閆 壘 石爽爽

（黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引言

有關(guān)凍融對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、水分運(yùn)動(dòng)、地表沉降等的影響，國(guó)外進(jìn)行了大量的研究，并獲得了相應(yīng)的研究成果。凍融會(huì)使緊密土壤的結(jié)構(gòu)性減弱[1]，會(huì)使松散土的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)化[2]；凍融會(huì)使大、中孔隙含量逐漸增多，小孔隙含量減少，而微孔隙含量基本保持不變，孔隙分布隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加趨于穩(wěn)定[3,4]。早在21 世紀(jì)初，用膨潤(rùn)土改性土作為防滲透材料的構(gòu)想就引起了國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者的關(guān)注。許多學(xué)者在這個(gè)問(wèn)題上做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，也取得了很多有益的研究成果：凍融通過(guò)改變土的結(jié)構(gòu)、密實(shí)度和含水率的大小與分布，進(jìn)而影響土凍融后的力學(xué)性能；多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)土凍融后抗剪強(qiáng)度降低[5]，少數(shù)發(fā)現(xiàn)抗剪強(qiáng)度增加[6]或變化不大[7]；凍融循環(huán)具有強(qiáng)化和弱化不同干密度土壤的雙重作用，凍融對(duì)臨界干密度影響不大。在土體抗?jié)B性方面，膨潤(rùn)土在我國(guó)工程中得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)很多工程中用作防滲層的材料主要有黃土摻膨潤(rùn)土、膨潤(rùn)土、黃土、復(fù)合土、砂摻膨潤(rùn)土[8]。崔自治等對(duì)膨潤(rùn)土與粘性土復(fù)合改善砂土抗?jié)B性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，膨潤(rùn)土與黏性土復(fù)合能顯著地降低砂土的滲透性[9]；郄穎等通過(guò)研究膨潤(rùn)土改性黃土的強(qiáng)度特性得出適量摻入膨潤(rùn)土可對(duì)黃土的黏聚力有明顯改善[10-12]。

盡管相關(guān)的研究成果較多，但對(duì)補(bǔ)水條件下膨潤(rùn)土改性黃土的一維凍融效應(yīng)的研究卻很少?；诖?，本文對(duì)在補(bǔ)水條件下添加不同含量膨潤(rùn)土的黃土展開凍融試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，以供相關(guān)研究人員參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料主要為黃土和膨潤(rùn)土,嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)定黃土的物理力學(xué)參數(shù)，如含水率、干重度、液限、塑限、最大干密度、最優(yōu)含水率等。其中，黃土的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示；黃土的化學(xué)成分如表2 所示；膨潤(rùn)土的主要化學(xué)成分如表3 所示；黃土的粒徑分布如圖1所示。

表1 黃土的物理力學(xué)參數(shù)分析表

表2 黃土的化學(xué)成分分析表

表3 膨潤(rùn)土的化學(xué)成分分析表

圖1 黃土的粒徑分布圖

1.2 試驗(yàn)分組

為了研究添加不同含量膨潤(rùn)土的改性黃土凍脹融沉特性，共設(shè)計(jì)了6組試驗(yàn)樣品。第一組為對(duì)比試驗(yàn)樣品，該組樣品不添加膨潤(rùn)土；其他五組試驗(yàn)樣品都添加了膨潤(rùn)土，從第二組到第六組試驗(yàn)樣品，每組添加膨潤(rùn)土的含量從1%到5%。六組試驗(yàn)樣品在試驗(yàn)過(guò)程中的含水量都控制在25%。具體試驗(yàn)樣品分組情況如表4所示。

表4 試驗(yàn)分組情況

1.3 試驗(yàn)方法

為探究非飽和膨潤(rùn)土改性黃土有限補(bǔ)水條件下的一維凍脹融沉特性，采用定飽和度補(bǔ)水法來(lái)保證凍融前后試樣的飽和度一致。一個(gè)凍融循環(huán)為72h，其中凍24h，融24h，補(bǔ)水后靜置保養(yǎng)24h。凍結(jié)溫度依據(jù)當(dāng)?shù)亟y(tǒng)計(jì)的歷年平均極端溫度（-10℃），融化溫度取室溫（20℃）。用千分表測(cè)量?jī)鋈诤髽悠讽斆娴膬鋈谧冃?，分別計(jì)算凍脹率和融沉系數(shù),計(jì)算公式如式（1）和式（2）所示。每次凍融循環(huán)后的補(bǔ)水量按體積計(jì)算，多次均勻補(bǔ)充少量水，直到凍融循環(huán)凍結(jié)變形穩(wěn)定為止。

式中：η——凍脹率，%；

Δhf——試樣的凍脹量，mm；

h0——試樣初始高度，mm。

式中：δ——融沉系數(shù)，%；

Δht——試樣的融沉量，mm；

h0——試樣初始高度，mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

表5 展示的是不同組別試樣不同周期凍融循環(huán)效應(yīng)測(cè)試結(jié)果，在有限補(bǔ)水條件下，試樣凍融循環(huán)5 次后逐漸趨于穩(wěn)定，12次以后基本上不再有大的變化。

