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人工冻土融沉特性及其对周围环境影响研究_第二

2021-02-09 23:00 作者:狗博app 点击:

  爱问共享资料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_文档免费下载,数万用户每天上传大量最新资料,数量累计超一个亿,14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)

  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= fH hη (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 = %100 0 0 ×Δ h h (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: 15 ii ii ic pp SS a − −= + + 1 1 (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 = 0h hiΔ (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/T 50123-1999) 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 40.0 mm,能够 有效消除融沉时环刀对土样的摩阻力,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—环刀 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 oc 1-8 12、16、18、20、22、24、26、28 1.40 -15 9-14 22 1.38、1.42、1.46、1.50、1.54、1.58 -15 15-20 24 1.38、1.42、1.46、1.50、1.54、1.58 -15 21-26 24 1.38、1.42、1.46、1.50、1.54、1.58 -15 27-30 24 1.54 -5、-15、-25、-35 31-34 淤 泥 质 粘 土 24 1.54 -5、-15、-25、-35 35-41 15、17、19、21、24、26、28 1.40 -15 42-47 23 1.40、1.44、1.48、1.52、1.56、1.60 -15 48-53 饱和 1.40、1.44、1.48、1.52、1.56、1.60 -15 54-57 23 1.46 -5、-15、-25、-35 58-62 粉 质 粘 土 23 1.46 -5、-15、-25、-35 63-66 16、19、22、24、26 1.44 -15 67-72 22 1.40、1.44、1.48、1.52、1.56、1.60 -15 73-76 22 1.48 -5、-15、-25、-35 77-80 粉 砂 22 1.48 -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 45 oc。 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 kPa 81-87 淤泥质粘土 24 1.54 融前卸载方式 -15 0、14.5、29.5、50、100、200、300 88-93 淤泥质粘土 24 1.54 带载融沉方式 -15 14.5、29.5、50、100、200、300 94-99 淤泥质粘土 24 1.54 融后加载方式 -15 14.5、29.5、50、100、200、300 100-106 粉质粘土 25 1.56 融前卸载方式 -10 0、14.5、29.5、50、100、200、300 107-112 粉质粘土 25 1.56 带载融沉方式 -10 14.5、29.5、50、100、200、300 113-117 粉砂 22 1.54 融前卸载方式 -15 0、50、100、200、300 118-121 粉砂 22 1.54 带载融沉方式 -15 50、100、200、300 注:试验条件均为封闭型;融化温度均为 45 oc。 