馮玉坤

（臥虎溝水利服務站，遼寧省朝陽市喀左縣 122300）

0 引言

在我國， 分布著較大面積的粉質(zhì)鹽堿土壤，由于該類土壤孔隙度較大且含有較多的易溶鹽，遇水之后容易溶解和散失，使土體內(nèi)部出現(xiàn)較多的孔隙，穩(wěn)定性大幅降低[1]。 而北方鹽堿區(qū)的渠道基土在凍融過程中更容易發(fā)生變形和破壞，導致滲漏、凍脹、沉陷等諸多難以根本解決的問題。 傳統(tǒng)工程多通過加厚和改良渠道襯砌結構來控制鹽堿區(qū)渠道基土凍脹破壞，但由于沒有改變特殊的鹽堿環(huán)境，不僅成本投入較大且改造效果并不理想[2]。

生石灰渠基土改良是近年來寒區(qū)灌溉渠道施工中提出的一種控制凍融破壞的新施工工藝，可以實現(xiàn)就地取材， 還可以大幅提高襯砌結構安全性和穩(wěn)定性，具有重要的工程意義和價值[3]。 但工程理論和經(jīng)驗并不完善。 同時，由于地域土性、試驗工況及工程要求的差異性， 必須進行精密的土工試驗，才能獲取特定工程范圍內(nèi)施工參數(shù)，保證工程效果。

故此次研究在自行設計并加工凍脹融沉試驗裝置的基礎上，選擇單因素凍融試驗方法，精確設置了地不同梯度水平條件， 分別探討了7 種不同的生石灰摻量水平、4 個不同的冷端溫度水平，4種不同含水率水平條件下， 獲得各因素對生石灰改良粉質(zhì)粘土凍脹率和融沉系數(shù)的影響規(guī)律，分析探討生石灰改良粉質(zhì)鹽堿渠基土的最佳條件與效果。 提高農(nóng)業(yè)基礎設施水平相對較低，改善水利基礎設施，優(yōu)化環(huán)境，降低生產(chǎn)成本。

2 試驗與方法

2.1 試驗方法

2.1.1 確定研究因素

根據(jù)生石灰改良粉質(zhì)鹽堿土的實際工程需求和試驗設備要求[4]，研究選擇生石灰摻量、冷端溫度（指凍融循環(huán)試驗過程中的最低溫度，）以及含水率 （此次研究中的含水率是指土中水的質(zhì)量與干土和摻入生石灰的總質(zhì)量的比值。 ）3 個因素進行試驗探究，各因素的選取依據(jù)和標準如下：

（1） 生石灰摻量：對于生石灰添加改良粉質(zhì)鹽堿土而言，生石灰的摻量無疑是最關鍵的因素，對改良土的凍脹和融沉特征有著直接影響[5]。

（2） 冷端溫度：其大小決定了土體試樣內(nèi)溫度的梯度， 溫度梯度的大小又會直接影響土體的凍脹融沉速率。

（3） 含水率：含水率對于凍土特性的研究來說具有重要意義。 粉質(zhì)鹽堿土之所以會發(fā)生凍脹融沉現(xiàn)象，是因為其內(nèi)部含有水分[6]。 但是，研究結果表明， 只有當土體內(nèi)部的水分含量達到一定水平時， 土體的降溫凍結和升溫融化過程中才會發(fā)生凍脹融沉現(xiàn)象。 根據(jù)相關研究成果[7]，粉質(zhì)土發(fā)生凍脹的臨界含水率為19%左右，液限為36%左右。

2.1.2 方案設計

為了減少試驗復雜性和試驗數(shù)量， 研究中采取單因素試驗的方式進行。 也就是固定兩個參數(shù)值不變，對第3 個參數(shù)的影響展開試驗研究。 每個試驗方案試驗3 個試樣。 以其試驗結果均值作為最終試驗結果。 如果某個試樣的試驗結果偏差較大，超過了中間值的15%，應該重做該組試驗[8]。

