王理想，袁曉銘，蘇安雙，李兆宇

(1.中國(guó)地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所)，哈爾濱 100080；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 100086)

分散性黏土作為一種特殊土，廣泛分布在世界各地.20世紀(jì)50年代最先發(fā)現(xiàn)于澳大利亞昆士蘭地區(qū)，之后在美國(guó)、以色列、南非、墨西哥、巴西、泰國(guó)以及中國(guó)東北松嫩平原和湖北、浙江、廣西、山東和河南等地發(fā)現(xiàn)其廣泛分布.澳大利亞和美國(guó)的學(xué)者開始對(duì)其分散性機(jī)理和鑒定進(jìn)行了試驗(yàn)研究.20世紀(jì)80年代，中國(guó)水利科學(xué)研究院對(duì)黑龍江省南部引嫩工程分散性黏土渠道的沖蝕破壞進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了分散性黏土筑壩和破壞治理的方法[1].西北農(nóng)林科技大學(xué)樊恒輝和中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所孔令偉等[2]對(duì)分散性土進(jìn)行了系統(tǒng)的研究并出版了一本專著.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)土的凍脹融沉特性影響因素、有荷載作用下的凍脹特性以及土的礦物成分對(duì)凍脹影響方面的研究為主.Everest[3]提出了第一凍結(jié)理論.Han等[4-5]通過大比例土體模型試驗(yàn)，研究了土體的凍融特性.Klinova等[6]通過試驗(yàn)研究了土體融沉與含水率、干密度、孔隙率之間的關(guān)系.吳禮舟等[7]對(duì)封閉系統(tǒng)下的非飽和黏土的一次凍脹融沉過程進(jìn)行了研究，提出不同飽和度和密度下凍脹融沉變形特性，重點(diǎn)研究?jī)雒涍^程中凍結(jié)鋒面的移動(dòng)規(guī)律.王穎[8]對(duì)吉林西部地區(qū)分散性黏土采用自制的恒溫箱進(jìn)行凍脹融沉試驗(yàn)，但是控制箱分3層，每層控制溫度均不同且為三維凍結(jié)，實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)為半無(wú)限體場(chǎng)地的一維凍結(jié).楊成松等[9]通過試驗(yàn)研究了凍融作用對(duì)土體干密度和含水率的影響.梁波等[10]研究了土的多次凍融，然而控制條件為封閉條件下，這往往與工程實(shí)際不符.嚴(yán)晗等[11]對(duì)粉砂土反復(fù)凍融特性進(jìn)行了研究，試驗(yàn)采用凍結(jié)和融化溫度也比較高，對(duì)高寒地區(qū)工程指導(dǎo)意義有限.林超[12]針對(duì)黏土礦物對(duì)凍脹的影響，采用由蒙脫土、伊利土、高嶺土、硅粉與玻璃微珠按照一定比例混合制備而成的人工配比試樣,對(duì)一定溫度、補(bǔ)水條件下黏性土的凍脹量進(jìn)行了系統(tǒng)研究.但這些研究主要針對(duì)一般黏性土和砂土，國(guó)內(nèi)外對(duì)分散性黏土多次凍脹融沉研究尚少.

中國(guó)東北高寒區(qū)分散土筑堤起于20世紀(jì)80年代，分散土在松嫩平原上廣泛分布，深度約1.5 m，在這種區(qū)域筑壩和渠道無(wú)法避免使用分散土.國(guó)家172項(xiàng)重點(diǎn)水利工程之一的新建尼爾基水庫(kù)引嫩擴(kuò)建工程南引引水渠道現(xiàn)場(chǎng)踏勘中發(fā)現(xiàn)，新建渠道護(hù)坡和堤頂?shù)缆仿坊捎趦雒浫诔涟l(fā)生了變形破環(huán).由于筑壩采用的分散性黏土中含較大量的鈉基蒙脫石和伊利石，施工過程中土體內(nèi)部的水分很難排出，工程完工后經(jīng)歷了兩個(gè)凍融期后護(hù)坡產(chǎn)生了遠(yuǎn)大于其他護(hù)坡的凍脹變形，嚴(yán)重威脅了工程的質(zhì)量與安全.需要特別指出的是，工程上對(duì)一般黏性土凍脹災(zāi)害采用的土層置換方法，對(duì)于中國(guó)廣泛分布分散土的東北高寒地區(qū)并不適宜.由于缺乏置換土源，置換成本每公里高達(dá)上千萬(wàn)，只能另辟蹊徑.因此，研究探索分散土凍融特性，對(duì)解決東北高寒地區(qū)的工程問題有重要的意義.

