人工凍結(jié)紅黏土凍融特性試驗研究

王升福，呂亮，劉光炎，羅成文，薛凱喜，李棟偉

(東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，南昌 330013)

0 引言

江西省南昌及環(huán)鄱陽湖經(jīng)濟(jì)帶城市群地處鄱陽湖平原，地層分布大量紅黏土，且地下水位較高。近年來地鐵建設(shè)蓬勃發(fā)展，地鐵隧道端頭加固和聯(lián)絡(luò)通道開挖越來越多地采用人工地層凍結(jié)法。紅黏土層人工凍融過程溫度場、水分場變化規(guī)律較復(fù)雜，凍結(jié)法施工過程中凍脹、融沉易導(dǎo)致地層變形，造成建筑物使用壽命減損，引發(fā)嚴(yán)重安全事故[1-2]。因此探究紅黏土凍脹融沉特性尤為重要[3-4]。

國內(nèi)外學(xué)者對土體凍脹融沉特性開展大量研究工作[5-7]。通過室內(nèi)試驗?zāi)M人工凍結(jié)施工凍融過程，研究溫度變化及水分遷移規(guī)律。唐益群等[8]研究發(fā)現(xiàn)淤泥質(zhì)黏土的凍脹率以及凍脹力與冷端溫度具有較好的線性關(guān)系；賈寶新等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在封閉不補(bǔ)水條件下，初始含水率、干密度和冷端溫度都對粉土凍結(jié)深度有影響，粉土的凍脹率與初始含水率、干密度有較好的線性關(guān)系；任秀玲等[10]研究了黏土在封閉系統(tǒng)下短時、高頻、淺凍結(jié)條件下試樣的冷生構(gòu)造、水分遷移和凍脹特性；王升福等[11]采用自制單向封閉凍結(jié)試驗系統(tǒng)對寧波原狀軟黏土進(jìn)行凍脹融沉試驗研究，分析了位移及溫度場的變化規(guī)律；趙剛等[12-13]基于原狀土和重塑土的凍融試驗，分析了凍融過程溫度場以及凍融前后含水量的變化；孫雯等[14]研究了補(bǔ)水條件非飽和黏土單向凍融過程中溫度場及凍脹融沉變化規(guī)律。凍融過程中，土體含水量梯度(土水勢梯度)和凍結(jié)溫度梯度對凍結(jié)鋒面推移速率有重要影響，而凍結(jié)鋒面移動是引起土體凍脹位移和水分遷移的主要因素[15-17]。曹成等[18]研究發(fā)現(xiàn)非飽和土在有水源補(bǔ)給條件下水分遷移范圍更大，凍結(jié)完成時間更長；薛珂等[19]研究得出土體凍脹的快慢及凍脹量大小與水分遷移速率及數(shù)量具有線性關(guān)系；Konrad等[20]通過進(jìn)行不同溫度梯度下凍土中水分遷移試驗得出了水分遷移通量與溫度梯度成正比的結(jié)論。

本文采用封閉系統(tǒng)單向凍融試驗系統(tǒng)，對不同冷端溫度凍結(jié)條件下的重塑紅黏土開展凍融試驗，以獲得凍脹率、融沉系數(shù)隨凍結(jié)冷端溫度變化規(guī)律，建立凍結(jié)鋒面及凍結(jié)完成時間隨冷端溫度變化的定量關(guān)系，揭示凍融后試樣的水分遷移規(guī)律。本文對人工凍結(jié)紅黏土凍融特性進(jìn)行了比較全面地分析，為江西地區(qū)典型紅黏土地層人工凍結(jié)施工提供參考。

1 試驗概況與試驗方案

1.1 試驗土樣

本文試驗用土取自南昌地鐵四號線施工穿越紅黏土地層，在車站基坑開挖過程中采用挖掘機(jī)挖取試驗所需土樣，放至塑料桶中運(yùn)至實(shí)驗室，取土深度約為10～20 m范圍，按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)測得的基本物理參數(shù)和熱物理參數(shù)，見表1。

