淮南弱膨脹土融沉特性研究

高珍珍，王蒙，倪斌

（1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.無(wú)錫市勘察設(shè)計(jì)院有限公司昆山分公司，江蘇 昆山 215300）

0 引言

膨脹土是特殊土的一種，其粘粒成份主要由強(qiáng)親水性礦物質(zhì)組成，并且具有顯著脹縮性的粘性土。該土具有吸水膨脹、失水收縮并往復(fù)變形的性質(zhì)[1-2]，對(duì)于工程的破壞作用不可低估，因此必須解決因膨脹土而造成的一系列工程問(wèn)題。

關(guān)于土體凍脹融沉的研究已有很多，但對(duì)于弱膨脹土的融沉研究還不夠充分，因此以淮南弱膨脹土為研究對(duì)象，進(jìn)行多影響因素下的融沉試驗(yàn)，分析各影響因素對(duì)融沉系數(shù)的影響程度，其試驗(yàn)結(jié)果可為富含弱膨脹土地區(qū)人工凍結(jié)法的設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及試驗(yàn)方法

1.1 土樣基本參數(shù)

對(duì)所取土樣進(jìn)行常規(guī)土工試驗(yàn)，各試驗(yàn)步驟嚴(yán)格按照GB/T50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定進(jìn)行，經(jīng)試驗(yàn)得到所用土的基本物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土的基本物理指標(biāo)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)中所用儀器為：自制凍脹融沉試驗(yàn)儀、低溫恒溫控制裝置、STDW-40低溫試驗(yàn)箱、溫度傳感器、位移傳感器以及數(shù)據(jù)采集裝置等。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選取含鹽率、凍結(jié)溫度、荷載等對(duì)融沉影響較大的因素進(jìn)行融沉試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 融沉試驗(yàn)方案

1.4 試樣設(shè)計(jì)

1.4.1 試樣制備

采用直徑60 mm，高100 mm的圓柱體試樣，將事先已悶料一晝夜的土取出備用，先將制樣筒內(nèi)壁均勻的涂上一層凡士林，用來(lái)減少土樣與制樣筒內(nèi)壁的摩擦力。試樣采用五層壓樣法，制樣完成后將試樣從制樣筒內(nèi)脫出。將脫出的試樣裝入涂有凡士林的有機(jī)玻璃試樣筒內(nèi)，放入恒溫箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，使土樣內(nèi)部溫度、水分均勻分布，在試驗(yàn)之前不發(fā)生水分遷移，減小試驗(yàn)誤差。

1.4.2 土樣凍結(jié)

把制好的土樣連同試樣筒放入冰箱中，將冰箱溫度調(diào)節(jié)至試驗(yàn)所需凍結(jié)溫度，持續(xù)凍結(jié)24 h。

1.4.3 試樣安裝

待土樣完全凍結(jié)后，取出試樣放在已經(jīng)預(yù)熱好的凍脹融沉儀上，預(yù)先對(duì)試樣施加100 kPa的力，平衡摩擦力以及加快融沉進(jìn)程，調(diào)整好位移傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備，讓試樣在20℃的溫度下強(qiáng)制融化，當(dāng)試樣在2 h內(nèi)沉降量小于0.02 mm時(shí)，認(rèn)為融沉達(dá)到穩(wěn)定，保存好試驗(yàn)數(shù)據(jù)，切斷各儀器電源，停止試驗(yàn)。

1.4.4 數(shù)據(jù)處理

整理試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，計(jì)算融沉系數(shù)，繪制曲線(xiàn)。

2 融沉試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 凍結(jié)溫度對(duì)融沉性的影響

按照表2的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，探究試樣不同凍結(jié)溫度下分別進(jìn)行單向強(qiáng)制融化溫度為20℃的融沉實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖1、2所示。

圖1 不同冷端溫度的實(shí)時(shí)融沉量

由圖1可知，凍結(jié)時(shí)的溫度越低，試樣的融沉量就越大，并且其融化穩(wěn)定時(shí)所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)，且各試樣在試驗(yàn)開(kāi)始120 min左右時(shí)其融沉基本穩(wěn)定，從融化開(kāi)始到融沉完成所用時(shí)間非常短，初期融沉速率很快。

