姜國輝，霍佳苗，于 皓，李玉清

（沈陽農(nóng)業(yè)大學 水利學院，沈陽 110161）

我國季節(jié)性凍土區(qū)面積占國土的53.5%，約51 370 萬hm2，這類地區(qū)的土體冬季發(fā)生凍結(jié)，春季開始消融，且其凍結(jié)和融化具有一定的周期性。經(jīng)歷反復(fù)凍融會使渠道襯砌出現(xiàn)裂縫、鼓起，甚至發(fā)生滑塌，造成了許多經(jīng)濟損失，是季節(jié)性凍土區(qū)渠系建筑物面臨的主要問題之一，當前學者對于渠道凍融破壞的研究已成為熱點。GILPIN[1]試驗表明，雖然孔隙水大多是凍結(jié)的，但仍能通過凍結(jié)邊緣輸送至凍結(jié)鋒面底部，冰區(qū)的水會擠進冰和土壤顆粒間并再次發(fā)生凍結(jié)。GRAHAMJ等[2]試驗指出，渠基土經(jīng)一次凍融循環(huán)后土體原有結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著破壞。ZHANG 等[3]指出凍融循環(huán)使石灰粉土強度降至最小。VIKLANDER[4]指出凍融循環(huán)使各密度土體均達到穩(wěn)定的孔隙比。ZHANG 等[5]試驗得出凍融次數(shù)與混凝土損傷呈正相關(guān)。李棟國等[6]通過試驗及粗糙集計算得出凍脹力影響因素的排序為：壓實度>含水率>溫度>含鹽量。王大雁等[7]得出首次凍融循環(huán)土樣變形最顯著。

通過壓實渠基土可以減小土體孔隙，使土體密度增加，初始含水率降低，從而減小基土的凍脹量，具體灌區(qū)采取的壓實方法依工程實際情況決定。LONG 等[8]在開放和密閉補給條件下進行了一系列一維凍脹的室內(nèi)試驗，得出對凍脹率的顯著影響依次為補水>初始含水量>黏土含量>壓實度>上覆荷載。國外相關(guān)學者對土體防凍脹影響因素的研究較少，大多是圍繞渠基土凍脹機理展開，而我國早在1965年就開展相關(guān)研究。呂鴻興[9]針對西北的渠道凍脹破壞原因及防治措施進行了初步討論。高明星等[10]通過試驗研究得出，含水率不變，隨壓實度的增加黏性凍土凍脹率逐漸減小，且變化幅度也減小。李文娟等[11]通過凍脹試驗得出，凍結(jié)過程中，土中水分重分布，凍脹量與含水量成正比，與壓實度成反比。李國玉等[12]試驗發(fā)現(xiàn)土體總變形量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加趨于穩(wěn)定。嚴晗等[13]通過室內(nèi)研究得出，經(jīng)歷凍融循環(huán)使壓實度較大的試樣融化下沉量小于凍脹量。郝佳興[14]通過試驗得出，壓實度對壓實黃土發(fā)生凍融破壞的程度影響較大，施工過程應(yīng)嚴格控制壓實度。

綜上，現(xiàn)階段國內(nèi)外學者已對壓實度、凍融循環(huán)次數(shù)等條件對某些類別土體凍脹規(guī)律的影響有了一定認識，但仍缺乏經(jīng)歷凍融循環(huán)后壓實度對低液限粉質(zhì)黏土凍融特性影響規(guī)律的研究，且對多因素作用下凍融規(guī)律的影響研究較少。本研究選取盤山灌區(qū)渠基土為研究對象，對低液限粉質(zhì)黏土在多因素(封閉和開放系統(tǒng)、壓實度、凍融循環(huán)次數(shù))作用下研究壓實度對凍結(jié)鋒面變化、水分遷移規(guī)律、土體凍脹量等凍融特性的影響規(guī)律，為盤山灌區(qū)日后渠道建設(shè)提供設(shè)計理論依據(jù)，也為同類型的灌區(qū)灌溉渠道工程設(shè)計和凍脹分析提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及設(shè)備