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 oc 122 24 1.40 -15 15 126 28 1.40 -15 15 123 24 1.40 -15 30 127 28 1.40 -15 30 124 24 1.40 -15 45 128 28 1.40 -15 45 125 24 1.40 -15 70 129 28 1.40 -15 70 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 oc 130 原状土 封闭 -10 45 136 原状土 开放 -10 45 131 原状土 封闭 -20 45 137 原状土 开放 -20 45 132 原状土 封闭 -10 15 138 原状土 开放 -10 15 133 重塑土 封闭 -10 45 139 重塑土 开放 -10 45 134 重塑土 封闭 -20 45 140 重塑土 开放 -20 45 135 重塑土 封闭 -10 15 141 重塑土 开放 -10 15 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 oc 142-150 淤泥质粘土 -5、-15、-25 18、22、26 1.40、1.48、1.56 0 封闭 45 151-159 粉质粘土 -5、-20、-35 20、23、26 1.40、1.48、1.56 0 封闭 45 160-168 粉砂 -5、-15、-25 18、22、26 1.40、1.48、1.56 0 封闭 45 2.2.4 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 37 19 18 中液限粘土 原状土、重塑土 粉质黏土 34 18 16 中液限粘土 均为重塑土 粉砂 28 12.5 15.5 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 的环刀用来进行原状土样制备。 1)首先在环刀内壁涂一层凡士林,然后刃口向下垂直下压,同时用切土刀沿环刀外 侧切削土样,边压边削直至土样高出环刀,制样时不得扰动土样; 2)采用钢丝锯或切土刀平整环刀两端,然后擦净环刀外壁,称取环刀和土的总重量; 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,将环刀、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 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孔隙,在自重作用下有更多的水被排出。 为了便于寻找含水率对土体融沉特性的影响规律,将淤泥质粘土、粉质粘土和粉砂不 同含水率时的融沉系数与冻胀率进行对比,绘出曲线-6 可以看出,并非所有的土都产生融沉,只有当土体含水率 21 达到一定界限后才会产生融沉现象,可以把这个界限含水率称为土的起始融沉含水率,用 Rω0表示。之所以会存在起始融沉含水率,原因是并非所有的含水土体都产生冻胀,只有 当土中水分达到一定界限后才会发生冻胀现象,这个含水率被称为土的起始冻胀含水率, 用ω0来表示。根据已有工程实践资料,表 2-8 给出了几种土的起始冻胀含水率[101],对本 文试验结果数据应用回归公式,可以计算出淤泥质粘土、粉质粘土和粉砂起始冻胀含水率 分别为 15.8%,13.5%和 13%,这三个数值均与表 2-8 中给出的中、高液限粘土起始冻胀 含水率范围相符。将图 2-4、图 2-5、图 2-6 中的融沉冻胀曲线延长和 X 轴相交可以看出, 土的起始融沉含水率与起始冻胀含水率基本一致。 表 2-7 不同土质融沉系数与含水率回归关系式 土质 试验系统 关系式 相关系数 R 含水率范围 1712.426.00 −= ωa 0.9902 ≤20% 淤泥质粘土 封闭 775.25234.10 −= ωa 0.9931>

  20% 3342.10975.00 −= ωa 0.9742 ≤19% 粉质粘土 封闭 6641.85179.00 −= ωa 0.9955>

  19% 粉砂 封闭 4589.11466.00 −= ωa 0.9261>