方案1：保持初始含水率35%、冷端溫度-10℃兩個指標不變， 對0%、4%、8%、12%、16%、20%、24%等7 種不同的生石灰摻量水平方案進行試驗，以獲取生石灰摻量對試樣凍脹融沉的影響；

方案2：保持生石灰摻量為12%、初始含水率為35%兩個因素水平不變，-10℃、-15℃、-20℃、-25℃等4 個不同的冷端溫度水平進行試驗；

方案3： 固定生石灰摻量12%、 冷端溫度為-10℃兩個因素不變， 對20%、25%、30%和35%等4種不同含水率水平進行試驗。

2.1.3 測試方法

在試驗開始之前， 首先采用分層壓樣法進行試樣的制作， 制作過程中首先將試樣筒在導熱板上固定好，并在內(nèi)壁均勻涂抹一層凡士林[9]。 將制作好的生石灰改良土分五層裝入試樣筒， 并分層擊實，然后用保鮮膜將試樣筒包裹嚴實，在室溫條件下放置7 天進行試驗。

試驗時首先將在試樣上面放置一層濾紙，再放透水板，最后安裝好補水裝置、溫度傳感器、位移傳感器和保溫棉層， 并將各個傳感器接入數(shù)據(jù)采集器并調(diào)試。 在試樣安裝好之后，將試驗臺箱體內(nèi)部的溫度調(diào)至1℃，并保持6h。 然后開始進行凍脹試驗， 試驗中將溫度循環(huán)裝置的溫度調(diào)整為試驗方案所設定的負溫， 每1min 采集一次試驗數(shù)據(jù)， 在試件高度變化量小于0.02mm 時停止試驗。然后進行融沉試驗，將溫度調(diào)整為30℃，并記錄好試驗數(shù)據(jù)，在試樣的高度變化小于0.02mm 時停止試驗。

2.3 儀器與設備

根據(jù)石灰改良土凍脹融沉試驗的實際需求，參考了其他凍脹融沉試驗裝置的優(yōu)點， 自行設計并加工了3 套簡易的可以同時測量9 組試樣的凍脹融沉試驗裝置。 試驗系統(tǒng)主要由多功能物理模擬 試 驗 平 臺 （FQZH-015）、 恒 溫 循 環(huán) 裝 置（XT5718LT-R40）、導熱板、透水和補水裝置、試樣筒以及溫度和位移監(jiān)測裝置 （YWC-20 型應變式位移傳感器）組成。

2.4 數(shù)據(jù)處理

在試驗結束之后， 將收集的數(shù)據(jù)導入計算機進行試樣的凍脹率和融沉系數(shù)的計算， 凍脹率和融沉系數(shù)的計算公式如下：

式中：η 為試樣凍脹系數(shù)；α 為試樣融沉系數(shù)；Δh為試樣軸向變形量，mm；Δh0為試樣融化下沉量，mm；h0試樣初始高度，mm。

3 結果與討論

3.1 生石灰摻量

根據(jù)各生石灰摻量方案的試驗結果， 計算出凍脹率和融沉系數(shù)，結果如表1 所示。 從具體的試驗數(shù)據(jù)來看，無論凍脹率還是融沉系數(shù)，均隨著生石灰摻量的增加而減小。 其中沒有摻入生石灰試樣的凍脹率為10.80%，屬于強凍脹土。當生石灰摻量小于4%時，對凍脹率和融沉系數(shù)的降低作用較為有限。 以凍脹率為例，生石灰摻量4%試樣的凍脹率較未摻加生石灰試樣的凍脹率減小了約2.69%；當生石灰摻量從4%增加到12%時，凍脹率和融沉系數(shù)的減小較為迅速，仍以凍脹率為例，生石灰摻量12%試樣的凍脹率較生石灰摻量4%試樣的凍脹率減小了約44.62%； 在摻量12%的基礎上，進一步增加生石灰摻量，其對凍脹率和融沉系數(shù)的減小作用又趨于減弱。 綜上，在粉質(zhì)鹽堿土中摻加生石灰可以降低土體的凍脹率和融沉系數(shù)，這對于減輕灌溉渠道冬季凍脹融沉破壞有利。 生石灰的摻量以12%為最佳， 不僅可以獲得良好的凍脹融沉控制效果，也可以有效控制施工成本。

