韓顯達(dá)

(朝陽市水務(wù)局，遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

中國北方寒冷地區(qū)普遍存在季節(jié)性凍土，而水利工程的安全運(yùn)行受水工混凝土凍融膨脹特別是季節(jié)性凍土期的影響十分顯著。因此，寒冷地區(qū)水利工程設(shè)計(jì)必須考慮季節(jié)性凍土期水工混凝土的凍融膨脹問題[1]。關(guān)于混凝土的凍融膨脹研究我國尚處于起步階段，大多利用試驗(yàn)觀測的方式分析凍融膨脹階段的混凝土含水率變化特征[2-6]。例如，蔡正銀等[7]試驗(yàn)研究了輸水工程的地基凍脹-土鹽特性，結(jié)果顯示輸水工程的水頭損失主要來源于地基土樣凍融膨脹。冬季遼寧地區(qū)氣溫較低，季節(jié)性凍土分布廣泛，水利工程設(shè)計(jì)必須考慮水工混凝土的凍融膨脹特性[8-10]。因此，有必要通過試驗(yàn)觀測揭示其凍融膨脹特征，為合理設(shè)計(jì)水利工程方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣采集

一般地，以距離地表3～4m深進(jìn)行土樣采集，采樣后立即密封包裝，并對(duì)試驗(yàn)土樣利用四分法和《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行篩選、剔除，經(jīng)溶解性分析確定試驗(yàn)土樣化學(xué)組分，試驗(yàn)土樣的化學(xué)組分，見表1；土樣顆粒級(jí)配，見表2。結(jié)果顯示，土樣中的陽離子Ca2+和陰離子Cl-的含量較高。

表1 試驗(yàn)土樣的化學(xué)組分

表2 土樣顆粒級(jí)配

1.2 觀測儀器

凍融膨脹觀測儀器主要有試驗(yàn)筒、溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)、凍融膨脹變形監(jiān)測儀3個(gè)部分，其中試驗(yàn)筒高150mm，內(nèi)壁厚35mm，筒徑100mm，熱源靈敏傳感器沿縱向筒深每隔30mm安裝。凍結(jié)底板安裝在試驗(yàn)筒頂部，底板厚30mm，直徑300mm，為維持冷卻液的循環(huán)制動(dòng)對(duì)凍結(jié)底板挖設(shè)多個(gè)單孔，頂部布置進(jìn)出排水孔4個(gè)，底部安裝厚度15mm的固定板，為便于固定內(nèi)部內(nèi)設(shè)環(huán)形凹槽，支撐板與固定底板之間按鋼架以確保凍融觀測時(shí)底板不因膨脹而發(fā)生變形；試驗(yàn)選用國產(chǎn)溫控系統(tǒng)，溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)的溫控精度達(dá)到0.1℃；凍融膨脹變形監(jiān)測儀主要由試驗(yàn)觀測筒和磁儀器所組成，膨脹變形監(jiān)測精度達(dá)到0.05mm，最大測試高程60mm。

1.3 試驗(yàn)流程

1)步驟1：凍融試驗(yàn)。首先測定分析試驗(yàn)土樣的顆粒粒徑、溶解性等主要物理特性，為了確保試驗(yàn)儀器的正常運(yùn)行，在凍融試驗(yàn)開始前先進(jìn)行空載，然后用10mm厚的保溫層包圍觀測筒外部，以保證試驗(yàn)土樣處于相同保溫層內(nèi)。

2)步驟2：準(zhǔn)備土樣。攪拌均勻后，將含水率不同的土樣分別裝入袋內(nèi)，常溫靜置24h以確保試驗(yàn)土樣的均勻混合。

3)步驟3：測定凍結(jié)含水率。采用溫控系統(tǒng)逐步降低試驗(yàn)土樣溫度，設(shè)定溫降速率0.5℃/h，凍融膨脹達(dá)到穩(wěn)定后關(guān)閉溫控系統(tǒng)，每隔3cm深從土樣頂部逐層向下取土，將各層土樣的含水率利用烘干法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融膨脹試驗(yàn)結(jié)果