土樣取自遼寧省盤山灌區(qū)雙南支渠，屬季節(jié)性凍土區(qū)。該灌區(qū)土壤表層約在11 月中旬開始凍結(jié)，實際凍深約0.8 m。灌區(qū)渠道走向為N-S，尺寸為：1 600 mm×600 mm×400 mm，坡比1∶1。因灌區(qū)不同位置的土體凍深不同，地下水位埋深也不同，在渠基土凍結(jié)期間，地下水埋深產(chǎn)生的高度差使土體發(fā)生凍脹的類型不同。因此，對盤山灌區(qū)渠基土的凍融試驗設(shè)計分封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)對照分析。盤山灌區(qū)土體在自然條件下的凍結(jié)方式為單向凍結(jié)，故本凍融試驗選取單向凍結(jié)條件。

為確保室內(nèi)試驗?zāi)M土的凍融狀態(tài)與灌區(qū)實際情況更貼合，本研究在土壤凍結(jié)初期選取雙南支渠的一渠段，實地進行現(xiàn)場勘測，處理干凈土壤表層雜草，自地面由上至下開挖0.8m取樣。在實驗室內(nèi)測得各物理參數(shù)見表1，配置重塑土進行壓實渠基土凍融試驗。

表1 盤山灌區(qū)土工試驗匯總結(jié)果Table 1 Summary of geotechnical tests in Panshan irrigation area

根據(jù)GB50145-2007 土的工程分類標準[15]，灌區(qū)土中細粒土含量大于50%，且lp≥0.73(ωL-20)，ωL<50%，可得盤山灌區(qū)土體分類為低液限粉質(zhì)黏土，土類代號CL，屬強凍脹性土[16]。本試驗的主要試驗裝置為：全自動低溫凍融試驗機、電熱恒溫鼓風干燥箱、單向凍融試樣桶裝置、電子溫度傳感器、分度值0.01 mm 的位移變化表、電子秤等。

綜合考慮確定室內(nèi)試驗幾何比尺為1∶10，試驗裝置圖如圖1，在試樣桶的四周及底部以高密度隔熱棉作保溫措施，隔熱棉的導熱系數(shù)為0.034W·(m·k)-1，試樣頂部不采取保溫措施，使試驗土體保證單向凍結(jié)條件。根據(jù)氣象條件及實驗室可控溫度范圍確定模型試驗溫度比尺為1∶1，擬合該灌區(qū)近10 年冬季月平均最低氣溫-16 ℃。根據(jù)模型-溫度相似比法則[17]Ct·Cτ=Cl·Cl，確定時間比尺為1∶100。約79 d達最大凍深0.8 m，即確定試驗時間為18.96 h，降溫梯度為-0.84 ℃·h-1。

圖1 單向凍融試樣桶裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of one-way freezing-thawing sample barrel device

1.2 方法

壓實法能夠增加土壤的干密度，使孔隙率和透水性均降低，經(jīng)二次壓實的土阻礙了渠基土中的水分遷移和聚集以削減或消除渠道凍脹的現(xiàn)象。根據(jù)《堤防工程施工規(guī)范》（SL260-2014）[18]并結(jié)合灌區(qū)實際情況可得土體壓實度在85%以上較為合理，碾壓層的鋪土層厚度一般是25~30 cm[19-20]。故本試驗控制上層3cm 土的壓實度分別87%、92%、97%，下層5 cm 為不進行二次壓實的原狀土作為試驗土柱。已有研究證實壓實度87%的土在經(jīng)5次凍融循環(huán)后變形趨于穩(wěn)定[12]，本研究設(shè)置一組8 cm均為原狀土的對照組，與上層壓實下層原狀土的土樣，經(jīng)歷凍脹1次、凍融2次后再凍脹、凍融4次后再凍脹。試驗設(shè)12個組別，各組別均設(shè)封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)試驗，即24 組試驗。為防止偶然誤差，確保試驗結(jié)果的一致性，每組試驗均設(shè)置3 個平行試樣共計72 個土樣，以完全相同的條件進行試驗，剔除部分不合理數(shù)據(jù)后再補做一組，使每組試驗的相對誤差均控制在±1%范圍內(nèi)，將平行試驗的結(jié)果取平均值，最終得到24 組試驗數(shù)據(jù)。以組別4 封閉系統(tǒng)為例，放置含水率32%，密度1.8 g·cm-3，上層3 cm 壓實度為87%，下層5 cm 壓實度為82%的原狀土樣,其試驗裝置圖見圖1c，記FB4。其他組別相同，僅改變上層壓實度和凍融循環(huán)次數(shù)。具體設(shè)計如表2，其中FB1~FB3、KF1~KF3 為對照組，F(xiàn)B4~FB12、KF4~KF12為試驗組。

