趙 波

(遼寧澤龍水利實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，沈陽 110003)

0 前 言

東北地區(qū)進(jìn)入冬季后，氣溫較低，土壤開始處于凍結(jié)階段，水工混凝土受凍土期變化，較易出現(xiàn)明顯的凍融膨脹變化特征，因此在水工混凝土施工期，需要對其凍土期的凍融膨脹特征進(jìn)行分析，從而設(shè)定相關(guān)水工混凝土的抗凍指標(biāo)[1]。近些年來，對弈北方寒區(qū)凍融膨脹的觀測試驗(yàn)取得一定的研究成果[2-7]，這些研究成果大都表明凍土期水工混凝土的凍融變化特征十分明顯，凍融初期和緩凍期膨脹量變化具有較為明顯的差異性，需要對不同時(shí)期的凍融膨脹量進(jìn)行試驗(yàn)分析，才能定量分析凍融膨脹的具體影響程度。此外對于凍融膨脹量的影響因素探討研究還較少，多個(gè)研究成果表明含水率和溫度是凍土期水工混凝土凍融膨脹兩個(gè)主要影響因素，但哪個(gè)影響因素是其變化主因還未得到相關(guān)研究。結(jié)合上述2個(gè)科學(xué)問題，文章從工程實(shí)際出發(fā)，以遼寧某工程為研究實(shí)例，通過凍土期水工混凝土的凍融膨脹進(jìn)行觀測試驗(yàn)，分析凍土期凍融膨脹量在不同時(shí)期的變化特征，并分析其變化影響的主要因素。研究成果對于北方地區(qū)水工混凝土施工抗凍指標(biāo)設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

1 觀測試驗(yàn)方法

1.1 采樣方法

在進(jìn)行凍土采樣時(shí)，主要對其表層厚度在2.5-3.5m深度下的土層進(jìn)行采集，按照合《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對采集的土樣進(jìn)行密封處理，土樣的剔除和篩選按照四分方法進(jìn)行處理。首先采樣溶解性試驗(yàn)對采集的凍土進(jìn)行預(yù)先處理，采集的凍土樣品溶解離子試驗(yàn)結(jié)果，見表1。從試驗(yàn)結(jié)果可看出，凍土中溶解的Ca2+的濃度較大，而Cl-作為濃度最高的陰離子存在凍土溶解液中。此外對采集的凍土進(jìn)行顆粒級配試驗(yàn)，采集的凍土顆粒級配試驗(yàn)結(jié)果，見表2。

表1 采集的凍土樣品溶解離子試驗(yàn)結(jié)果

表2 采集的凍土顆粒級配試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)儀器

凍融膨脹觀測主要分為3個(gè)試驗(yàn)步驟：

第1步：觀測試驗(yàn)儀器的準(zhǔn)備，本次觀測試驗(yàn)主要采用試驗(yàn)筒、溫控監(jiān)測系統(tǒng)作為凍融膨脹量和溫度的監(jiān)控試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。

第2步：對水工混凝土的凍融變形特征進(jìn)行觀測試驗(yàn)。本次選用內(nèi)筒直徑為100mm的觀測筒對凍融膨脹量進(jìn)行觀測，觀測筒高度和內(nèi)部厚度分別為200mm和45mm，將熱源靈敏傳感器安裝到觀測筒的底部位置。凍結(jié)底板安裝在融觀測試驗(yàn)筒的頂部位置，底板直徑和厚度分別為350mm和45mm。多個(gè)單孔設(shè)置在凍結(jié)底板位置，循環(huán)制動(dòng)凍融的冷卻溶液，4個(gè)排水孔安裝在觀測筒的頂部位置。將厚度為20mm的固定板安裝在觀測試驗(yàn)筒的底部位置，環(huán)形凹槽在固定板內(nèi)部進(jìn)行安裝固定，鋼架安裝在底板和支撐板的中部區(qū)域，在凍融膨脹時(shí)底板不受其變化影響。

第3步：主要對水工混凝土的凍融變形特征進(jìn)行監(jiān)測，主要通過觀測筒和磁儀器進(jìn)行變形量監(jiān)測，凍融觀測試驗(yàn)高程和測試偏差分別為55mm和0.10mm。

1.3 試驗(yàn)步驟

采用5個(gè)試驗(yàn)步驟完成水工混凝土凍融膨脹的變化特征，各試驗(yàn)步驟分別為：

1)采用溶解試驗(yàn)對采集的凍土樣品進(jìn)行溶解離子和顆粒直徑的大小分析，對其采集的凍土物理特征進(jìn)行試驗(yàn)測定。

2)觀測試驗(yàn)：采用空載試驗(yàn)的方式對其凍融前的含水率進(jìn)行測定，將10cm的保溫層包圍在觀測筒的外部區(qū)域，以保證同一個(gè)試驗(yàn)溫度下進(jìn)行凍融變化觀測試驗(yàn)。

3)含水率的測定：將不同土樣進(jìn)行含水率測定后，進(jìn)行攪拌均勻密封裝入樣品采集袋中，一般在常溫條件下將試驗(yàn)土樣的溶解液靜置20h以上，從而確保采集的土壤樣品具有相同的均勻度。