  16% 22 表 2-8 几种土的起始冻胀含水率 土质 中、高液限粘土 低液限粘土 粉质低液限砂土 砂土 ω0 ( %) 12-18 10-14 8-11 7-9 当土体含水率小于起始融沉含水率时,试样融化不但没有融沉,还会有微小的热胀作 用(图 2-4),因为在此含水率范围内,冻土样内只有孔隙冰而没有结构冰,故土中冰融 化不会导致融沉,相反,还会因冻土样内部土颗粒热胀而使其体积略有增大。 对淤泥质粘土、粉质粘土融沉系数与含水率间关系进行回归可知:淤泥质粘土、粉质 粘土融沉系数随含水率增大而分段线性增大;当含水率较小时,含水率变化对融沉系数影 响较小,当土体含水率大于某一数值时,含水率变化对融沉系数影响较大。由图 2-4 可以 看出,淤泥质粘土各组土样干密度保持定值(实测干密度差值均不超过 0.02g/cm3),在低温 环境下对土样进行封闭式单向冻结,然后再单向融化,当其他条件相同时,含水率增大对 融沉系数的影响程度并不相同,含水率小于 20%时,含水率增大 1%,融沉系数仅增大 0.26%,但含水率大于 20%时,增长速度较快,含水率增加 1%,融沉系数增大约 1.234%, 融沉系数与含水率之间呈明显的分段线性关系。对粉质粘土也有类似情况,由图 2-5 可以 看出,当其他条件相同,含水率小于 19%时,含水率增大 1%,融沉系数仅增大 0.0975%, 含水率大于 19%时,含水率增加 1%,融沉系数增大约 0.5179%。 将图 2-4、图 2-5 和图 2-6 中的冻胀率与融沉系数对比可以发现:冻胀量增大,融沉 量也随之增大,且融沉量大于冻胀量;尽管淤泥质粘土、粉质粘土融沉系数随含水率增大 分段线性增大,而此两种土质的冻胀率却随含水率增大线性增大,没有明显的转折点。该 现象可以从人工冻土冻胀机理和融沉机理加以解释:非饱和粘性土封闭式单向冻结时,产 生冻胀的原因主要是水冻结时体积增大约 9%,另外土颗粒间的结合水冻结时体积膨胀会 使土颗粒间距增大,产生位移。人工冻土融化时会发生融沉,融沉量大小取决于两种沉降 的叠加,一是热融沉陷,是指人工冻土受热致使冻土内冰融化、体积减小及水的自由消散 产生的下沉引起的沉降变形;二是压缩沉降,是指人工冻土冻融后,由于压缩性增大,在 自重作用下产生的压缩变形。当含水率较小时冻融对土的压缩性影响较小,融沉主要是由 23 热融沉陷造成,融沉系数随含水率增大而线性增大;当含水率超过转折点 Q 时,冻融对 土的压缩性影响开始发挥作用,这时,融沉为热融沉陷和压缩沉降的叠加,所以出现了转 折点 Q。由于冻融作用对粉砂压缩性的影响较小,所以图 2-6 中粉砂的融沉系数和冻胀率 均随随含水率的增大而线性增大。 对比淤泥质粘土、粉质粘土和粉砂在不同含水率时的融沉系数可以看出,相同含水率 下粉砂的融沉系数远小于淤泥质粘土和粉质粘土的融沉系数,且随含水率增加,粉砂融沉 系数的增长率也远小于淤泥质粘土和粉质粘土融沉系数的增长率,这表明粉砂与粘土相比 属于非冻胀敏感性土。 2.3.2 冷端温度对人工冻土融沉特性的影响 本文冷端温度对人工冻土融沉特性的影响试验,分为开敞型和封闭型两种,在试验过 程中含水率、干密度保持定值。试验结果如图 2-7、图 2-8 和图 2-9 所示,融沉系数与冷 端温度之间的回归关系式见表 2-9。 图2-7 淤泥质粘土融沉系数与冷端温度关系曲线 冷端温度OC 融 沉 系 数 ( %) 封闭系统 开放系统 图2-8 粉质粘土融沉系数与冷端温度关系曲线 冷端温度OC 融 沉 系 数 ( %) 封闭系统 开放系统 24 图2-9 粉砂融沉系数与冷端温度关系曲线 冷端温度OC 融 沉 系 数 ( %) 封闭系统 开放系统 表 2-9 不同土质融沉系数与冷端温度回归关系式 土质 试验系统 参数 关系式 相关系数 封闭 ω(24%),ρd(1.54 g/cm3) a0=-0.031T+2.715 0.8786 淤泥质黏土 开放 ω(24%),ρd(1.54 g/cm3) a0=0.0795T+7.8275 0.9703 封闭 ω(23%),ρd(1.46 g/cm3) a0=-0.0142T+2.806 0.9529 粉质黏土 开放 ω(23%),ρd(1.46 g/cm3) a0=0.052T+5.84 0.9797 封闭 ω(22%),ρd(1.48 g/cm3) a0=-0.0167T+0.9685 0.8889 粉砂 开放 ω(22%),ρd(1.48 g/cm3) a0=0.0201T+2.3595 0.8757 由图 2-7、图 2-8 和图 2-9 可见,在有水源补充的情况下进行单向冻融,融沉系数随 温度降低而线性减小。