表2 試驗設(shè)計Table 2 Experimental design

以組別4為例：（1）將灌區(qū)所取土體于試驗室進行去雜質(zhì)、晾曬、烘干、研磨處理。試樣桶內(nèi)壁涂潤滑油，由《土工試驗方法標準》GB/T50123-2019[21]配置不同壓實度的土樣并分層填筑到桶內(nèi)，由下至上依次為原狀土及壓實度為87%的土樣，共8 cm。（2）在土柱從頂部向底部每隔2 cm 設(shè)溫度傳感器，分別監(jiān)測2,4,6,8 cm 處的內(nèi)部溫度變化，以實時監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)。上側(cè)安置位移變化表，以監(jiān)測土體凍脹所發(fā)生的位移量。（3）試樣制作完成后，將試驗裝置的四周及底部用保溫裝置附著好，使試驗土體自上而下保證單向凍結(jié)，開放系統(tǒng)于試樣桶下方放置補水裝置模擬開放環(huán)境，放入凍融試驗機中。使位移傳感器存在初始讀數(shù)，記錄該讀數(shù)并于5 ℃恒溫養(yǎng)護。（4）試驗以-0.84 ℃·h-1為降溫速率，從0 ℃開始降溫，每隔1 h記錄1次溫度傳感器讀數(shù)，直至降溫至-16 ℃，歷時18.96 h。（5）試驗結(jié)束，讀取位移表讀數(shù)，將土柱取出，測得經(jīng)凍結(jié)后重分布土體的密度及含水率。融化溫度設(shè)置為室溫，為1次凍融循環(huán)。整理計算數(shù)據(jù)，對每組的3個平行試樣結(jié)果進行對照，控制相對誤差范圍，每組數(shù)據(jù)結(jié)果取平行試樣的平均值，分析不同壓實度對土體凍融特性的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 一次凍結(jié)條件下不同壓實度土體凍結(jié)鋒面變化規(guī)律

當土溫低于凍結(jié)臨界值時渠基土凍結(jié)，一部分水凍結(jié)成冰，凍脹發(fā)生。凍土和未凍土間可以移動的接觸面稱為凍結(jié)鋒面，其移動速度反映了凍結(jié)鋒面此時的熱平衡狀態(tài)。土體在凍結(jié)期間的溫度變化是分析確定土體的凍脹率及凍結(jié)深度的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，能更直觀地體現(xiàn)出不同系統(tǒng)下各壓實度對土體內(nèi)部溫度場的作用效果。試驗過程中實時監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)，得到不同壓實度粉質(zhì)黏土凍結(jié)過程中內(nèi)部溫度-時間變化曲線（圖2）。例如，圖2 中高度2 cm 和8 cm 的線分別代表的是土樣距頂端2 cm 和土樣底部的溫度隨時間變化情況。不同環(huán)境下土體凍結(jié)歷時變化情況如表3。

圖2 不同系統(tǒng)下各壓實度土樣內(nèi)部溫度-時間變化曲線Figure 2 Temperature-time variation curves of soil samples with different compactness under different systems