本文以黑龍江省大慶地區(qū)廣泛分布的分散性黏土為研究對(duì)象，通過嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)條件，研究土體內(nèi)部水分的遷移、溫度冷鋒傳播和分布特點(diǎn)、與一般性非分散性黏土凍脹融沉的不同以及凍脹融沉特性與土體含水率、干密度和凍融次數(shù)的關(guān)系.

1 非飽和分散性黏土的破壞

從目前國(guó)內(nèi)外已有的研究成果來(lái)看，分散性黏土具有低液限、易受侵蝕的特點(diǎn).在高寒和地下水位較高地區(qū)，分散性黏土又具有很強(qiáng)的凍脹性.圖1(a)為分散土渠道護(hù)坡在高寒地區(qū)出現(xiàn)的凍脹破壞，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)凍脹變形為強(qiáng)凍脹，凍脹量達(dá)5～10 cm，這種凍脹特性明顯有別于非分散土渠道凍脹的特性.圖1(b)為經(jīng)歷凍融后的分散土路基受降雨侵蝕后發(fā)生破壞，多次凍融作用對(duì)分散土的劣化影響使其更易被沖蝕，嚴(yán)重威脅到工程質(zhì)量安全.這種破壞往往是由于先期發(fā)生凍融變形而使得土體變得更為松散，在降雨和遇水浸泡作用下分散土渠道發(fā)生滑坡和侵蝕.

圖1 分散土凍脹和侵蝕破壞

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試樣的制備與試驗(yàn)工況

土樣取自尼爾基水庫(kù)引嫩擴(kuò)建工程南部引嫩工程料場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)室通過碎屑試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、交換鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和雙比重計(jì)法綜合判斷該土料為分散性黏土.根據(jù)GB/T 0123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)土料的顆粒組成、液塑限、最大干密度和最優(yōu)含水率等指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn).根據(jù)試驗(yàn)，該土定名為低液限粉質(zhì)黏土CL，液限35%，塑限19%，最大干密度1.65 g/cm3，最優(yōu)含水率19.6%.現(xiàn)場(chǎng)填筑控制壓實(shí)度0.93(控制干密度1.53 g/cm3)，控制含水率wot±2%.該土樣的物理性質(zhì)見表1,土樣的分散性鑒定見表2.

表1 分散土的物理性質(zhì)

土樣烘干研磨過2 mm篩，根據(jù)試驗(yàn)方案加蒸餾水調(diào)制試驗(yàn)所需含水率土樣并燜土24 h.待土樣含水率分布均勻后，制備試驗(yàn)所需試樣，試樣直徑10 cm，高度10 cm，分5層擊實(shí).試驗(yàn)采用開放系統(tǒng)，補(bǔ)水條件下的單向一維凍結(jié)融化，試樣外層用5層土工布做保溫處理.試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表3所示，考慮到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研尼爾基水庫(kù)南部引嫩工程渠道經(jīng)過2次凍融后護(hù)坡已經(jīng)破壞，本次試驗(yàn)凍融次數(shù)定為4次.第9號(hào)和第10號(hào)樣為不具有分散性的一般粉質(zhì)黏土對(duì)比樣，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室鑒定該土樣顆粒組成與試驗(yàn)分散性黏土顆粒組成近似，該土物理性質(zhì)見表4.

表3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)過程

凍脹融沉試驗(yàn)裝置如圖2所示，該試驗(yàn)裝置由試樣罐(包括保溫)、恒溫冷浴和恒溫暖端、位移傳感器、溫度傳感器、補(bǔ)水瓶和電腦采集系統(tǒng)組成.為了模擬黑龍江省南部引嫩工程渠道與堤頂路基現(xiàn)場(chǎng)工況，試驗(yàn)采用一維單向凍結(jié)融沉，頂部冷端溫度采用最冷月(1月份)平均溫度約-20 ℃，底部暖端溫度與初始土體內(nèi)部溫度(夏季平均值)約15 ℃保持一致，融化時(shí)頂部溫度為20 ℃.試樣罐采用5層土工布做保溫處理，溫度控制精度為±0.2 ℃.試樣頂部采用位移傳感器采集試樣位移量，試樣罐一側(cè)安裝5個(gè)溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)土樣凍融過程中的溫度變化，位置分別位于試樣頂部向下1，3，5，7和9 cm處.