原因是:冷端温度低,冷却强度则大,冻结速度就快,这时,土中 弱结合水及毛细水来不及向冻结区迁移就冻结成冰,这样,迁移和积聚的水分就会较少, 因而冻胀量较小,相应的融沉系数就会较小。相反,如果冷端温度高,冷却强度小,冻结 持续时间较长,则迁移和积聚的水量就会较大,因而冻胀量较大,相应的融沉系数就会较 大。 与开敞型相反,3 种土料在无水源补充的情况下进行封闭型单向冻融,其融沉系数随 冷端温度降低而线性增大。原因是:封闭型冻结时无水源补充,土体发生冻胀的主要原因 是水冻结时体积增大 9%。由于土体发生冻结时,并非所有土中水分都冻结,而是存在一 部分未冻水,冷端温度越低,未冻水含量越少,发生冻结的水量越大,冻胀越强烈,相应 的融沉系数越大。 将图 2-7、图 2-8 和图 2-9 中封闭系统曲线与开放系统曲线对比可以发现,尽管封闭 型单向冻融时融沉系数随温度降低而增大,开敞型单向冻融时融沉系数随温度降低而减 小,封闭型单向冻融时的融沉系数明显小于开敞型单向冻融时的融沉系数,且随着温度降 低两者值逐渐接近。这也充分说明了土体发生冻胀的主要原因不是由于水冻结时体积增大 9%,而是冻结时土中水分向冻结区迁移和积聚的结果。 粉砂由于只含有少量结合水,封闭型冻融时,未冻含水量随冷端温度变化不明显,因 而融沉系数随冷端温度变化不明显;另外,由于粉砂毛细现象不显著,开敞型冻融时水分 迁移不强烈,因而融沉系数随冷端温度变化也不明显。所以图 2-9 中曲线 中曲线 干密度对人工冻土融沉特性的影响 本文采用三种方式进行干密度对融沉特性的影响试验:非饱和土开敞型单向冻融、非 饱和土封闭型单向冻融和饱和土封闭型单向冻融。试验结果见图 2-10、图 2-11 和图 2-12。 图2-10 淤泥质粘土融沉系数与干密度关系曲线.58 干密度(g/cm3) 融 沉 系 数 ( %) 含水率为22% (封闭) 含水率为24% (封闭) 含水率为24% (开放) 26 由图 2-10 可见,淤泥质粘土在含水率保持定值的条件下进行开敞型单向冻融时,融 沉系数随干密度增大而增大,但变化不大。原因是开敞型冻结时,有外界水源补

  充,会有 更多的水冻结成冰,而干密度增大,土中能够容纳冰自由膨胀的孔隙空间将减小,土颗粒 间的分离位移将增大,使土体冻胀性和融沉性均增大。 对比图 2-10、图 2-11 和图 2-12 可以看出,三种土质在非饱和状态下进行封闭型单 向冻融时,融沉系数与干密度关系中存在一个临界干密度,临界干密度对应土体最小的融 沉系数。临界干密度并非定值,而是随含水率、土质变化而变化,受冻结融化条件的影响, 是含水率、土质、冷端温度的函数。由试验数据可知:粉砂在含水率为 22%时,临界干密 度为 1.52g/cm3;粉质粘土在含水率为 23%时,临界干密度为 1.52 g/cm3;淤泥质粘土在 含水率为 24%时,临界干密度为 1.50g/cm3,在含水率为 22%时,为 1.54g/cm3。 对于临界干密度,可解释如下:非饱和土干密度低于临界干密度时,土中孔隙较大, 土体冻结后融沉量不仅包括因融化水排出而产生的体积减小,而且包括融化时因土体自重 引起的土中孔隙减小,因此干密度较小时土体融沉系数相对较大。当干密度大于临界密度 时,孔隙率变小,因自重引起土中的孔隙减小将不再明显,而此时,由于干密度增加,在 不改变土体含水率的情况下却改变了土体饱和度。饱和度较小时,土中有着充分的孔隙容 纳固态冰的自由膨胀,土体颗粒间分离位移较小;饱和度增大后,自由水充填孔隙程度增 大,容纳固态冰膨胀的孔隙减小,土体颗粒间分离位移将增大,从而引起冻胀率和融沉系 数的提高。 当土体在饱和状态下进行封闭型单向冻融时,融沉系数随干密度增加而减小,不存在 临界干密度(见图 2-11 粉质粘土饱和状态曲线)。原因是:在饱和状态下,干密度增加, 会使土中孔隙率减小,相应的减小了土体含水率,而土体封闭型冻结产生冻胀主要是由于 水冻结时体积增大 9%,含水率减小,冻结的水量也随之减少,造成冻胀率减小,相应的 融沉系数也会随之减小。 非饱和粘土在干密度超过临界干密度后,融沉系数随干密度增大而增大,在饱和状态, 融沉系数则随干密度的增加而减小的特性也可采用何平在《冻土融沉系数的评价方法》中 提出的理论推导公式加以解释[121]。何平首先定义了界限孔隙率 n,当实际饱和冻土的孔 隙率超过该值时,超过部分的水体按自由水排除完全用于沉降量计算;小于该孔隙率的水 按冰融化体积收缩 9%用于融沉计算。