降温速率对冻土性质的影响研究

摘要：降温速率是冻土破坏影响因素之一，严重影响着季节性冻土地区构筑物的正常使用性能。深入研究降温速率对冻土的性质影响，对季冻区构筑物建设及维护无疑具有重大意义。

本文通过低温试验箱模拟季节性冻土地区气温，分析粘土在不同降温速率条件下的冻胀，对粘土的自由膨胀率、无侧限抗压试验进行了研究和总结。研究表明：冻土抗压强度和自由膨胀率均随降温速率的增加呈增大趋势，同时建立了冻土抗压强度和降温速率的数学模型。

关键词：季节性冻土 降温速率 自由膨胀率 抗压强度

1本文的主要内容

本文在前人的大量相关试验总结的基础上，结合室内试验系统分析降温速率对冻土性质的影响。主要研究内容如下：

（1）室内低温试验箱模拟季冻区，测定粘性土在不同降温速率情况下的自由膨胀率；

（2）利用无侧限压缩试验系统对冻土进行的抗压强度试验，来确定粘土的最大抗压力；

（3）建立室内冻土抗压强度和降温速率的数学模型。

2. 季节性冻土的冻胀机理及力学特性

2.1 季节性冻土的冻胀机理

在季节性冻土区及多年冻土区，冻胀、融沉等冻害严重威胁浅基础构筑 （建） 物的安全，冻胀机理包括两方面研究：水分迁移和成冰作用。土体的冻胀主要指水分迁移引起的，土体冻胀量急剧增大的主要原因是土体冻结锋面前线吸收了外界迁移来的水分冻结形成冰聚合体。

在不同的初始和边界条件下，土水势梯度可分别由重力势、压力势、渗压势、温度势、电力势和磁力势梯度中某一项或某几项之和组成。假定土体处于理想状态，不受其他因素影响，只受温度势。通过公式q=Kw*dP/dZ （Kw—冻土的导湿系数；dP/dZ—土水势梯度）可以看出：水分迁移通量跟土水势梯度成正比关系（冻土的导湿系数是常量），土水势梯度也只有温度势。

2.2 季节性冻土的力学特性

（1）季节性冻土的体积膨胀

冰是冻土中不可缺少的组成部分，它决定着冻土的结构构造及物理化学与力学性质。当大量的水分从液相转变为固相时，土便发生冻胀；冻胀是土在冻结过程中，土中水分（包括土体孔隙中原有水分以及从外部迁移到土体中的水分）转化为冰，引起土颗粒间的相对位移，使土体体积产生膨胀、土表升高。如果土体在冻结过程中均匀膨胀、在融化过程中均匀下沉并且是基本等量的，这种过程称为土的冻融脉动。如果脉动的幅度不超过建筑物的承受能力，它就对建筑物没有很大的危害。但是冻胀一般都是不均匀的，不均匀而且巨量的冻胀将导致建筑物的破坏。

（2）季节性冻土的抗压强度

冻土的抗压强度与温度和含水量关系密切。温度越低，冻土的抗压强度越大。随着含水量增大，起胶结作用的冰也越多，强度有所增大。但当含水量超过某一定值时，含水量的进一步增大导致冻土的抗压强度降低，最后趋于一定值。

3.降温速率对冻土性质的研究

3.1 原材料及其技术指标

试验土样取自呼和浩特的土场，颜色为暗红色，土样干燥，为方便控制试验条件和结果分析，对原始土样进行了初筛，除掉粒径大于4.75mm（方孔筛）的部分，保留4.75mm以下的所有部分，作为本次试验土样。

土样的物理性质：湿密度为2.507g/cm3，干密度为2.133 g/cm3 ，液限为52.29%，塑限为22.75%，塑性指数29.54%，最佳含水率为15.3%，最大干密度为1.808 g/cm3。其主要试验如下：

（一）含水率是土的基本指标之一，它反映土的状态，它的变化将使土的一系列力学性质随之而异；它又是计算土的干密度、孔隙比、饱和度等项指标的依据，是检测土工构筑物施工质量的重要指标。

（二）密度是土的基本物理指标之一，用它可以换算土的干密度、孔隙比、空隙率、饱和度等指标。无论在室内试验或野外勘测以及施工质量控制中，均须测定密度。环刀法只能用于测定不含砾石颗粒的细粒土的密度。

（三）击实仪法是用锤击使土的密度增大，目的是在室内利用击实仪，测定土样在一定击实功能作用下达到最大密度时的含水率（最佳含水率）和此时的干密度（最大干密度），借以了解土的压实特性，作为选择填土密度、施工方法、机械碾压或夯实次数以及压实工具等的重要依据。

3.2室内相关试验及数据分析

以呼和浩特的粘土为研究对象，采用最大干密度、最佳含水率、标准压实度前提下，在不同降温速率的情况下，分别进行了自由膨胀率、无侧限压缩等一系列试验，在试验结果的基础上，来确定降温速率对冻土性质的影响变化规律。

试验环境：力学试验过程在低温室内模拟完成。

3.2.2室内冻土相关试验及数据分析

（一）测定自由膨胀率

土体不均匀冻胀变形是寒区工程大量破坏的重要因素。因此，各项工程开展之前，必须对工程所在地区的土体作出冻胀性评价，以便采取相应的措施，确保工程构筑物的安全可靠。土体膨胀变形是造成冻涨率的因素之一。

自由膨胀率随降温速率的增快而呈增大趋势。但是降温速率快且冷却强度很大时，土中的弱结合水来不及向冻结区迁移就在原地冻结成冰，毛细通道也被冰晶体所阻塞，这样水分的迁移和积聚发生比较缓慢，因此冻土的自由膨胀率幅度比较小；如降温速率缓慢下降冷却强度小，但负温持续时间长，就能促进未冻区水分不断地向冻结区迁移积聚，使冻土的自由膨胀率幅度大。

（二）无侧限压缩试验

土的抗压强度是指土体抵抗压力破坏的极限能力，是土的重要力学性质之一。在工程实践中常常需要计算地基的承载力，评价地基稳定性、以及计算挡土墙土压力，这些都要都要用到土的抗压强度指标，对土抗压强度的影响的研究不仅对冻土力学的发展具有一定促进作用，同时也对寒区的工程设计、施工和管理具有重要的现实意义。由于同一种土在不同试验条件下，测得的试验结果往往差别很大。

抗压强度也随降温速率的增快而增大。这说明在其它条件相同时，降温速率越快，相同时间内温度下降幅度也越大，土体外部的水向土体迁移积聚量多，起胶结作用的冰也越多，冻土的抗压强度就越大。抗压强度与降温速率的数学模型为：

4. 结论

本文从季节性冻土冻胀机理及其特性研究出发，深入研究降温速率对冻土工程性质的影响。结合室内模拟试验数据，将降温速率对冻土工程性质的影响进行研究，通过在不同降温速率条件下，对粘性土冻土的自由膨胀率、无侧限抗压试验进行了系统地研究和总结，对降温速率对冻土性质的影响有了较为清楚的认识，进行了详细的总结，得出了的结论如下：

（1）自由膨胀率随降温速率的增快而增大。当降温速率快时，冻土的自由膨胀率幅度比较小；如降温速率缓慢下降时，冻土的自由膨胀率幅度比较大。

（2）抗压强度也随降温速率的增快而增大。这说明在其它条件相同时，降温速率越快，相同时间内温度下降幅度也越大，土体外部的水向土体迁移积聚量多，起胶结作用的冰也越多，冻土的抗压强度就越大。

（3）抗压强度与降温速率的数学模型为：