不同含水率下的粗砂土和細(xì)粒土凍融膨脹量，見表3；其中w為含水率；凍融膨脹量變化曲線，見圖1。

表3 不同含水率下的粗砂土和細(xì)粒土凍融膨脹量

續(xù)表3 不同含水率下的粗砂土和細(xì)粒土凍融膨脹量

(a)細(xì)粒土 (b)粗砂土

由表3可知，隨著含水率的增加粗砂土和細(xì)粒土的凍融膨脹量均表現(xiàn)出增大趨勢，這是由于含水率越高則凍融階段的凍結(jié)率就越大，水工混凝土在該階段的凍融膨脹量也就越高。

圖1(a)表明，凍融過程中細(xì)粒土的膨脹變化可以分成凍融和穩(wěn)定2個(gè)階段。在凍融階段，初始凍融膨脹量隨著凍融時(shí)間的延長有所減小，這是由于細(xì)粒土的孔徑較小難以形成比較明顯的凍融膨脹，凍融階段的膨脹量表現(xiàn)出快速上升趨勢，曲線增長梯度不斷增加并達(dá)到最高，而穩(wěn)定階段的凍融膨脹量變化較小[11]。圖1(b)表明，凍融階段粗砂土的初始凍融膨脹量不斷上升，這是由于粒徑較大的粗砂土凍融量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于細(xì)粒土，其凍融和穩(wěn)定2個(gè)極端的凍融量變化過程與細(xì)粒土基本相同。凍結(jié)階段，粗砂土凍融量表現(xiàn)出明顯的增長趨勢，而穩(wěn)定階段的變化不明顯。

2.2 相關(guān)性數(shù)據(jù)分析

根據(jù)含水率檢測數(shù)據(jù)，深入分析不同含水率與粗砂土、細(xì)粒土凍融膨脹率的相關(guān)性，凍融膨脹率與土樣含水率關(guān)系圖，見圖2。圖2表明，凍融膨脹率與粗砂土、細(xì)粒土含水率之間存在顯著相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8850、0.8516，即凍融膨脹率與粗砂土含水率的相關(guān)性優(yōu)于細(xì)粒土，這與粗砂土、細(xì)粒土的粒徑相關(guān)，粒徑越大則相關(guān)性越好，故細(xì)粒土的相關(guān)性略小于粗砂土?？傮w而言，兩種土質(zhì)的凍融膨脹率與含水率均存在顯著相關(guān)性，即水工混凝土的凍融膨脹受土樣含水率的影響較大[12]。

(a)細(xì)粒土 (b)粗砂土

2.3 含水率縱向分布特點(diǎn)

依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，全面探討凍融膨脹階段不同土樣含水率的縱向分布規(guī)律，粗砂土縱向含水率變化曲線，見圖4。圖3表明，初始含水率越高則細(xì)粒土頂部含水率越大，其底部越小，土樣6～9cm高度區(qū)間的凍結(jié)比較嚴(yán)重，而1～3cm高度區(qū)間不易凍結(jié)；因此，土樣高度越小則含水率越大，其發(fā)生凍融膨脹的概率越低。圖4表明，不同初始含水率條件下，粗砂土的含水率縱向分布具有明顯差異，土樣8～9cm高度區(qū)間的凍結(jié)比較嚴(yán)重，而2～3cm高度區(qū)間不易凍結(jié)?？傮w而言，質(zhì)地不同的土樣其發(fā)生凍融膨脹的深度也存在一定的差異[13-15]。

(a)w=10% (b)w=20%

3 結(jié) 論

通過試驗(yàn)研究水工混凝土凍融膨脹特征，主要得出以下結(jié)論：凍融膨脹階段的土樣膨脹速率較快，水工混凝土凍融膨脹曲線梯度呈快速上升趨勢，穩(wěn)定階段的凍融膨脹率上升幅度減小逐漸達(dá)到穩(wěn)定；凍融膨脹率與含水率呈顯著的線性關(guān)系，為了減小混凝土凍融膨脹率，在施工階段要嚴(yán)格控制土樣含水率；制約水工混凝土凍融膨脹的關(guān)鍵因素是含水率，而引起凍融膨脹的主因是水分縱向變化。