表1 試驗土樣基本物理性能指標(biāo)

采用BT-9300LD激光粒度分布儀測得南昌紅黏土的粒徑級配曲線，如圖1所示。由圖1可見，紅黏土顆粒較細(xì)，黏粒含量較高，粉粒和砂粒含量較低。

圖1 紅黏土顆粒級配曲線

1.2 凍融試驗系統(tǒng)

試驗設(shè)備為TMS凍融循環(huán)測試系統(tǒng)，由凍融測試系統(tǒng)、TMS8037-R40精度高低溫恒溫循環(huán)液浴槽、數(shù)據(jù)采集器、電腦和試樣恒溫專用環(huán)境箱等組成。本試驗采用封閉系統(tǒng)單向凍融，凍融試驗系統(tǒng)如圖2和圖3所示，包括控溫環(huán)境箱、試樣筒、上下制冷系統(tǒng)、分層溫度采集系統(tǒng)和豎向位移采集系統(tǒng)等(凍融測試系統(tǒng)溫控范圍：-40～60 ℃，控溫精度：±0.1 ℃，溫度均勻度：-0.3～1 ℃)。試驗桶材質(zhì)為有機(jī)玻璃，外包裹一層隔熱棉，桶高150 mm，內(nèi)徑79.8 mm，壁厚10 mm，沿桶壁每20 mm設(shè)有溫度傳感器插孔設(shè)置溫度傳感器，動態(tài)監(jiān)測試樣內(nèi)各點(diǎn)溫度[6]?？販仨敯搴涂販氐装宀馁|(zhì)采用導(dǎo)熱良好的銅合金，與冷浴循環(huán)器連接，冷凍液可在其內(nèi)循環(huán)流動，達(dá)到降溫效果。傳感器包括桶壁的溫度傳感器和豎向位移傳感器(位移范圍：0～30 mm，線性度：< 0.05%，溫度范圍:-50～100 ℃)。

圖2 TMS凍融試驗系統(tǒng)

1.3 試驗方法

本試驗采用的重塑紅黏土，按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)規(guī)定并進(jìn)行烘干、碾碎，過2 mm篩，根據(jù)天然狀態(tài)初始含水率及考慮液塑限范圍，設(shè)定試樣初始含水率為30%，配好土樣后于密封袋中悶置24 h，使土顆粒與水均勻接觸；然后，將土樣分層裝入試樣筒中，從上、下兩端分別進(jìn)行壓樣，且控制每層試樣的高度及質(zhì)量，制備成高度h=100 mm，直徑d=79.8 mm的圓柱體試樣后用保鮮膜包裹試樣后靜置24 h。本試驗采用封閉單向凍結(jié)，凍結(jié)下端為冷端。凍脹過程：先將環(huán)境溫度設(shè)為1 ℃并恒溫6 h，待試樣初始溫度達(dá)到1 ℃后將控溫冷板設(shè)為預(yù)定凍結(jié)溫度開始凍結(jié)，從各溫度計示數(shù)在1 ℃附近時開始計時，冷端溫度分別設(shè)置-5、-7、-10、-15 ℃這4個條件。融化過程：試樣凍脹位移在2 h內(nèi)不超過0.02 mm時，關(guān)閉冷端的溫度控制，為模擬自然解凍，設(shè)置恒溫環(huán)境箱溫度為平均室溫，為20 ℃，至2 h內(nèi)試樣豎向位移不超過0.05 mm時結(jié)束試驗。試驗結(jié)束后取出試樣，分層用烘干法測試含水率，每組試樣進(jìn)行2組平行試驗。

2 凍融特性分析

2.1 凍融過程分析

不同冷端溫度凍結(jié)條件下試樣豎向位移變化如圖3所示。由圖3可見，試驗土樣在不同冷端溫度條件下，凍脹位移隨時間變化規(guī)律基本相似，在凍融過程中基本可分為7個階段：凍結(jié)過程包括凍縮、凍脹快速增長、緩慢增長和穩(wěn)定4個階段，融化過程則由緩慢融沉、快速融沉和融沉穩(wěn)定3個階段組成。結(jié)合圖4進(jìn)行分析。

