人工冻土融沉特性及其对周围环境影响研究_第二章人工冻土融沉特性及预报模型_22_

14第二章人工冻土融沉特性及预报模型2.1人工冻土冻胀融沉机理及影响因素分析冻胀是指土中水分冻结成冰时引起的土体体积膨胀。冻胀外观表现为土层鼓包、开裂、均匀或不均匀隆起，实质为冻结过程中，土中水份（包括土中原孔隙水和外界向冻结锋面迁移、补给的水）冻结成冰，使土中孔隙填充、颗粒触点间的间距扩大，从而引起土颗粒的相对位移。衡量冻胀的主要指标是冻胀率，冻胀率是指冻结时的冻胀量与冻结深度的比值，其计算公式如下：%100×Δ=fHhη(2-1)式中:η——冻胀率，%；hΔ——冻胀量，单位mm；fH——冻结深度，不包括冻胀量，单位mm。当冻结地层温度上升时，冻土将发生融化，冻土中的冰晶融化成水，体积缩小9%；另外，颗粒接触处的冰融化后，降低了冰和土颗粒包裹体的胶结程度，原来由包裹体承受的部分上部作用力转移到了土骨架上，增大了作用在土骨架上的有效应力，而在此过程中产生的未冻水则减小了土颗粒间的摩擦，土颗粒结构易于调整，在自重应力作用下，土体中的孔隙将被压缩，土体体积减小，发生融沉。冻土融化后产生的沉降，由融化沉降和压缩沉降两部分组成，分别用融沉系数和融化压缩系数来表示。融沉系数的大小与压力无关，只与土体本身的属性及冻融条件有关，是衡量土体融沉特性的主要指标，其计算公式为：0α=%10000×Δhh（2-2）式中:0α——冻土融沉系数，%；0hΔ——冻土融化下沉量，单位mm；0h——冻土初始高度，单位mm。融化压缩系数反映了在上部荷载作用下融土固结产生的沉降量。某一压力范围内冻土融化压缩系数的计算公式为：15iiiiicppSSa−−=++11(2-3)式中:ica——融化压缩系数，单位kPa-1；iS——某一压力稳定后的单位固结变形量，单位cm/m；ip——某级压力值，单位kPa。某一压力稳定后的单位固结变形量由式2-4计算：iS=0hhiΔ（2-4）式中:iS——某一压力稳定后的单位固结变形量，单位cm/m；ihΔ——某一压力下的变形量，单位mm；0h——冻土初始高度，单位mm。实践证明，融沉系数与冻胀率密切相关，冻胀大则融沉大，没有冻胀的土层基本上不发生融沉，影响人工冻土冻胀融沉的因素主要有：含水率、干密度、冷端温度、荷载、外界水源补给条件及融化温度。2.2人工冻土融沉试验设计2.2.1试验目的利用自行研制的冻胀融沉试验装置，针对南京地区典型土质（淤泥质粘土、粉质粘土、粉砂），采用单因素试验和正交试验相结合的方法，研究冷端温度、含水率、冻结开放条件、干密度、荷载及融化温度对融沉系数的影响规律，为融沉预报模型的建立和后续研究提供依据。2.2.2融沉试验装置本文人工冻土融沉试验采用南京林业大学自制的冻胀融沉仪进行，该仪器能够在负温环境下，使土体单向冻结、单向融化；能够按照土工试验方法标准（GB/T50123-1999）的要求，在一台仪器上完成冻胀量试验和冻土融化压缩试验。整套仪器由恒温箱、试样盒、制冷系统、加热系统、温度数据采集系统、位移数据采集系统、加压系统和补水装置等组成，图2-1为冻胀融沉仪原理示意图。冻胀融沉仪试样盒采用有机玻璃制成，其尺寸为：内径79.8mm，高40.0mm，能够有效消除融沉时环儀对土样的摩阻力，图2-2为冻胀融沉仪试样盒结构图。16图2-1冻胀融沉仪原理示意图1—温控器2—循环冷水进口3—循环冷水出口4—循环水泵5—恒温水槽6—补水装置7—位移传感器8—数据采集仪9—电脑10—制冷块11—加压设备12—恒温箱13—加热传压盖14—试样盒图2-2融沉仪试样盒结构图1—制冷块2—保温材料3—固定环4—环儀5—透水石6—加热传压盖7—导环8—补水孔9—热敏电阻测温点2.2.3试验安排本文融沉试验主要采用重塑土进行，并对重塑淤泥质粘土与原状淤泥质粘土融沉特性17进行了对比试验。试验条件分为开敞型（冻融过程中有水源补充）和封闭型（冻融过程中无水源补充）两种。