根据工程资料,n 的取值:粘土为 0.50,粉质粘土 为 0.45,粉土为 0.42,砂土为 0.38。另外引进接触率 Cr 来反映非饱和土体中的水参与 冻胀作用的比例,得出非饱和冻土的融沉系数计算公式为: ωρ γα WC dr09.00 = (2-5) 式中: 0α —融沉系数;Cr—接触率; dγ —土的干容重;W—土的含水量; ωρ —水的 密度。 由公式 2-5 可以看出,在非饱和状态下,当接触率为定值,即含水率固定时,土体融 沉系数随干容重增大而增大。 27 在饱和状态,也有相应的公式: )1(09.00 s d γ γα −= (2-6) 式中: 0α —融沉系数;Cr—接触率; dγ —土的干容重; sγ —土粒的密度。 由公式 2-6 可以看出,在饱和状态下,当接触率为定值,即含水率固定时,融沉系数 随干容重增大而减小。 2.3.4 荷载对人工冻土融沉特性的影响 本文荷载对融沉系数影响的单因素试验采取了三种不同的试验方法:1)融前卸载方 式——试样冻结前加载压缩稳定,冻结时荷载保持不变,冻结结束后卸载,使试样在自重 作用下融沉(注:融沉系数计算时应减去卸载引起的回弹量);2)带载融沉方式——试样 冻结前加载压缩稳定,冻结时荷载保持不变,融沉时荷载保持不变;3)融后加载方式— —试样冻结前加载压缩稳定,冻结时荷载保持不变,融化前卸载,融化结束后再施加相同 大小的荷载进行压缩。 图 2-13 为融前卸载方式下融沉系数与上部荷载关系曲线KPa 时融沉系数随荷载变化较大,以后受荷载变化影响逐渐减弱,说明初期较小荷载对 土体融沉变形抑制作用较大。将图 2-13 数据回归,得回归关系式如表 2-10 所示,由回归 公式可以看出:融前卸载方式下,淤泥质粘土、粉质粘土和粉砂融沉系数随上部荷载增大 呈指数规律减小。 图 2-14 为带载融沉方式下融沉系数与上部荷载关系曲线。 曲线和回归公式表明,带载融沉方式下,淤泥质粘土、粉质粘土和粉砂融沉系数随上部荷 载增大而增大。 融后加载方式下荷载对融沉特性的影响试验采用淤泥质粘土进行,图 2-15 给出了淤 泥质粘土融后加载方式和带载融沉方式下融化沉降量与上部荷载的关系曲线 可见,融后加载方式下,最终融化沉降量随上部荷载增大而增大。 28 表 2-10 不同土质的融沉系数与上部荷载关系式(融前卸载方式) 土质 试验系统 关系式 相关系数R 参数 淤泥质粘土 封闭 pa 0158.00 exp1048.3 −= 0.9925 ω(24%),ρd(1.54 g/cm3 ) 粉质粘土 封闭 pa 0092.00 exp0512.3 −= 0.8025 ω(25),ρd(1.56 g /cm3 ) 粉砂 封闭 pa 0078.00 exp0059.1 −= 0.7565 ω(22),ρd(1.54 g/cm3 ) 表 1-11 不同土质的融沉系数与上部荷载关系式(带载融沉方式) 土质 试验系统 关系式 相关系数 参数 淤泥质黏土 封闭 3.363936.0ln769.10 +×= pa 0.9875 ω(24%),ρd(1.54 g/cm3 ) 粉质黏土 封闭 41.4057365.0ln944478.00 +×= pa 0.9649 ω(25),ρd(1.56 g /cm3 ) 粉砂 封闭 6184.10041.00 += pa 0.9423 ω(22),ρd(1.54 g/cm3 ) 将图 2-15 两条曲线对比可以看出,尽管两种情况的含水率、冷端温度、干密度、荷 载都相同,带载融沉方式的融化沉降量仍然大于融后加载方式的融化沉降量,说明如果在 29 融化过程中已有上覆荷载,则最终沉降量比融化后立即施加同样荷载要大。产生该现象的 原因在于非饱和悬浮状态下土颗粒容易进行调整。 2.3.5 融化温度对人工冻土融沉特性的影响 人工冻结法施工时,一般采用注浆充填法处理融沉,为解决由于自然解冻时间长,给 跟踪注浆带来的困难,可用冻结管作为解冻管,通过热水循环对冻土实施强制解冻,强制 解冻时的融化温度与自然解冻时差异较大,有必要研究融化温度对人工冻土融沉特性的影 响规律。本文融化温度对人工冻土融沉系数的影响试验采用重塑淤泥质粘土进行,对初始 含水率为 24%和 28%的试样进行单向冻结,然后在不同的融化温度下单向融化,试验结 果见图 2-16 和图 2-17。 