圖3 不同冷端溫度下凍脹、融沉位移隨時間變化關(guān)系

由圖3和圖4可知，凍結(jié)起始時凍脹位移出現(xiàn)負(fù)增長，在1～2 h后位移出現(xiàn)正增長，此過程為第1階段，溫度降低使土顆粒受冷收縮，孔隙水結(jié)冰增大的體積不足以抵消土顆粒收縮的體積，形成凍縮；當(dāng)溫度達(dá)到某一凍脹溫度后，為第2階段，此時土體凍脹量超過土顆粒凍縮量，凍脹開始，土體內(nèi)部水分發(fā)生遷移凍脹及原位凍脹，水分開始在凍結(jié)鋒面處聚集并形成冰，凍脹位移快速增大；第3階段時，冰分凝過程完成，凍結(jié)鋒面附近形成的冰透鏡體厚度及連續(xù)程度持續(xù)增大，凍脹位移勻速增長；第4階段，凍結(jié)鋒面推移基本停止，冰透鏡體停止生長，凍脹位移曲線趨于平緩；冷端低溫循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉，環(huán)境箱溫度改變，試樣兩端凍土融化，土體內(nèi)部分冰透鏡體融化成水，因土體內(nèi)部存在冰晶，融化速率較慢，冰水相變體積變化不明顯，融沉較慢，為第5階段；試驗進(jìn)行至試樣整體溫度高于凍結(jié)溫度時為第6階段，土中冰完全融化成水，土中孔隙被水填充，水在自重荷載下被擠壓排出，土顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生重組，表現(xiàn)為壓密沉降，試樣體積變化較大，融沉位移呈直線變化；融化后期，土樣在自重作用下孔隙壓縮完成，在無外荷載作用下融沉變形穩(wěn)定，為第7階段。

圖4 凍融過程位移與時間關(guān)系示意圖

2.2 凍脹率及融沉系數(shù)

土體單向凍融過程產(chǎn)生凍脹、融沉變形特性，用凍脹率和融沉系數(shù)來描述，根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)，計算不同冷端溫度下的凍脹率和融沉系數(shù)，如圖5所示。凍脹率和融沉系數(shù)隨冷端溫度降低而減小，冷端溫度由-5 ℃降至-10 ℃過程中，試驗土樣凍脹率和融沉系數(shù)變化較大，凍脹率由7.37%減小至6.55%，融沉系數(shù)由6.81%減小至6.08%，在-10 ℃至-15 ℃過程中，凍脹率和融沉系數(shù)下降趨于平緩。

圖5 不同冷端溫度條件下的凍脹率和融沉系數(shù)

不同凍結(jié)冷端溫度條件下，試樣融沉系數(shù)均大于凍脹率。這與已有文獻(xiàn)關(guān)于黏性土相關(guān)研究結(jié)論一致[11,21]。究其原因，凍結(jié)過程土體內(nèi)部水分在溫度梯度作用下遷移，形成冰透鏡體，水分相變體積增大了土顆粒間隙，凍脹導(dǎo)致下部未凍土產(chǎn)生一定壓密，凍脹量實(shí)際是土樣凍脹與部分壓縮之后的值。融化時土中冰透鏡體和冰夾層等受熱消融，體積減小，土體原有結(jié)構(gòu)受凍結(jié)作用發(fā)生擾動和損傷，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，出現(xiàn)熱融下沉；另一方面，冰晶相變成水部分排出，孔隙增加，在自重荷載下凍土段壓縮沉降，融沉量為凍脹所產(chǎn)生的壓縮量加上融化過程的沉降量，試樣表現(xiàn)為初始含水率及冷端溫度相同條件下，融沉率均大于凍脹率。

