狀態(tài)。該規(guī)律反映了在0℃或低于0℃時土體開始出現(xiàn)凍脹，且隨著溫度的降低凍脹不斷發(fā)展，接近－25℃時凍脹發(fā)展到最大且趨于穩(wěn)定，此時應(yīng)變輕微下降應(yīng)是試塊熱脹冷縮的結(jié)果。關(guān)閉凍融試驗箱，溫度升高，試塊融沉直至穩(wěn)定。

2.2 干密度對凍脹性的影響

圖5為應(yīng)變隨干密度變化的情況，選取了應(yīng)變花中兩條棱的兩個不同空間方向的應(yīng)變變化作為研究對象。

圖5中兩個土樣飽和度為50%，b1、c1表示的試塊干密度為 1.3 g/cm3，B1、C1表示的試塊干密度為 1.4 g/cm3。圖5中，隨著溫度降低應(yīng)變急劇增大，當(dāng)溫度達(dá)到最低－25℃時應(yīng)變達(dá)到最大，此時干密度越大其應(yīng)變越小。從應(yīng)變變化規(guī)律可以得到干密度越大凍脹發(fā)展越小。吳禮舟等指出非飽和狀態(tài)下干密度和凍脹率成正比［7］。冷毅飛等指出飽和狀態(tài)下干密度和凍脹率成反比［10］。何平等指出非飽和狀態(tài)下融沉系數(shù)與干重度成正比，飽和狀態(tài)下融沉系數(shù)與干重度成反比［5］。實(shí)際工程中凍土多處于非飽和狀態(tài)，非飽和凍土的凍脹融沉研究值得關(guān)注。

圖4 應(yīng)變與溫度的關(guān)系

2.3 飽和度對凍脹性的影響

圖6為應(yīng)變隨飽和度的變化情況，選取了應(yīng)變花中兩條棱兩個不同空間方向的應(yīng)變變化作為研究對象，其中兩個土樣的干密度都為1.4 g/cm3。B1、C1表示的試塊飽和度為50%，b1、c1表示的試塊飽和度為60%。此時在相同溫度下飽和度越大應(yīng)變越大，相應(yīng)的凍脹越大。

圖5 不同干密度條件下凍脹應(yīng)變與溫度關(guān)系的對比

圖6 不同飽和度條件下凍脹應(yīng)變與溫度關(guān)系的對比

3 結(jié)論

本文通過黏土在封閉條件下的凍脹試驗，應(yīng)用三維應(yīng)變花測試不同方向上的應(yīng)變，得出了黏土凍脹性與溫度、飽和度與干密度的關(guān)系。具體結(jié)論和現(xiàn)象為:

(1)當(dāng)溫度為0℃或者低于0℃時應(yīng)變急劇上升，試塊開始凍脹，溫度接近－25℃時應(yīng)變達(dá)到最大，趨于平穩(wěn)，凍脹發(fā)展最大，隨著溫度的降低應(yīng)變逐漸減小，直至接近于0，此時試塊發(fā)生融沉直至試塊內(nèi)部穩(wěn)定。這與凍土的凍脹發(fā)展過程大致相同。

(2)在溫度、飽和度一定的條件下，飽和狀態(tài)的土隨著干密度的增大，凍脹性減小，非飽和狀態(tài)的土隨著干密度的增大，凍脹性增大。

(3)在溫度、干密度一定的條件下，飽和度越大能量傳遞越快，凍脹性越大。

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