图2-16 融沉量随时间变化曲线 18 21 24 27 30 时间(h) 融 沉 量 ( mm ) (24%,15度) (24%,30度) (24%,45度) (24%,70度) (28%,15度) (28%,30度) (28%,45度) (28%,70度) 图2-17 淤泥质粘土融沉系数与融化温度关系曲线 融化温度(oC) 融 沉 系 数 ( %) 含水率为24% 含水率为28% 由图 2-16、图 2-17 可见,试样在不同温度下融化,随温度升高,融沉速度加快,但 不同融化温度下的最终融沉量趋于一致。说明融化温度只影响融沉速度,对融沉系数的大 小没有影响。 由图 2-16 还可以看出,融沉过程可以分成 2 个沉降速度不同的阶段,前一段沉降速 度较快,后一段沉降速度变慢。原因是前一段的沉降为两种沉降的叠加:一是热融沉陷, 30 是土层热条件改变致使冻土层冰融化、体积减小及水的自由消散而产生的下沉变形;二是 压缩沉降,是土体经过冻融循环后压缩性增大,在自重作用下引起的附加压缩。当融化结 束后,由冰融化造成的体积减小消失,热融沉陷变小,沉降变形主要是在土体自重作用下 引起的附加压缩,因而沉降速度变慢。 2.3.6 冻结开放条件对人工冻土融沉特性的影响 图 2-18 为人工冻土不同冻结开放条件下融沉系数对比图。由图 2-18 可以看出,相同 条件下开敞型冻融时的融沉系数要大于封闭型冻融时的融沉系数,原因是开敞型冻结时外 部水分会向土体迁移积聚,冻结的水量大,融化时造成的体积减少多。 在图 2-18 中,第 4 组到第 7 组为粉砂试样,其他为粘性土试样,可以看出粉砂开敞 系统下融沉系数与封闭系统下融沉系数的差值最小,表明冻结开放条件变化对粉砂融沉系 数影响最小。原因是粉砂毛细现象不显著,开敞型冻结时水分迁移不强烈。 2.3.7 正交试验结果分析 表 3 给出了 3 种土质的冷端温度、含水率、干密度三因素三水平正交试验数据。 在正交试验结果分析中,极差大小反映了各因素对土体融沉系数的影响程度。对比 3 种土质的极差可以看出:含水率的极差远大于冷端温度和干密度的极差;同一因素粉砂的 极差远小于淤泥质粘土和粉质粘土。表明:含水率对土体融沉的影响较大;粉砂相对于淤 泥质粘土和粉质粘土,属于非冻胀融沉敏感土。因此,在工程实践中,可通过减少地层含 水率或采用换填砂土的办法来减小地层的融沉。 表 2-12 融沉正交试验数据表 试验 编号 冷端温 度 oc 含水 率% 干密度 g/cm3 融沉系数 % 试验 编号 冷端温 度 oc 含水 率% 干密度 g/cm3 融沉系数 % ZJ1 -5 18 1.40 0.46 ZJ15 -20 26 1.48 3.65 ZJ2 -5 22 1.48 1.31 ZJ16 -35 20 1.48 0.98 ZJ3 -5 26 1.56 6.29 ZJ17 -35 23 1.56 3.28 ZJ4 -15 18 1.56 0.40 ZJ18 -35 26 1.40 4.95 31 续表 2-12 试验 编号 冷端温 度 oc 含水 率% 干密度 g/cm3 融沉系数 % 试验 编号 冷端温 度 oc 含水 率% 干密度 g/cm3 融沉系数 % ZJ5 -15 22 1.40 1.48 R/ 0.50 2.96 0.96 ZJ6 -15 26 1.48 6.15 ZJ19 -5 18 1.40 0.71 ZJ7 -25 18 1.48 0.57 ZJ20 -5 22 1.48 1.29 ZJ8 -25 22 1.56 1.61 ZJ21 -5 26 1.56 2.11 ZJ9 -25 26 1.40 6.72 ZJ22 -15 18 1.56 1.02 R/ 0.30 5.91 0.21 ZJ23 -15 22 1.40 1.69 ZJ10 -5 20 1.40 1.33 ZJ24 -15 26 1.48 2.32 ZJ11 -5 23 1.48 2.69 ZJ25 -25 18 1.48 1.20 ZJ12 -5 26 1.56 3.70 ZJ26 -25 22 1.56 1.58 ZJ13 -20 20 1.56 1.10 ZJ27 -25 26 1.40 2.49 ZJ14 -20 23 1.40 3.92 R/ 0.38 1.13 0.06 注:ZJ1~9为淤泥质黏土,ZJ10~18 为粉质黏土,ZJ19~27 为粉砂。 2.3.8 原状土与重塑土对比 进行人工冻土冻胀融沉

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