2.3 凍結(jié)鋒面移動規(guī)律

凍結(jié)鋒面定義為凍結(jié)土與未凍土之間可移動的接觸面[11]。基于封閉系統(tǒng)自下而上單向凍結(jié)，土樣凍結(jié)時凍結(jié)鋒面由冷端向暖端發(fā)展。土的起始凍結(jié)溫度用于判斷土體凍結(jié)狀態(tài)起點(diǎn)，本文中用于確定凍結(jié)鋒面所在位置。根據(jù)試驗過程中記錄不同位置溫度隨時間的變化情況，得出凍結(jié)鋒面(-0.4 ℃等溫線)高度隨凍結(jié)時間的變化關(guān)系，如圖6所示。

圖6 不同冷端溫度下試樣凍結(jié)鋒面變化曲線

相同冷端溫度條件下，凍結(jié)鋒面推進(jìn)速率隨凍結(jié)時間的延長而減小；相同凍結(jié)時間條件下，試樣冷端溫度越低，凍結(jié)鋒面高度越高。不同冷端溫度條件下，凍結(jié)鋒面高度隨時間呈指數(shù)增長關(guān)系，可由公式(1)擬合。

h(t)=ae(-t/b)+c

(1)

式中：h(t)為任意時刻試樣凍結(jié)鋒面高度，mm；t為凍結(jié)時間，h；a，b，c為擬合參數(shù)，主要與冷端溫度有關(guān)。

試樣凍結(jié)初期，土體溫度下降較快，這時凍結(jié)鋒面在土中推移速度最快。凍結(jié)鋒面向上推進(jìn)，溫度下降減慢，推進(jìn)速度逐漸減小。凍土構(gòu)造的縱剖面分4個帶[22]：整體狀構(gòu)造帶、纖維狀構(gòu)造帶、微薄層狀構(gòu)造帶和整體構(gòu)造帶，分別與水分原位凍結(jié)帶、分凝凍結(jié)帶和凍結(jié)緣帶相對應(yīng)。凍結(jié)開始時，溫度梯度越大，凍結(jié)速度越快，上部水分來不及遷移，試樣下端出現(xiàn)原位凍結(jié)，形成原位凍結(jié)帶，凍結(jié)帶上方則出現(xiàn)纖維狀構(gòu)造帶，內(nèi)部冰片密布，由于形成整體構(gòu)造帶，其熱阻增大，凍結(jié)速度降低，凍結(jié)鋒面向上發(fā)展但推進(jìn)減慢，逐漸形成冰透鏡體的層狀構(gòu)造帶，未凍區(qū)水分向下遷移，分凝冰厚度向上逐漸減小，凍結(jié)鋒面推進(jìn)到此區(qū)域時速度逐漸降低直至冰結(jié)緣帶，凍結(jié)鋒面逐漸停止推進(jìn)。

2.4 冷端溫度與凍結(jié)完成時間關(guān)系

土體在封閉系統(tǒng)單向凍結(jié)條件下，不同凍結(jié)溫度試樣的凍結(jié)完成時間不同。凍結(jié)2 h內(nèi)試樣高度變化值小于等于0.02 mm，視為凍結(jié)完成，不同冷端溫度得到的凍結(jié)完成時間關(guān)系如圖7所示。

凍結(jié)完成時間與凍結(jié)鋒面移動速度相關(guān)，而溫度是影響凍結(jié)鋒面移動速度的主要影響因素[11]。由圖7可知，凍結(jié)完成時間冷端溫度-15 ℃時為12.8 h，而-5 ℃為20.4 h，增加了1.6倍?？梢娎涠藴囟仍降停瑑鼋Y(jié)完成時間越快。冷端溫度越低時，大量冷量促使凍結(jié)鋒面快速移動，土中水主要產(chǎn)生原位凍脹，凍結(jié)過程迅速完成，凍結(jié)完成時間相對越短；冷端溫度較高時，冷端產(chǎn)生冷量較低，凍結(jié)鋒面推移緩慢，但推移距離較遠(yuǎn)，土中水分遷移凍脹明顯，凍結(jié)時間延長，凍結(jié)完成時間增大。根據(jù)冷端溫度與凍結(jié)完成時間進(jìn)行擬合，并用公式(2)中指數(shù)關(guān)系表示