在进行荷载对融沉系数影响的单因素试验中采取了三种不同的试验方法：1）融前卸载方式——土样冻结时加载，融化前卸载；2）带载融沉方式——土样冻结时加载，融化时荷载保持不变；3）融后加载方式——土样冻结时加载，融化前卸载，融化后再施加相同大小的荷载进行压缩。单因素融沉试验安排见表2-1、表2-2和表2-3，原状土与重塑土融沉特性对比试验安排见表2-4。正交试验选择含水率、干密度和冷端温度三个因素，按三因素三水平正交试验设计，目的是找出各因素对融沉特性影响的显著程度，试验安排见表2-5。表2-1含水率、干密度、冷端温度对融沉特性影响的单因素试验安排试样编号土质含水率%干密度g/cm3冷端温度oc1-812、16、18、20、22、24、26、281.40-159-14221.38、1.42、1.46、1.50、1.54、1.58-1515-20241.38、1.42、1.46、1.50、1.54、1.58-1521-26241.38、1.42、1.46、1.50、1.54、1.58-1527-30241.54-5、-15、-25、-3531-34淤泥质粘土241.54-5、-15、-25、-3535-4115、17、19、21、24、26、281.40-1542-47231.40、1.44、1.48、1.52、1.56、1.60-1548-53饱和1.40、1.44、1.48、1.52、1.56、1.60-1554-57231.46-5、-15、-25、-3558-62粉质粘土231.46-5、-15、-25、-3563-6616、19、22、24、261.44-1567-72221.40、1.44、1.48、1.52、1.56、1.60-1573-76221.48-5、-15、-25、-3577-80粉砂221.48-5、-15、-25、-35注：21～26、31～34、58～62和77～80试验条件为开敞型，其它为封闭型；荷载均为0kPa；融化温度均为45oc。表2-2荷载对融沉特性影响的单因素试验安排试验编号土质含水率%干密度g/cm3加载方式冻结温度oc荷载kPa81-87淤泥质粘土241.54融前卸载方式-150、14.5、29.5、50、100、200、30088-93淤泥质粘土241.54带载融沉方式-1514.5、29.5、50、100、200、30094-99淤泥质粘土241.54融后加载方式-1514.5、29.5、50、100、200、300100-106粉质粘土251.56融前卸载方式-100、14.5、29.5、50、100、200、300107-112粉质粘土251.56带载融沉方式-1014.5、29.5、50、100、200、300113-117粉砂221.54融前卸载方式-150、50、100、200、300118-121粉砂221.54带载融沉方式-1550、100、200、300注：试验条件均为封闭型；融化温度均为45oc。18表2-3融化温度对融沉特性影响的单因素试验安排试验编号含水率%干密度g/cm3冻结温度oc融化温度oc试验编号含水率%干密度g/cm3冻结温度oc融化温度oc122241.40-1515126281.40-1515123241.40-1530127281.40-1530124241.40-1545128281.40-1545125241.40-1570129281.40-1570注：土质为淤泥质粘土；试验条件均为封闭型；荷载均为0kPa。表2-4原状土与重塑土融沉特性对比试验安排试验编号土样类型试验系统冻结温度oc融化温度oc试验编号土样类型试验系统冻结温度oc融化温度oc130原状土封闭-1045136原状土开放-1045131原状土封闭-2045137原状土开放-2045132原状土封闭-1015138原状土开放-1015133重塑土封闭-1045139重塑土开放-1045134重塑土封闭-2045140重塑土开放-2045135重塑土封闭-1015141重塑土开放-1015注：含水率均为39%；干密度均为1.29g/cm3；荷载均为0kPa。