由圖2可知，試樣在封閉全凍結(jié)條件下，對(duì)融沉系數(shù)與凍結(jié)溫度進(jìn)行擬合，兩者線(xiàn)性相關(guān)性較好。隨著凍結(jié)溫度的降低，融沉系數(shù)呈線(xiàn)性增大，因?yàn)樵诜忾]系統(tǒng)下，土體的凍脹主要是因?yàn)橥馏w中的水分凍結(jié)后體積膨脹10%，并不是所有的水分都會(huì)隨著溫度的降低而凍結(jié)，存在一部分未凍水，這部分未凍水會(huì)隨著溫度進(jìn)一步的降低而凍結(jié)，在相同的干密度和含水率下，凍結(jié)溫度越低，未凍水含量就越少，凍脹量就會(huì)越大，相應(yīng)融化后的融沉量也就越大。

圖2 不同冷端溫度的融沉系數(shù)

2.2 干密度對(duì)融沉性的影響

土體產(chǎn)生融化下沉是土體在自重以及外荷載作用下壓縮空隙體積所產(chǎn)生的，土的孔隙率大小直接影響著土體的融沉系數(shù)。試驗(yàn)選取了三組不同干密度的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同干密度的融沉系數(shù)

從圖3中可以看出，隨著干密度的增大，融沉系數(shù)先減小后增大，融沉系數(shù)與干密度的關(guān)系曲線(xiàn)中有一個(gè)臨界干密度，此時(shí)對(duì)應(yīng)著最小融沉系數(shù)。當(dāng)土體干密度小于臨界干密度時(shí)，此時(shí)土體孔隙率較大，土體的融沉量主要由壓縮空隙產(chǎn)生，另外一小部分由土中水分相變成冰體積膨脹產(chǎn)生，此時(shí)干密度越小，孔隙率就越大，融沉量就越大。當(dāng)干密度大于臨界干密度時(shí)，此時(shí)孔隙率減小，由壓縮空隙所產(chǎn)生的融沉量逐漸減小，因土體中的含水率不變，土體的飽和度增大，容納空隙水相變成冰體積膨脹量的空間就越小，則冰膨脹時(shí)對(duì)土顆粒的推擠作用就越大，造成土顆粒的位移，因此土體的凍脹率就較大，相對(duì)融化時(shí)的融沉量就越大。

非飽和土體干密度在超過(guò)臨界干密度后，融沉量會(huì)隨著干密度的增大而增大這一特性在何平[3]的研究中也得到解釋?zhuān)纹皆凇秲鐾寥诔料禂?shù)的評(píng)價(jià)方法》中引入接觸率Cr來(lái)計(jì)算非飽和土體中參與凍脹作用的水的比例，定義當(dāng)土體完全飽和的時(shí)候，此時(shí)接觸率為1，當(dāng)干燥時(shí)的接觸率為0，非飽和土體的融沉系數(shù)可用式（1）表示：

式中：A0-融沉系數(shù)，Cr-接觸率。

2.3 含鹽率對(duì)融沉性的影響

為探究含鹽率對(duì)融沉性的影響，試驗(yàn)選取四組不同含鹽率的試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同含鹽率的實(shí)時(shí)融沉量

從圖4中可以看出，除去含鹽率為0%的試樣外，試樣的融沉量是隨著含鹽率的增大而增大的，并且含鹽率越大，融沉穩(wěn)定所需要的時(shí)間就越短，這是因?yàn)殡S著含鹽率的增大，土中水分的凍結(jié)溫度升高，融化所需要的時(shí)間就減少，其融沉穩(wěn)定就越快。

如圖5所示，試樣在封閉全凍結(jié)條件下，對(duì)融沉系數(shù)與含鹽率進(jìn)行擬合，可以看出兩者線(xiàn)性相關(guān)性較好。

圖5 不同含鹽率的融沉系數(shù)

