凍土試驗(yàn)方法淺析

邱良軍

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 天津 300251)

1 概述

凍土是溫度低于0 ℃且含有冰的土巖。而多年凍土在兩年或兩年以上都處于凍結(jié)狀態(tài),只有表層幾米的土層處于夏融冬凍的狀態(tài)。在多年凍土地區(qū)的主要工程地質(zhì)問(wèn)題有融沉、凍脹等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

在2008年5月、10月及2009年5月到大興安嶺的漠河進(jìn)行了凍土的勘察試驗(yàn)工作。由于工地現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)室條件有限，只做了篩分、液塑限、比重、含水量、密度、融沉壓縮等幾項(xiàng)試驗(yàn),其中篩分、液塑限、比重試驗(yàn)與正常土試驗(yàn)無(wú)區(qū)別,在此就不贅述，下面針對(duì)含水量、密度、融沉壓縮等幾項(xiàng)試驗(yàn)談一點(diǎn)自己工作中的感悟,敬請(qǐng)專家批評(píng)指正。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 凍土的總含水量

即凍土中所有的冰和未凍水的總質(zhì)量與土骨架質(zhì)量之比；即凍土在100 ℃至105 ℃溫度下烘至恒重后所失去水分的質(zhì)量與所達(dá)到恒重后干土質(zhì)量之比，用百分?jǐn)?shù)表示。

由于凍土中含有大量的冰(特別是富冰凍土)且冰的分布很不均勻,這就造成整個(gè)土體均勻性很差,在做含水量時(shí)就要注意取樣的代表性且要盡量多取些(一般取500 g以上)，如含冰量較少的細(xì)粒土，可視情況減少取樣量。

凍土的含水量是判定土凍脹性的關(guān)鍵指標(biāo),一定要做準(zhǔn)確。

2.2 密度

根據(jù)凍土的特點(diǎn)和試驗(yàn)條件選用液體稱量法、聯(lián)合測(cè)定法、充砂法和環(huán)刀法。

液體稱量法適用于表面無(wú)顯著孔隙的凍土。

聯(lián)合測(cè)定法適用于層(網(wǎng))狀冰構(gòu)造的黏性土或砂類土。

充砂法適用于表面有明顯孔隙的凍土。

環(huán)刀法適用于土溫高于-3 ℃的黏性土和砂類土。

凍土密度試驗(yàn)宜在負(fù)溫環(huán)境下進(jìn)行。無(wú)負(fù)溫環(huán)境時(shí),應(yīng)采取保溫措施和快速測(cè)定。在試驗(yàn)過(guò)程中,凍土表面不得發(fā)生融化。

密度試驗(yàn)主要用了液體秤量法、環(huán)刀法、充砂發(fā)幾種方法,下面加以敘述。

液體秤量法：先將水冷凍至0 ℃,而后用斧子將凍土樣砍成需要的尺寸,之后用細(xì)線捆住試樣后進(jìn)行稱量。

充砂法：先篩出0.25 mm至0.5 mm的砂備用，再標(biāo)定量砂密度(步驟參見(jiàn)土工試驗(yàn)規(guī)范中之灌砂法測(cè)密度),之后按照規(guī)范中所述凍土充砂法測(cè)密度。

環(huán)刀法：凍土非常堅(jiān)硬，用環(huán)刀法制件非常困難,經(jīng)過(guò)不斷摸索找出了一些制件方法。圖1、圖2為環(huán)刀法密度制件工作過(guò)程示例。

圖1 環(huán)刀法密度制件(一)

圖2 環(huán)刀法密度制件(二)

2.3 室內(nèi)融沉試驗(yàn)

凍土融化壓縮試驗(yàn)有現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試及室內(nèi)試驗(yàn)兩種,室內(nèi)試驗(yàn)方法比較成熟,應(yīng)用也較久,其方法基本上與融土的壓縮試驗(yàn)相似。

本試驗(yàn)的目的是測(cè)定凍土融化過(guò)程中的相對(duì)下沉量(融沉系數(shù))和融沉后的變形與壓力關(guān)系(如圖3所示)。

圖3 單位變形量與壓力關(guān)系曲線

(1)開(kāi)土

由于工作量不大，此次外業(yè)試驗(yàn)未購(gòu)置專用的凍土切削制件設(shè)備,到現(xiàn)場(chǎng)后購(gòu)置了一些簡(jiǎn)單的工具(見(jiàn)圖4),有瓦刀、斧頭、鋼鋸、粗齒的手鋸(鋸木頭用的)、木銼、刷子(刷洗設(shè)備用)等。由于凍土的凍結(jié)強(qiáng)度很大,人工制件非常困難。通過(guò)不斷摸索，總結(jié)出一套方法：先用瓦刀和斧子把樣品砍到比環(huán)刀直徑略粗,用粗齒木鋸進(jìn)一步將樣品刮鋸到與環(huán)刀直徑接近,再用木銼仔細(xì)銼至與環(huán)刀直徑相同,然后一點(diǎn)點(diǎn)向下按環(huán)刀,第一個(gè)樣品用了1個(gè)多小時(shí)的時(shí)間才慢慢制好。制出的樣品比較理想。

圖4 制件用工具

(2)試驗(yàn)過(guò)程

用循環(huán)熱水使凍土試樣中的冰融化,在自重作用下發(fā)生熱融沉陷；然后再對(duì)試樣施加法向壓力,使其在有側(cè)限狀態(tài)下產(chǎn)生壓縮變形,其原理同融土壓縮試驗(yàn)。

(3)重塑凍土的融沉試驗(yàn)