表3 各壓實度土樣的凍結(jié)歷時情況Table 3 Freezing duration of soil samples with different compactness

由圖2可知，各組別不同高度處土體內(nèi)部溫度-時間變化曲線的下降速度均呈先快后慢再快的趨勢。在試驗初期，土體內(nèi)溫度顯著下降，而在臨近凍結(jié)鋒面時，降溫趨勢漸緩至趨近于0，試驗后期溫度下降，降溫梯度增加，最終接近于試驗環(huán)境設(shè)定的降溫梯度-0.84 ℃·h-1。由表3可知，凍結(jié)鋒面由頂端方向逐步向底端遷移。

2.1.1 封閉系統(tǒng)條件下，不同壓實度形成凍結(jié)鋒面的歷時變化規(guī)律 由圖2a、圖2c、圖2e和圖2g可知，各壓實度的土體幾乎都在8 h 前后形成凍結(jié)鋒面；原狀土凍結(jié)鋒面歷時為4.00 h，壓實后的土體凍結(jié)鋒面歷時較原狀土均有所延長，其中壓實度97%的土體凍結(jié)鋒面歷時最長為5.16 h。

對封閉系統(tǒng)而言，壓實度的增大對凍結(jié)鋒面的形成時間影響較?。桓鲏簩嵍韧翗觾鼋Y(jié)歷時不同，代表其在凍結(jié)過程中凍結(jié)鋒面遷移速率有所區(qū)別，壓實度越大凍結(jié)鋒面遷移速率越慢，最后相繼達凍結(jié)最大值，呈穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1.2 開放系統(tǒng)條件下，不同壓實度形成凍結(jié)鋒面的歷時變化規(guī)律 由圖2b、圖2d、圖2f和圖2h可知，壓實度82%和87%的土體在10.6 h 前后形成凍結(jié)鋒面，而壓實度為92%和97%的凍結(jié)鋒面形成時間分別明顯延后為11.67 h 和12.17 h；原狀土凍結(jié)鋒面歷時為4.25 h，壓實后凍結(jié)鋒面歷時延長，其中壓實度97%的土體凍結(jié)鋒面歷時最長為6.08 h。

對比封閉系統(tǒng)與開放系統(tǒng)，同一壓實度的土體，開放系統(tǒng)下土體凍結(jié)鋒面的形成時間較封閉系統(tǒng)下的更長，壓實度的增大達一定值時凍結(jié)鋒面的形成時間明顯延后；壓實使凍結(jié)歷時均延長，且比同一壓實度下封閉系統(tǒng)的更長，即凍結(jié)鋒面遷移速率更慢。

2.1.3 相同凍結(jié)歷時下，不同壓實度對凍深的削減效果對比 監(jiān)測土柱內(nèi)部各高度處的土體起始凍結(jié)時間繪制成曲線圖3，并將圖3 進行曲線擬合得到各壓實度土樣在相同凍結(jié)歷時下的凍深情況如表4。分析結(jié)果表明：（1）在凍結(jié)過程中，當對照組的土樣已凍至最大時，壓實度為87%的土樣在封閉系統(tǒng)與開放系統(tǒng)下分別削減凍深13.13%、9.38%，經(jīng)歷相同凍結(jié)時間，封閉系統(tǒng)與開放系統(tǒng)下壓實度92%的土樣凍深分別為6.10 cm 與6.45 cm，而壓實度為97%的土樣在開放系統(tǒng)下的凍深為5.10 cm，使其經(jīng)壓實凍深削減率達36.25%；（2）在外界條件一定且凍結(jié)時間相同的情況下，對照原狀土，對渠基土進行壓實能起到削減凍深的效果，且壓實度97%的土樣削減效果最好。

圖3 土樣各高度處起始凍結(jié)時間變化Figure 3 Variation of initial freezing time at various heights of soil samples

表4 各壓實度土樣在相同凍結(jié)歷時下的凍深情況Table 4 Freezing depth of soil samples with different compaction degrees under the same freezing duration