為了模擬現(xiàn)場(chǎng)凍融交替變化，制樣完成后先將試樣放在恒溫箱里保存12 h至土溫約為15 ℃，然后將試樣放入凍融試驗(yàn)箱里，凍融試驗(yàn)箱環(huán)境和暖端溫度為15 ℃.調(diào)節(jié)頂部冷浴，頂部溫度由15 ℃迅速線性降低到-20 ℃，一直保持這個(gè)溫度單向凍結(jié)12 h，然后調(diào)節(jié)頂部溫度為20 ℃，單向融化12 h.以此類推，再凍結(jié)12 h，融化12 h，完成表3所示的試驗(yàn).補(bǔ)水瓶高度位于試樣底部以上2 cm處，目的是模擬現(xiàn)場(chǎng)水位高度.試驗(yàn)完成后，立即拆樣稱取試樣重量確定補(bǔ)水量和試樣不同部位的含水率，含水率取樣部位從試樣頂部算起1，4，7和10 cm處.為了控制水分流動(dòng)，將拆開的土樣平放并用鋼絲鋸分別切開取樣.

圖2 凍融試驗(yàn)裝置

3 多次凍融過程分析

3.1 試樣內(nèi)部含水率分布

本試驗(yàn)由于頂部溫度低，存在較大的溫度梯度，試樣內(nèi)部的水分由底部向頂部遷移.圖3(a)為不同初始含水率的試樣內(nèi)部不同部位含水率的變化，在孔隙比相同的情況下，試樣各個(gè)部位的含水率均大于初始含水率且低溫頂部部位的含水率較其他部位含水率大，試樣底部(10 cm處)由于接觸補(bǔ)水的原因含水率也接近飽和狀態(tài).圖3(b)為在相同孔隙比的狀態(tài)下，不同含水率試樣在相同凍融次數(shù)下吸水能力(吸水能力是指土樣較初始含水率增大的百分率)的差異.初始含水率越低，吸水能力越強(qiáng)，試樣需要補(bǔ)水量越大，其中初始含水率18%試樣的補(bǔ)水量是初始含水率24%試樣補(bǔ)水量的2倍以上.試樣內(nèi)部的兩個(gè)取樣點(diǎn)(4和7 cm處)由于分散土弱滲透性而補(bǔ)水不足，該部位的含水率較頂部和底部(接觸補(bǔ)給水)部位的含水率小.

圖3 4次凍融后土樣內(nèi)部含水率變化與吸水能力

圖4表明，在相同含水率(18%)下，對(duì)于分散性黏土經(jīng)過4次凍融后各個(gè)部位含水率(距頂部距離1，4，7，10 cm處)隨著干密度增大而減小，干密度的增大造成孔隙比減小，阻礙了水分的遷移.

H1：資源基礎(chǔ)對(duì)新疆農(nóng)產(chǎn)品品牌競(jìng)爭(zhēng)力有正向影響，即資源基礎(chǔ)越豐富，利用率越高，新疆農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域品牌競(jìng)爭(zhēng)力越強(qiáng)。

3.2 試樣內(nèi)部溫度分布

根據(jù)GB/T 0123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，測(cè)得該非飽和分散性黏土的初始凍結(jié)溫度為-0.33 ℃.圖5(a)為W18D1.59試樣不同位置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)在一個(gè)凍結(jié)過程中溫度的變化.試樣在2 h內(nèi)凍深約1.5 cm，4 h時(shí)凍深約5 cm，10 h凍深約7.5 cm.在試樣內(nèi)部初始溫度相同下，凍結(jié)后試樣內(nèi)部溫度沿高度方向上呈線性變化，其他試樣亦具有相同的線性關(guān)系.圖5(b)為土樣凍結(jié)鋒面隨凍結(jié)時(shí)間的關(guān)系，土樣凍結(jié)鋒面前期5 h內(nèi)移動(dòng)與凍結(jié)時(shí)間呈線性關(guān)系，后期移動(dòng)逐漸變慢并趨于穩(wěn)定.

圖4 4次凍融下相同初始含水率(18%)不同干密度試樣各部位含水率變化

圖5 W18D1.59試樣內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化

3.3 試樣高度變化

圖6為初始孔隙比相同，不同含水率下凍脹與融沉后試樣高度變化，可以看出，初始含水率越大，凍脹量和融沉量也較大.

圖6 不同初始含水率試樣高度變化(正值為增大，下同)

圖7為不同初始干密度下試樣凍融高度變化.可以看出，相同初始含水率下4次凍融后，當(dāng)初始干密度為1.59 g/cm3時(shí)凍脹量最大，主要是因?yàn)槌跏几擅芏容^小時(shí)，土中孔隙通道較大，不利于毛細(xì)水和因溫度梯度對(duì)水分的遷移作用；當(dāng)初始干密度較大時(shí)，密實(shí)度較大，孔隙通道很小，對(duì)水分的遷移起到阻礙的作用.隨著4次凍融循環(huán)，不同干密度下最終的凍脹量和融沉量逐漸趨于穩(wěn)定.