對(duì)原狀凍土和重塑凍土(先將凍土融化,拌和均勻,再將拌和好的土樣裝至環(huán)刀中,之后放入冰箱中凍結(jié),即制成凍土的重塑試件)的融沉試驗(yàn)結(jié)果做了一些對(duì)比(見(jiàn)表1)。通過(guò)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn),重塑前后差異較大,考慮可能主要是土的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)差異所導(dǎo)致。

表1 原狀凍土與重塑凍土融沉結(jié)果對(duì)比

原狀土的結(jié)構(gòu)不均,特別是含冰較多的凍土原狀結(jié)構(gòu)大多為層狀,而經(jīng)重塑后樣品的結(jié)構(gòu)都非常均勻,有的樣品在原狀時(shí)含有冰層，經(jīng)融化后重塑，但有好多水加不進(jìn)去,這樣重塑后的土含水量就會(huì)減少一些；另一方面,對(duì)于含水量較小的凍土,原狀時(shí)含有較多孔隙，而在重塑后,這些孔隙少了,密度就會(huì)增加一些。經(jīng)過(guò)考慮分析,認(rèn)為重塑前后融沉數(shù)據(jù)有差異是必然的,而用重塑后的土代替原狀凍土做融沉試驗(yàn)是不可取的。

(4)注意事項(xiàng)

制冷：在做融沉試驗(yàn)過(guò)程中,壓縮容器的結(jié)構(gòu)是周圍及底部制冷而上部為傳壓板加熱,雖然有制冷與沒(méi)有制冷土體最終都融化,但在實(shí)際工作中制冷的作用還是很大的。取土環(huán)刀是尼龍制的，如果沒(méi)有周圍的制冷,環(huán)刀遇熱后會(huì)產(chǎn)生變形，卡在容器中不易取出。由于有制冷,環(huán)刀不易變形,每次試驗(yàn)結(jié)束后,環(huán)刀就會(huì)很容易取出。另一方面,由于環(huán)刀變形很小,體積也不會(huì)有很大變化,增加使用壽命。

開(kāi)樣與裝樣：開(kāi)樣過(guò)程中,要注意不能把樣品開(kāi)偏,由于環(huán)刀有一定的可塑性,開(kāi)土?xí)r一定要注意不能使其產(chǎn)生變形,否則將很難裝入壓縮容器中。對(duì)一些已變形的環(huán)刀,要堅(jiān)決棄用,以免在工作中造成不必要的麻煩。

異常問(wèn)題：當(dāng)發(fā)現(xiàn)含冰較多的凍土,融沉下沉量卻很小，這時(shí)要注意了,有可能是加壓蓋板被卡住了,要仔細(xì)地對(duì)其進(jìn)行檢查。一般在做完一個(gè)試驗(yàn)后拆樣時(shí),要特別觀察一下樣品的壓后狀況,如樣品很軟、含水量大等都屬于未壓好。

加熱及制冷循環(huán)時(shí)間：通過(guò)一段時(shí)間融沉試驗(yàn)的結(jié)果看,開(kāi)始加熱后前2 h的壓縮變化量很大,2 h后變化就小一些了。當(dāng)融沉穩(wěn)定后關(guān)閉加熱、制冷系統(tǒng)后，又會(huì)產(chǎn)生明顯的沉降(一般5～20格)，可能是由于熱脹冷縮的緣故。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的總結(jié)，冷熱循環(huán)系統(tǒng)一般開(kāi)3 h就可關(guān)閉,之后再等到融沉穩(wěn)定(0.005 mm/2 h)后,再進(jìn)行后面的加荷。

百分表的調(diào)整：含冰較多的凍土融沉試驗(yàn)時(shí)的下沉量較大,有的可達(dá)15～20 mm,而百分表的量程只有10 mm。因此,在做含冰較多的凍土的融沉試驗(yàn),每一次讀數(shù)時(shí)要觀察一下百分表及儀器的狀態(tài),隨時(shí)加以調(diào)整,保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確。

3 怎樣保持凍土的原狀狀態(tài)

由于凍土本身的特性,凍土的取樣及取樣后到試驗(yàn)前的保存非常關(guān)鍵,因?yàn)槿绻麡悠繁４娌缓萌诨?，或者存放在冰箱中時(shí)其溫度大于或小于天然狀態(tài)下土層中的溫度(等于地層中的溫度幾乎是不可能),這都會(huì)破壞土的原狀狀態(tài),而導(dǎo)致做出來(lái)的試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際地層情況將會(huì)差之千里(尤其是融沉試驗(yàn))。

怎樣保證取回的凍土土樣為原狀狀態(tài)，需注意以下幾方面的問(wèn)題：第一,外業(yè)取樣要有車載冰箱，不能只采用簡(jiǎn)單的保溫措施,且冰箱要加裝溫控器保證冰箱的溫度可控。第二,試驗(yàn)室樣品的保存也應(yīng)有溫度可控的試驗(yàn)專用冰箱。第三,對(duì)野外地溫進(jìn)行觀測(cè),根據(jù)本地區(qū)地溫的觀測(cè)結(jié)果,確定車載冰箱及試驗(yàn)冰箱的溫度。第四,樣品制件過(guò)程一定要在負(fù)溫條件下進(jìn)行,保證制件過(guò)程中樣品不融化。第五,根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁丨h(huán)境科學(xué)確定勘察時(shí)間,以漠河為例，最佳勘察時(shí)間為上半年3月下旬至5月初，下半年10月上旬至11月上旬兩段時(shí)間。

[1]GB 50324—2001 凍土地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[2]GB/T50123—1999 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]

[3]TB 10102—2004 鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程[S]

[4]劉紅軍,程顯春,馬介峰.多年凍土的力學(xué)性質(zhì)[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005(2)

[5]王 瀚.凍土融化壓縮性試驗(yàn)研究[J].山東煤炭科技,2010(1)