2.2 不同壓實度、不同凍融次數(shù)土體水分遷移規(guī)律分析

壓實度增大導致土體密實度增大，凍結(jié)鋒面的遷移速率減小，因而土體內(nèi)部水分遷移速率減慢。在單向凍結(jié)條件下，土體表層首先開始凍結(jié)，內(nèi)部土體還未發(fā)生凍結(jié)，此時土體表層與土體內(nèi)部未凍區(qū)間出現(xiàn)溫度梯度，封閉系統(tǒng)下的未凍區(qū)水分及在開放系統(tǒng)下的外界水源補給水均向凍結(jié)鋒面處逐漸遷移，最終導致土體內(nèi)部各高度處含水率的分布發(fā)生改變，出現(xiàn)水分重分布現(xiàn)象。在土體經(jīng)歷不同次數(shù)的凍融循環(huán)后，凍結(jié)結(jié)束后快速取出土樣并切割，自頂端向底端分別在1 cm上部、3 cm上部、5 cm上部、7 cm上部處測土樣各高度處的含水率，與未凍結(jié)前進行對比，分析土體內(nèi)水分重分布的規(guī)律，將凍融過程各高度處的含水率變化情況繪成曲線圖4。

圖4 不同壓實度的土體經(jīng)凍融循環(huán)后各高度處的含水率變化Figure 4 The moisture content of soils with different compactness changes at different heights after freeze-thaw cycles

2.2.1 封閉系統(tǒng)下不同壓實度、不同凍融次數(shù)土體水分遷移規(guī)律 由圖4 中的封閉系統(tǒng)下曲線FB1~FB12 可知，F(xiàn)B8（封閉系統(tǒng)下壓實度92%、凍融2次后再凍脹）和FB11（封閉系統(tǒng)下壓實度97%、凍融2次后再凍脹）的含水率曲線變化趨勢相似，1 cm 上部、3 cm 上部含水率分別由30.81%、30.65%增加至34.26%、34.25%，而至5 cm上部含水率分別降至31.38%、30.89%，從5 cm上部到7 cm上部含水率變化微小為31.36%、30.80%；各組別不同高度的含水率變化規(guī)律相似，均呈現(xiàn)最頂層含水率較初始含水率低，隨深度增加含水率逐步增加，達含水率最大值，后又逐漸降低；經(jīng)歷1 次凍脹，壓實度87%的土體1 cm 上部、3 cm 上部、5 cm 上部、7 cm 上部處含水率分別為31.34%、33.47%、30.99%、31.75%，凍融2 次后再凍脹分別增加至31.73%、34.01%、31.96%、31.87%，凍融4次后再凍脹分別增加至31.88%、34.05%、32.19%、32.47%。

分析封閉系統(tǒng)下壓實度對土體內(nèi)水分遷移的影響規(guī)律可知，經(jīng)凍融循環(huán)后，隨壓實度增加，土體內(nèi)部相同高度處的含水率呈下降趨勢。經(jīng)凍融循環(huán)后，不同壓實度土體各高度的含水率均發(fā)生變化，集中表現(xiàn)為含水率向3cm上部凍結(jié)鋒面附近集中。

2.2.2 開放系統(tǒng)下不同壓實度、不同凍融次數(shù)土體水分遷移規(guī)律 由圖4 中的開放系統(tǒng)下曲線KF1~KF12 可知，KF8（開放系統(tǒng)下壓實度92%、凍融2 次后再凍脹）和KF11（開放系統(tǒng)下壓實度97%、凍融2 次后再凍脹）的含水率曲線變化趨勢相似，自1 cm 上部至3 cm 上部處含水率分別由31.42%、31.27%增加至32.99%、32.52%，而至5 cm 上部含水率略微下降至32.49%、32.37%，從5 cm 上部到7 cm 上部含水率變化微小為32.96%、32.71%；土體內(nèi)部自上至下含水率變化趨勢呈1 cm上部至3 cm上部處上升至最大值、后略微下降又上升；由于有外界水進行補給，經(jīng)多次凍融后，土樣底層的含水率最高，且大于土樣的初始含水率；土體頂層含水率最低，低于初始含水率；經(jīng)歷1次凍脹，壓實度87%的土體1 cm 上部、3 cm 上部、5 cm 上部、7 cm 上部處含水率分別為31.70%、32.93%、32.51%和33.33%，凍融2次后再凍脹分別增加至31.72%、33.08%、32.93%和33.98%，凍融4次后再凍脹分別增加至31.84%、34.16%、33.07%和34.24%。