4)溫控試驗(yàn)：在進(jìn)行凍結(jié)觀測試驗(yàn)時(shí)，需要對試驗(yàn)土壤溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，最好將試驗(yàn)土壤溫度按照0.6℃/h進(jìn)行逐步降溫處理。

5)膨脹量試驗(yàn)：進(jìn)入緩凍期后，將溫控系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)閉，按照每3cm的深度從上向下逐步采集凍土，對采集的土壤樣品采用烘干方法測定其含水率。

2 凍融膨脹觀測結(jié)果分析

2.1 不同土樣的凍融變化特征

對細(xì)粒和粗砂兩種采集的土樣進(jìn)行凍融變化特征的觀測試驗(yàn)，觀測了不同含水率變化下兩種類型土壤的凍融膨脹變化量，細(xì)粒土在不同含水量條件下的膨脹量觀測結(jié)果，見表3；粗砂土在不同含水量條件下的膨脹量觀測結(jié)果，見表4。

表3 細(xì)粒土在不同含水量條件下的膨脹量觀測結(jié)果

表4 粗砂土在不同含水量條件下的膨脹量觀測結(jié)果

2種類型凍土在不同含水率變化下具有相似的凍融變化特征，隨著含水率的遞增其凍融膨脹量逐步增加，主因是凍結(jié)初始階段隨著含水率的遞增凍土的凍結(jié)比例相應(yīng)增加，水工混凝土在凍結(jié)階段凍融膨脹速率較大，也因此相應(yīng)增加其膨脹量。在凍融初始階段細(xì)粒隨著凍融時(shí)間的增加其膨脹量有所減少，這主要是因?yàn)榭讖捷^小的細(xì)粒土不易出現(xiàn)較為顯著的凍融膨脹變化，而其凍融膨脹量顯著遞增的階段主要出現(xiàn)在凍融期。粒徑較大的粗砂土在凍結(jié)初期其凍融膨脹較大，其膨脹量要多于細(xì)粒。細(xì)粒和粗砂土在凍融期及緩凍期變化特征較為接近，在緩凍期兩種凍土凍融膨脹量均呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的變化特征。

2.2 膨脹率與含水量相關(guān)度分析

對比分析兩種類型凍土下凍融膨脹率與含水量之間的相關(guān)度，不細(xì)粒和粗砂土凍融膨脹率和含水率相關(guān)度分析結(jié)果，見圖1。

細(xì)粒 粗砂

從2種類型凍土的凍融膨脹率和含水率相關(guān)度分析結(jié)果可看出，凍融膨脹率和含水率呈現(xiàn)較為明顯的線性相關(guān)，細(xì)粒和粗砂凍融膨脹率和含水率相關(guān)系數(shù)均>0.8，屬于高度相關(guān)，粗砂的總體相關(guān)度要好于細(xì)粒，這主要是因?yàn)榭讖捷^小的細(xì)粒土不易出現(xiàn)較為顯著的凍融膨脹變化，而其凍融膨脹量顯著遞增的階段主要出現(xiàn)在凍融期，因此其相關(guān)度要低于粗砂土。從觀測試驗(yàn)分析結(jié)果，水工混凝土的含水率是其凍融膨脹變化的主要，其次為氣溫。

2.3 凍融期垂向含水率變化試驗(yàn)

對細(xì)粒和粗砂凍融期垂向含水率進(jìn)行觀測試驗(yàn)分析，細(xì)粒凍融期垂線含水率分布，見圖2；粗砂土凍融期垂線含水率分布，見圖3。

ω=18% ω=24%

ω=18% ω=24%

從不同類型凍土凍融期含水率垂向變化可看出，凍土類型對其含水率垂向分布影響程度較小，頂部凍土層的含水率隨著初始含水率的遞增而逐步增加，而底部凍土層的含水率有逐漸減小的變化趨勢，凍結(jié)較為嚴(yán)重的區(qū)域主要集中在凍土層深度為5-10cm的位置，不易凍結(jié)的土層厚度主要介于1.5-3.5cm的位置。隨著含水率垂向深度的增加，含水率也逐步變化，且凍融膨脹量有所減少。粗砂初始含水量對其垂向分布影響較細(xì)粒要顯著，凍結(jié)較為嚴(yán)重的土層深度主要介于8-9cm之間，不易凍結(jié)的土層深度主要集中在2-3cm的位置。不同類型的凍土對凍融膨脹影響程度有所差異。

3 結(jié) 論

1)隨著含水率的遞增水工混凝土凍土層的凍融膨脹量逐步增加，主因是凍結(jié)初始階段隨著含水率的遞增凍土的凍結(jié)比例相應(yīng)增加，水工混凝土在凍結(jié)階段凍融膨脹速率較大，也因此相應(yīng)增加其膨脹量。

2)粒徑較大的粗砂土在凍結(jié)初期其凍融膨脹較大，其膨脹量要多于細(xì)粒。細(xì)粒和粗砂土在凍融期及緩凍期變化特征較為接近，在緩凍期兩種凍土凍融膨脹量均呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的變化特征。

3)從不同類型凍土凍融期含水率垂向變化可看出，凍土類型對其含水率垂向分布影響程度較小，頂部凍土層的含水率隨著初始含水率的遞增而逐步增加，而底部凍土層的含水率有逐漸減小的變化趨勢。