圖7 不同初始干密度試樣高度變化

3.4 分散性黏土與一般黏性土凍融特性差異

采用顆粒含量近似的一般粉質(zhì)黏土對(duì)比試驗(yàn)，一般粉質(zhì)黏土的物理性質(zhì)見表3，其他試驗(yàn)條件完全相同.在圖8中，相同工況下分散土和非分散土在第一個(gè)凍融循環(huán)下，凍脹量和融沉量相差不大.在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后，分散土的凍脹量大于融沉量，并表現(xiàn)為凍脹量具有逐漸累積的性質(zhì)，試樣表現(xiàn)為凍融后松散的性質(zhì).非分散土多次凍融的凍脹量明顯小于融沉量，表現(xiàn)為凍融后土體密實(shí)的性質(zhì).圖8中分散土的凍脹量明顯大于非分散土，主要因?yàn)榉稚⑼琉ね恋V物中蒙脫石和伊利石含量達(dá)到70%以上，蒙脫石和伊利石由于較大的比表面積而親水性強(qiáng)，使分散土的凍脹量明顯大于非分散土的.分散性黏土在多次凍融后并不像一般黏性土那樣隨著多次凍融孔隙水可以排出.

圖8 非分散性黏性土與分散性黏土多次凍融后試樣高度變化

4 凍脹率與融沉系數(shù)影響因素分析

根據(jù)GB/T 0123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用凍脹率和融沉系數(shù)評(píng)價(jià)非飽和分散性黏土的凍脹融沉特性[13-17].

凍脹率按下式計(jì)算

式中：η為凍脹率(%)，Δh為試驗(yàn)期間總凍脹量(mm)，Hf為凍結(jié)深度(mm)(不包括凍脹量).這里的凍結(jié)深度采用溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度內(nèi)插的方式近似計(jì)算.

式中:a0為凍土融沉系數(shù)，Δh0為凍土融化下沉量(mm)，h0為凍土試驗(yàn)初始高度(mm).

4.1 干密度的影響

圖9表明，不同干密度非飽和分散性黏土中，融沉系數(shù)隨凍融次數(shù)增大而增大并趨于穩(wěn)定，密度越大，穩(wěn)定得越快，且融沉系數(shù)越小.圖10為不同干密度下凍脹率關(guān)系，隨著凍融次數(shù)增加，凍脹率逐漸增大.密度越大，凍脹率越小.在保證含水率情況下，有效提高土方填筑干密度可以有效減小分散性黏土凍脹量和融沉量.

圖9 不同干密度下試樣融沉系數(shù)關(guān)系

圖10 不同干密度下試樣凍脹率關(guān)系

4.2 初始含水率的影響

圖11表明，非飽和分散性黏土在不同初始含水率下，融沉系數(shù)隨凍融次數(shù)增大而先增大后減小.圖12表明，在不同初始含水率下，凍脹率隨凍融次數(shù)先增大后緩慢減小并趨于不變.在初始含水率較高(大于20%)時(shí)，經(jīng)過2次以上凍脹土體表現(xiàn)為強(qiáng)凍脹，寒區(qū)工程建設(shè)中需要進(jìn)一步對(duì)分散土內(nèi)部排水和隔水進(jìn)行研究.

圖11 不同初始含水率下試樣融沉系數(shù)關(guān)系

圖12 不同初始含水率下試樣凍脹率關(guān)系

5 結(jié) 論

1)分散性黏土的凍融特性明顯區(qū)別于一般性非分散性黏土，其凍脹量遠(yuǎn)大于非分散土，對(duì)工程危害更為嚴(yán)重.多次凍融后,分散性黏土凍脹表現(xiàn)為凍脹后松散特性，而非分散土凍脹表現(xiàn)為凍融密實(shí)特性.

2)多次凍融后分散性黏土內(nèi)部含水率重新分布，初始含水率越低，相應(yīng)部位含水率增大百分率越大，吸水能力越強(qiáng)；在有外界補(bǔ)水下，初始含水率較高的分散性黏土經(jīng)過兩次以上凍融后均可表現(xiàn)為強(qiáng)凍脹.

3)初始含水率對(duì)分散性黏土凍脹量和融沉量影響較大.融沉系數(shù)隨凍融次數(shù)增大先增大后減??；凍脹率隨著凍融次數(shù)先增大后緩慢減小并趨于穩(wěn)定.

4)干密度對(duì)分散性黏土凍脹量和融沉量影響較大.不同干密度的分散性黏土，融沉系數(shù)隨凍融次數(shù)增大而增大，后趨于穩(wěn)定；干密度越大融沉系數(shù)穩(wěn)定越快，且融沉系數(shù)越小.

5)控制初始含水率和干密度可以有效降低分散性黏土凍脹量和融沉量，在寒區(qū)工程建設(shè)中需進(jìn)一步研究工程排水和隔水等措施，減小凍融對(duì)建筑物的破壞.