開放系統(tǒng)下，經(jīng)凍融循環(huán)后，隨壓實度增加，土體內(nèi)部相同高度處的含水率呈下降趨勢；經(jīng)歷凍融循環(huán)后，不同壓實度土體各高度的含水率均有增加，集中表現(xiàn)為含水率向3 cm上部凍結(jié)鋒面及7 cm上部水分補給源處集中；經(jīng)歷凍融循環(huán)土體內(nèi)部發(fā)生水分重分布，補給層水源補給的水分遷移高度約至凍結(jié)層的50%；經(jīng)歷反復(fù)的凍融循環(huán)使土體不同高度的含水率均有所上升，且開放系統(tǒng)下各高度處含水率均大于封閉系統(tǒng)，主要原因是凍融循環(huán)下外界水分向土樣進行遷移。

2.3 凍融后不同壓實度變化情況分析

土壤的凍結(jié)過程中水分向凍結(jié)面遷移并聚集使凍脹發(fā)生，而經(jīng)歷多次凍融循環(huán)會使土體的孔隙比增加，水分遷移速度更快，但密度減小，造成土體松動。本研究在經(jīng)歷凍融循環(huán)的每次凍結(jié)之后，分層測出經(jīng)凍融后不同高度的土體干密度，計算分析土體凍融后的壓實度變化情況，研究封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)下凍融循環(huán)對土體壓實度的影響。試驗得到凍融循環(huán)前后的土體壓實度變化情況如表5和表6。

表5 封閉系統(tǒng)下凍融后壓實度變化情況Table 5 Change of compaction degree after freeze-thaw in closed system

表6 開放系統(tǒng)下凍融后壓實度變化情況Table 6 Change of compaction degree after freeze-thaw in open system

2.3.1 在封閉系統(tǒng)條件下，壓實度隨凍融次數(shù)變化情況 由表5 可知，封閉系統(tǒng)下，對照組（未經(jīng)壓實的原狀土）凍融4 次后再凍脹，壓實度由原來的82%減小為79.48%；壓實度87%的土體經(jīng)2 次凍融后再凍脹相比1 次凍脹，壓實度下降0.83%，經(jīng)4 次凍融后再凍脹相比經(jīng)2 次凍融后再凍脹，壓實度降低0.17%；壓實度92%、97%的土體經(jīng)2次凍融后再凍脹相比1次凍脹，壓實度分別下降0.45%、0.41%，經(jīng)4次凍融后再凍脹相比經(jīng)2次凍融后再凍脹，壓實度分別降低0.14%和0.17%。

因此，封閉系統(tǒng)下得出：經(jīng)歷凍融循環(huán)使土體壓實度減?。辉谖窗l(fā)生凍融時，渠基土內(nèi)的密實度基本呈均勻分布，經(jīng)反復(fù)凍融土體各處孔隙增加不同步，在土體各處孔隙均穩(wěn)定分布后土體性質(zhì)基本穩(wěn)定不變，再次凍融壓實度基本不再發(fā)生變化，即隨凍融循環(huán)次數(shù)T 增加，凍融循環(huán)作用對渠基土壓實度的影響程度減小；壓實度越大的土體，凍融對其壓實度的減小作用越弱。