表1 不同生石灰摻量凍脹融沉試驗結果

研究中對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析， 并對凍脹率和融沉系數(shù)與生石灰摻量之間的關系進行擬合，結果如表2 所示。 試驗結果和擬合關系曲線如圖1 所示。 由表2 和圖1 可以看出，同試驗條件下的凍脹量要小于融沉量， 原因是試驗本身的無外荷載的情況下進行， 并在自重作用下產(chǎn)生融沉變形，因此試樣的融沉量要大于凍脹量[10]。此外，擬合結果對工程應用和其他類似研究也具有一定的支持和借鑒作用。

表2 凍脹率和融沉系數(shù)與生石灰摻量擬合關系

圖1 不同生石灰摻量試驗結果擬合曲線

3.2 冷端溫度

根據(jù)試驗計算出凍脹率和融沉系數(shù)， 結果如表3 所示， 并繪制出凍脹率和融沉系數(shù)隨冷端溫度變化曲線（圖2 和圖3）。 從圖中可以看出，隨著冷端溫度的降低， 試樣的凍脹率和融沉系數(shù)均呈現(xiàn)出近似線性減小的變化特征。

表3 不同冷端溫度凍脹融沉試驗結果

圖2 凍脹率隨冷端溫度變化曲線

圖3 融沉系數(shù)隨冷端溫度變化曲線

土體凍脹融沉產(chǎn)生的過程實質(zhì)上也就是土體內(nèi)溫度場發(fā)展的過程， 土體伴隨著溫度的降低產(chǎn)生凍脹，又隨著溫度的回升產(chǎn)生融沉。 土體內(nèi)部溫度場的變化是土體發(fā)生凍脹融沉變化的內(nèi)因，由于冷端溫度值會直接影響試樣內(nèi)部的溫度梯度特征，因此，也是改良土凍脹和融沉變化特征的重要影響因素。

由此可見， 較低的冷端溫度對控制生石灰固化粉質(zhì)鹽堿土的凍脹變形有利。 究其原因，在較低的冷端溫度條件下，土體凍結速度較快，土體中的水分來不及遷移即凍結成冰，因此凍脹發(fā)展停滯，凍脹率和融沉量較小[11]。

3.3 含水率

試驗結果如表4 所示。 繪制凍脹率和融沉系數(shù)隨含水率變化曲線（圖4 和圖5）。 可以看出，在其他條件不變的情況下， 生石灰改良粉質(zhì)鹽堿土的凍脹率和融沉系數(shù)均隨著含水率的增大而增大，且呈現(xiàn)出近似線性變化關系。 究其原因，試樣土體的初始含水率越大， 則土體本身的飽和度也就越大，在凍結過程就會產(chǎn)生較多的孔隙冰，因此凍脹量相對較大[12]。

表4 不同含水率凍脹融沉試驗結果

圖4 凍脹率隨含水率變化曲線

圖5 融沉系數(shù)隨含水率變化曲線

4 結語

此次研究通過室內(nèi)試驗的方式， 探討了生石灰改良粉質(zhì)鹽堿渠基土的相關參數(shù)變化對凍脹率和融沉系數(shù)的影響，獲得的主要結論如下：

1）在粉質(zhì)鹽堿土中摻加生石灰可以降低土體的凍脹率和融沉系數(shù)，摻加量以12%為最佳。

2）較低的冷端溫度對控制生石灰固化粉質(zhì)鹽堿土的凍脹變形有利。

3）生石灰改良粉質(zhì)鹽堿土的凍脹率和融沉系數(shù)均隨著含水率的增大而增大， 較小的初始含水率對控制渠基土的凍脹變形更有利。 □