表2-5融沉正交试验安排试验编号土质冻结温度水平oc含水率水平%干密度水平g/cm3荷载kPa冻结方式融化温度oc142-150淤泥质粘土-5、-15、-2518、22、261.40、1.48、1.560封闭45151-159粉质粘土-5、-20、-3520、23、261.40、1.48、1.560封闭45160-168粉砂-5、-15、-2518、22、261.40、1.48、1.560封闭452.2.4试样制备(1)试验土样的基本物理性质试验所用三种土料均为南京地区典型土质，分别取自三个不同基坑，其基本物理指标见表2-6。表2-6试验士料基本物理性质土质液限WL塑限Wp塑性指数Ip分类备注淤泥质黏土371918中液限粘土原状土、重塑土粉质黏土341816中液限粘土均为重塑土粉砂2812.515.5低液限砂土均为重塑土19(2)原状土试样制备根据试验要求加工内径为79.8mm，高40mm的环儀用来进行原状土样制备。1）首先在环儀内壁涂一层凡士林，然后刃口向下垂直下压，同时用切土儀沿环儀外侧切削土样，边压边削直至土样高出环儀，制样时不得扰动土样；2）采用钢丝锯或切土儀平整环儀两端，然后擦净环儀外壁，称取环儀和土的总重量；3）从切削的余土中取代表性试样，测定含水率及比重；4）原状土同一组试样间密度的允许差值不得大于0.03g/cm3，切削土样时，应对土样的层次、气味、颜色、夹杂物及裂隙等进行描述。(3)重塑土试样制备重塑土试样采用分层（3层）压样法制作，在压实过程中保证每层土成型高度相同，加工成形的试样密度与要求密度之差不得大于士0.01g/cm3、含水率与要求含水率之差不大于士1%。(4)饱和试样制备先按重塑土试样制备方法制备干密度符合要求的重塑土试样，再采用抽气饱和法使试样充分饱和。2.2.5试验方法及步骤本文人工冻土融沉试验包括三个阶段：土样冻结、土样融化下沉和压缩沉降。融化下沉时对试样施加1KPa压力值（目的是减少土样与容器内壁摩擦力，施加这一小量荷载可以加快下沉速度，且不会对融化土骨架产生过大压缩，对融沉系数值影响不大），具体试验步骤如下：1）试样制备按试样制备方法制备试验设计中所需土样。2）试样恒温试样制备完成后，上下盖好滤纸，将环儀、试样与固结容器中护环用塑料薄膜包裹后放人0oC低温环境中恒温10小时，保证试样内外温度均匀，且不发生水分迁移。3）安装试样在制冷块上放一张湿润滤纸，将装有试样的试样环放在滤纸上，套上护环，在试样上铺滤纸和透水板，再放上加热传压盖，然后装上保温外套，将融化压缩容器置于加压框正中，安装位移传感器。4）单向冻结将底板温度调节到设计的负温，让试样从底面冻结，启动温度与位移数据采集系统。开放系统中第一次补水时机选择在试验土样中初始出现冻结锋面时刻，随后保证有充分的20补给水源，整个试验过程对土样不同深度处温度和冻胀量进行实时监测。5）冻结结束根据温度监测试样完全冻结后，且冻胀量不再发展时结束冻结。6）加热融化下沉将恒温水槽内热水温度调节到设计融化温度，打开水阀使热水在加热传压盖内循环，试样开始融化下沉，记录整个试验过程的变形量，当土样融沉阶段变形量在2小时内小于0.01mm时，即认为融沉稳定。7）压缩沉降对融沉稳定后的试样逐级加荷进行压缩试验，荷载等级取50、100、200、300、400kPa，施加每级荷载后以每小时变形不超过0.01mm为稳定标准，记录每级荷载下压缩变形量。8）后处理计算各测点温度及冻胀量、融沉值，绘制曲线、分析数据。2.3试验结果分析2.3.1含水率对人工冻土融沉特性的影响图2-3给出了淤泥质粘土、粉质粘土和粉砂在封闭式单向冻结，然后再单向融化条件下融沉系数与含水率关系曲线，经数据回归，融沉系数与含水率关系式如表2-7所示。从融沉系数与含水率的关系曲线及回归公式可以看出，虽然土质不同，融沉系数均随含水率的增大而递增，原因是随含水率增加，由冰填充的孔隙随之增大，当温度升高，冰层变成水，这些原来依靠冰填充的