2.3.2 在開放系統(tǒng)條件下，壓實度隨凍融次數(shù)變化情況 由表6 可知，開放系統(tǒng)下，對照組（未經(jīng)壓實的原狀土）凍融4 次后再凍脹，壓實度由原來的82%減小為78.49%；壓實度87%的土體經(jīng)2 次凍融后再凍脹相比1 次凍脹，壓實度下降0.86%，經(jīng)4 次凍融后再凍脹相比經(jīng)2 次凍融后再凍脹，壓實度降低0.50%；壓實度92%、97%的土體經(jīng)2次凍融后再凍脹相比1次凍脹，壓實度分別下降0.57%、0.42%，經(jīng)4次凍融后再凍脹相比經(jīng)2次凍融后再凍脹，壓實度分別降低0.33%、0.36%。

在開放系統(tǒng)下得出，土體的壓實度相同且經(jīng)歷相同次數(shù)的凍融循環(huán)后，土體在開放系統(tǒng)下比在封閉系統(tǒng)下的壓實度減小更明顯，即補水對土體凍融變化的影響顯著，在地下水位較高存在外界補水的條件下土體凍脹引發(fā)的工程問題更嚴重，因此在實際工程中應(yīng)謹慎處理好地下水處理等工作；經(jīng)歷凍融循環(huán)對土體本身的結(jié)構(gòu)具有弱化作用，故經(jīng)歷多次凍融對壓實度減小作用減弱；對土體進行二次壓實可以明顯減輕凍融破壞的發(fā)生程度，開放系統(tǒng)下表現(xiàn)更明顯。

2.4 不同壓實度、不同凍融次數(shù)對土體凍脹量及凍脹率規(guī)律分析

壓實度越大的土體，內(nèi)部孔隙比越小，凍融對其壓實度的減小作用越弱，凍脹量越小。反復(fù)經(jīng)歷凍脹使土體逐漸趨于穩(wěn)態(tài)，一般情況下，凍脹率用以體現(xiàn)土體凍脹性強弱。公式為：

式中：η為凍脹率(%)；Δh為凍脹量(mm)；H為凍深(mm)。

隨壓實度增加土體凍脹率顯著降低，后趨于平穩(wěn)。經(jīng)歷不同次數(shù)凍融循環(huán)后分別讀取凍脹后土樣凍脹量數(shù)值并計算凍脹率及凍脹削減率見表7 和表8。表7 為封閉系統(tǒng)數(shù)據(jù)，表8 為開放系統(tǒng)數(shù)據(jù)。并將土體的凍脹率隨壓實度變化情況繪制成曲線圖5。

圖5 經(jīng)凍融土體凍脹率隨壓實度變化規(guī)律Figure 5 Variation of frost heave rate of freezing-thawing soil with compaction degree

表8 開放系統(tǒng)下試驗分析結(jié)果Table 8 Experimental analysis results under open system

2.4.1 在封閉系統(tǒng)條件下，不同壓實度、不同凍融次數(shù)土壤凍脹率的變化情況 由表7 及圖5a 可知，試驗測得經(jīng)歷凍脹1次，封閉系統(tǒng)下壓實度82%的原狀土凍脹率為6.50%，而壓實度為97%的土體凍脹率最小為3.63%；經(jīng)4次凍融后再凍脹使得壓實度82%凍脹率為8.13%，壓實度97%的土體凍脹率最小為4.38%；對比原狀土，試驗測得經(jīng)4次凍融后再凍脹的封閉系統(tǒng)下壓實度87%的渠基土凍脹量相比于原狀土凍脹量減小18.46%，而壓實度92%和97%的渠基土凍脹量相比于原狀土凍脹量各減小35.38%和46.15%。

在封閉系統(tǒng)條件下，壓實度一定時，渠基土的凍脹率隨凍融次數(shù)的增加而增長，最終逐漸趨于固定值；凍融次數(shù)一定時壓實度增加使渠基土密度變大、凍脹率變??；壓實度97%對減小凍脹量的效果良好。