2.2 結(jié)果分析

由表5 可知，各組試樣的凍脹量均大于融沉量，試樣總體呈現(xiàn)出凍結(jié)膨脹，融化下沉，凍融后試樣體積增大的現(xiàn)象。凍脹系數(shù)和融沉系數(shù)多為正值，含水率越大，凍脹越明顯。隨著凍脹循環(huán)次數(shù)的增加，凍脹現(xiàn)象減弱并逐漸穩(wěn)定。凍融循環(huán)5 次前樣品的變化較大，5次凍融循環(huán)后試驗(yàn)樣品的變化基本穩(wěn)定；凍脹率逐漸增大是由于凍融過(guò)程中水的遷移變化所致[13]。土壤的成分很復(fù)雜，包括固體土壤顆粒和可溶性鹽分、液態(tài)水和氣態(tài)空氣。在冷凍過(guò)程中，水和部分可溶性鹽類引起晶體膨脹，土壤顆粒和空氣的體積收縮。在融化過(guò)程中，各種物質(zhì)體積變化是相反的。凍融過(guò)后土壤體積的增減與土壤組成和孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在低飽和度下，結(jié)凍過(guò)程中水的自由膨脹空間增加，導(dǎo)致土壤膨脹空間減少。

表5 凍脹率與融沉系數(shù)結(jié)果

經(jīng)過(guò)不同次數(shù)的凍融循環(huán)后，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，膨潤(rùn)土含量低的樣品凍脹率較大，凍融循環(huán)的效果更加明顯。在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，隨著膨潤(rùn)土含量的增加，樣品的凍脹結(jié)果呈非線性下降趨勢(shì)。膨潤(rùn)土摻量越少的試樣其凍效應(yīng)越明顯。同時(shí)，隨著膨潤(rùn)土含量的增加，樣品的凍脹率略有下降。在凍融循環(huán)期間，膨潤(rùn)土含量的增加可能會(huì)降低土壤的凍脹效應(yīng)。根據(jù)表5 可以得出，試樣的融沉系數(shù)隨著膨潤(rùn)土含量的增加而降低。在5 次凍融循環(huán)后融沉系數(shù)變化趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

土壤飽和度是指孔隙中水的體積與孔隙體積之比。土體中水量越多，經(jīng)過(guò)凍結(jié)過(guò)程水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)體積增大，從而需要的孔隙體積也越大，膨潤(rùn)土膨脹并具有良好的水合作用。通過(guò)添加膨潤(rùn)土，適當(dāng)減少土壤中的游離水量，減少凍脹量，降低凍脹作用。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，高含量膨潤(rùn)土?xí)种扑\(yùn)動(dòng)并減少凍融變形。當(dāng)溫度下降時(shí)，土壤中的水變成冰晶，由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，使土壤結(jié)冰。

土體的初始孔隙比和界限孔隙比可以決定凍脹融沉或凍縮的程度。界限孔隙比是指土中水結(jié)晶成冰時(shí)，土顆粒間空隙體積與土中水分冰晶化后的體積相等，則土體不會(huì)凍縮或凍脹。若初始孔隙比小于界限孔隙比，則土體產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象，即土體孔隙比逐漸增大至界限孔隙比。反之則產(chǎn)生凍縮現(xiàn)象。綜上可知，土體的周期凍融最后體積穩(wěn)定的過(guò)程是其初始孔隙比逐漸趨向界限孔隙比的過(guò)程。界限孔隙比主要由其飽和度決定，當(dāng)有限補(bǔ)水（飽和度不變），膨潤(rùn)土摻量越大，其吸水膨脹會(huì)加大土顆粒間的有效應(yīng)力，造成含水率、孔隙比和自由水含量較小，促使其無(wú)法形成較大的冰晶，其凍脹量較小，試樣的初始孔隙比難以破壞，因此，試驗(yàn)中樣品在第5 次凍融循環(huán)前，其凍脹率與膨潤(rùn)土摻量成反相關(guān)關(guān)系。在飽和度不變的情況下，在周期凍融循環(huán)中，試樣的體積逐漸變大，含水率逐漸上升。此時(shí)，在土體的孔隙比趨向于界限孔隙比的過(guò)程中，土中水分的冰晶化所需要的孔隙越大，凍脹率越大，土體變得疏松，土體抵抗凍融變形的能力逐漸減小，凍脹率隨膨潤(rùn)土摻量的增大而減小。

由于土粒相互緊密接觸，試樣的自重較小產(chǎn)生的壓縮性小，因此融化沉降量小。不含膨潤(rùn)土的黃土飽和度越高，試樣的凍脹越高。摻入膨潤(rùn)土后，膨潤(rùn)土相應(yīng)的吸收黃土中的水分，從而黃土中的水分減小，凍脹率相應(yīng)的比未摻入膨潤(rùn)土的試樣低。隨著試樣融化，冰的結(jié)晶水分子轉(zhuǎn)化為自由水，體積減小，樣品孔隙率增加，飽和度降低，土樣變得松散。摻入相應(yīng)含量膨潤(rùn)土的樣品，膨潤(rùn)土在土壤融化后吸收水分并膨脹。這將在一定程度上減少土壤中的游離水量，降低土壤的孔隙率，有效減少土壤的融化和沉降。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，添加膨潤(rùn)土改性的黃土，經(jīng)過(guò)數(shù)次凍融循環(huán)后，不同膨潤(rùn)土摻量的黃土凍融效應(yīng)不同，總體表現(xiàn)為隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，土的凍脹效應(yīng)有所減弱，土的凍脹大小與否與土的界限空隙比有關(guān)，凍脹效應(yīng)在五次凍融循環(huán)之前變化較明顯，五次凍融循環(huán)之后逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)；另外，膨潤(rùn)土改性黃土的融沉系數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，融沉系數(shù)有相應(yīng)的減小趨勢(shì)，可用于預(yù)測(cè)非飽和有限補(bǔ)水條件下膨潤(rùn)土改性黃土的凍融變形。