圖7 不同冷端溫度下凍結(jié)完成時間曲線

t=217.36e(T/1.47)+12.63。

(2)

式中：t為凍結(jié)完成時間，h；T為凍結(jié)溫度，℃。

2.5 凍融過程含水率變化

試驗結(jié)束后，在試樣中心沿高度按每層20 mm取5層土樣，采用烘干法測其含水率變化情況。不同冷端溫度凍融后沿試樣高度不同位置的含水率變化情況如圖8所示。

圖8 試樣凍融前后含水率分布

由圖8可以看出，試驗土樣只改變凍結(jié)冷端溫度條件下，凍融后水分重分布，各溫度梯度凍結(jié)后含水率變化規(guī)律基本一致。試樣靠近冷端位置凍融后土體含水率較初始含水率略有增大，遠(yuǎn)離冷端位置含水率降低。凍結(jié)溫度從-5 ℃至-15 ℃，試樣暖端含水率較冷端分別降低了6.32%、3.89%、2.83%、1.35%；-5 ℃時，最多降低了6.32%，-15 ℃時降低最少，為1.35%。同時，試樣較未凍土來說，上面2層土體在凍結(jié)后平均含水率均減小，且溫度梯度越小，含水率變化值越大；試樣下部土體中，凍融后含水率均增大，且溫度梯度越大，變化值越小。

試樣在封閉單向凍結(jié)過程中凍結(jié)鋒面向暖端推移，此期間會產(chǎn)生負(fù)壓使土中水發(fā)生遷移，試樣暖端的水分不斷向冷端聚集，造成試樣兩端出現(xiàn)含水率差異。凍結(jié)鋒面推進(jìn)速度對水分遷移量的大小有直接影響，冷端溫度越低，凍結(jié)速率越快，凍結(jié)鋒面處水分原位凍結(jié)，凍結(jié)鋒面相對穩(wěn)定時間較短，遷移水分不足以維持相變；因此，凍結(jié)鋒面推進(jìn)加快，水分遷移時間短，上部水分來不及遷移，遷移量較小。冷端溫度越高，凍結(jié)速率越小，凍結(jié)鋒面推進(jìn)緩慢，凍結(jié)時間相對越長，上部水分向凍結(jié)鋒面遷移時間充足，此時水分遷移量更大。

3 結(jié)論

通過對30%初始含水率重塑紅黏土試樣進(jìn)行室內(nèi)封閉單向凍脹融沉試驗，開展不同凍結(jié)負(fù)溫下凍脹率、融沉系數(shù)及其水分遷移規(guī)律研究，得出以下結(jié)論。

(1)試樣在單向凍融過程中，凍脹、融沉位移變化可劃分為7個階段；凍脹率、融沉系數(shù)隨凍結(jié)冷端溫度的降低逐漸減小，且融沉系數(shù)大于凍脹率，土樣融沉量均大于凍脹量；凍結(jié)冷端溫度越低，凍結(jié)完成時間越短，冷端溫度-15 ℃時為12.8 h，而-5 ℃為20.4 h，增加了1.6倍，且凍結(jié)完成時間與冷端溫度呈指數(shù)相關(guān)。

(2)土樣凍結(jié)過程中，試樣冷端溫度越低，凍結(jié)鋒面高度越高，凍結(jié)鋒面高度與凍結(jié)時間呈指數(shù)關(guān)系。

(3)試樣凍融后水分場隨凍結(jié)鋒面作用發(fā)生重分布，試樣近冷端位置土體含水率略有增大，而靠暖端位置含水率減小，試樣冷端溫度越高時，水分遷移量越大，冷端溫度-5 ℃時較-15 ℃含水率增加了4.97%。

(4)在實(shí)際人工凍結(jié)工程中，可參照試驗獲得的重塑紅黏土起始凍結(jié)溫度、凍結(jié)完成時間和凍融過程水分遷移，設(shè)置實(shí)際凍結(jié)工程積極凍結(jié)階段凍結(jié)溫度及凍結(jié)完成時間的判斷標(biāo)準(zhǔn)。