2.4.2 在開放系統(tǒng)條件下，不同壓實度、不同凍融次數(shù)土壤凍脹率的變化情況 由表8及圖5b可知，試驗測得經(jīng)歷凍脹1次，開放系統(tǒng)下壓實度82%的原狀土凍脹率為8.13%，而壓實度為97%的土體凍脹率最小為4.75%；經(jīng)4 次凍融后再凍脹使得壓實度82%凍脹率為10.00%，壓實度97%的土體凍脹率最小為5.63%；對比原狀土，試驗測得經(jīng)4次凍融后再凍脹的開放系統(tǒng)下壓實度87%的渠基土凍脹量相比于原狀土凍脹量減小16.25%，而壓實度92%和97%的渠基土凍脹量相比于原狀土凍脹量各減小33.75%和40.00%。

開放系統(tǒng)條件下，壓實度一定時，凍融次數(shù)與凍脹率呈正相關(guān)；壓實度與凍脹率呈負相關(guān)，且渠基土在開放系統(tǒng)下的凍脹率比封閉系統(tǒng)下的高，土體發(fā)生凍融破壞主要原因是水分的遷移及凍結(jié)，是否有外界水源補給是凍脹強弱的基本條件；壓實度92%與97%對減小凍脹量的效果相差不大且均較良好。

3 討論與結(jié)論

本研究以渠基土的壓實度、凍融循環(huán)次數(shù)以及補水條件為變量，在單向凍結(jié)的試驗條件下分析了壓實度對低液限粉質(zhì)黏土凍融特性的影響規(guī)律。

在封閉系統(tǒng)條件下，壓實度的增大對凍結(jié)鋒面的形成時間影響較小，壓實度97%的土體凍結(jié)鋒面歷時最長為5.16 h；凍結(jié)鋒面的遷移速率減小，故土體內(nèi)部水分遷移速率減慢，經(jīng)凍融循環(huán)后不同壓實度土體內(nèi)部含水率集中表現(xiàn)為含水率向3 cm上部凍結(jié)鋒面附近集中；經(jīng)歷多次凍融循環(huán)使土體水分遷移速度更快，但密度減小，而壓實度97%的土樣經(jīng)凍融后土體性質(zhì)基本穩(wěn)定不變；經(jīng)4次凍融后再凍脹，壓實度97%的渠基土凍脹量相比于原狀土凍脹量減小46.15%，壓實對凍脹的削弱效果明顯。所以，渠基土選取壓實度97%時抗凍脹效果最好。

在開放系統(tǒng)條件下，由于隨壓實度增加，對凍結(jié)鋒面的影響逐漸降低最終趨于穩(wěn)定；對于其他條件相同的情況下，同一壓實度的土體，開放系統(tǒng)下凍結(jié)鋒面的形成時間長，凍結(jié)鋒面歷時更長，這與王思文等[22]研究的不同初始含水率對單一壓實度土體凍結(jié)速率的影響所得規(guī)律相符，本研究對不同壓實度低液限粉質(zhì)黏土凍融特性分析，得出經(jīng)4 次凍融后再凍脹壓實度為92%與97%時土體內(nèi)部含水率分布情況相似。試驗得到壓實度92%的土樣經(jīng)4次凍融后再凍脹土體性質(zhì)已基本趨于穩(wěn)定；經(jīng)4次凍融后再凍脹，壓實度92%和97%的渠基土凍脹量相比于原狀土凍脹量分別減小33.75%和40.00%，凍脹率與壓實度呈負相關(guān)，與凍融循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)，這與閆壘等[23]在封閉系統(tǒng)下對黃土凍融特性研究所得規(guī)律一致；由于經(jīng)4 次凍融后再凍脹，壓實度為92%與97%土體性質(zhì)相近。因此，兼顧實際施工條件以及經(jīng)濟效益，建議選取壓實度為92%最合理。

本研究通過控制渠基土壓實度的方法減輕渠道凍脹破壞，為實際渠道工程的防凍脹設(shè)計工作提供了理論依據(jù)，兼顧工程造價，未來還可研究控制壓實度結(jié)合在渠道襯砌下添加保溫板以達到防凍脹效果。