擬合曲線(xiàn)中存在一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)土樣由含鹽率為0%～1%時(shí)，融沉系數(shù)急劇變小，當(dāng)含鹽量繼續(xù)增大時(shí)，融沉系數(shù)又隨著含鹽量的增大而增大。經(jīng)分析認(rèn)為，當(dāng)土樣不含鹽時(shí)，此時(shí)土體中水分的凍結(jié)溫度較低，在相同的溫度下，含鹽率為0%的土樣中的未凍水含量較少，因此凍脹率較大，相應(yīng)的融沉系數(shù)也較大。當(dāng)土樣加入硫酸鈉后，土樣中所含水分的凍結(jié)溫度會(huì)升高，因此在相同的凍結(jié)溫度下，含鹽土體中的未凍水含量會(huì)隨著含鹽率的增大而增大，理論上融沉系數(shù)應(yīng)該減小，但是由于硫酸鈉隨著溫度的降低而出現(xiàn)鹽脹效應(yīng)，所以當(dāng)含鹽量增大時(shí)，鹽脹量也會(huì)變大，硫酸鹽吸水膨脹的部分大于因含鹽量增大未凍水增多而導(dǎo)致凍脹量減小的那一部分，因此宏觀表現(xiàn)為融沉量隨著含鹽量的增大而增大。

2.4 荷載對(duì)融沉性的影響

荷載對(duì)于試樣融沉性的影響不可忽視，按照表2的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)施加不同荷載的試樣進(jìn)行融沉試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同荷載的實(shí)時(shí)融沉量

從圖6可以看出，融沉量主要的產(chǎn)生階段是在加熱后的2 h內(nèi)，結(jié)合溫度傳感器中的數(shù)據(jù)可以看出，試樣在120 min內(nèi)基本融化完畢，在這個(gè)期間內(nèi)，試樣內(nèi)冰晶隨著溫度的升高而不斷融化成水，體積變小。

由圖7可見(jiàn)，在試驗(yàn)所選范圍內(nèi)，試樣的融沉系數(shù)與荷載的線(xiàn)性相關(guān)性較好，隨著荷載的不斷加大，融沉系數(shù)也不斷變大。這是因?yàn)?，施加荷載較小的土體，內(nèi)部土顆粒的接觸性較差，有效應(yīng)力較小，在溫度升高，土體慢慢融化的過(guò)程中，土體內(nèi)的結(jié)構(gòu)組成變化不大，因此融沉量較小。隨著荷載的不斷加大，融沉量也隨之增大，這是因?yàn)楫?dāng)土體內(nèi)冰晶融化成水后，土體的含水率增大，土中水分一時(shí)排不出去，在外部荷載的作用下，土中逐漸形成了超靜孔隙水壓力，會(huì)使土骨架之間的有效應(yīng)力減小，土體變形受阻，隨著時(shí)間的推移，孔隙水從土樣底部排出，超靜孔隙水壓力慢慢的減小，作用于土顆粒之間的有效應(yīng)力逐漸變大，當(dāng)作用在土體上的荷載不斷加大時(shí)，這種超靜孔隙水壓力減小的速度就越快，土顆粒之間的相對(duì)位移越大，致使土體的融沉量就越大。

圖7 不同荷載下的融沉系數(shù)

3 結(jié)論

（1）凍結(jié)溫度越低，試樣的融沉系數(shù)越大。

（2）融沉系數(shù)隨著干密度的增加先減小后增大的，存在一個(gè)臨界干密度對(duì)應(yīng)著土體的最小融沉系數(shù)。

（3）當(dāng)土體添加了硫酸鹽后，在其他條件相同的情況下，硫酸鈉會(huì)隨著溫度的降低而出現(xiàn)鹽脹效應(yīng),理論上融沉系數(shù)隨著含鹽量的增加而減小，宏觀表現(xiàn)為融沉系數(shù)隨著含鹽量的增加而增大。

（4）荷載對(duì)融沉量的影響巨大，在一定范圍內(nèi)，土體的融沉量與外部荷載呈線(xiàn)性增加。