张世银 汪仁和
(安徽理工大学土木工程系)
摘 要 通过对不同含水量、不同土样的冻胀试验,得出土壤的冻胀特性与土的含水量、饱和度、塑性指 数、冻结温度的关系,并进行深入地分析探讨。
关键词 冻胀 含水量 塑性指数 冻结温度
冻结法施工是岩土工程中的一种特殊有效的施工方法,这种方法首先应用在煤矿凿井,目前已在城建、地铁、桥墩锚锭等工程中应用,并掌握了一定的冻结特性和取得了许多成功的经验。但人工冻结法在岩土工程中应用时,会出现冻胀和融沉现象,这些现象将对工程和环境带来不利的影响,在煤矿冻结法施工中,冻胀会造成冻结管断裂,如谢桥矿井筒在冻结段施工中,冻胀引起冻结管断裂造成淹井,同时岩土的冻胀会危害到附近管线及建筑物的安全。所以掌握不同的土层以及相同的土层、不同的含水量所形成的冻胀特性,对人工冻结土的进一步安全应用具有实际意义[1,2]。
1 冻胀特性试验内容与方法
(1)土样采用不同的粘土层和砂层进行试验,试验严格执行《土工试验方法标准》G B/T50123-1999标准,了解掌握冻胀与土样本身以及各种土样与含水量之间的关系[3]。
(2)取相同土样、相同含水量在不同的温度状态下以及相同的土样在不同的含水量状态下进行试验,试验时密封试样,使试样与大气隔绝,以免水份进入试样而引起含水量增大。以求冻胀在不同的温度和不同含水量的状态下而变化的规律。
(3)采用粘土、粘土质砂、砂土等不同的土样经烘至恒重后再进行人工冻结,视其在干燥状态下是否存在冻胀。
2 试验结果分析
2.1 试验结果
根据以上试验方法试验结果如表1～3。
2.2 试验结果分析
(1)冻胀量与含水量的关系:由试验结果表明
表1 不同土样的冻胀率
土样
含水量
/(%)
饱和度
/(%)
塑限
/(%)
液限
/(%)
塑性
指数
冻胀率
/(%)粘土19.4397254520 6.3粘土22.639621.540.519 6.粘土26.9710018.538.520 6.68砂质粘土22.311002551267..51粘土22.821002754277.8
中粗砂14.8581 4.细砂18.03 5.08
表2 相同土样不同含水量的冻胀率
土样含水量/(%)冻胀率/(%)
砂质粘土5 1.3
砂质粘土10 1.6
砂质粘土12 1.7
砂质粘土17 2.6
砂质粘土20 2.8
砂质粘土25 3.9
砂质粘土30 4.6
砂质粘土34 5.3
表3 相同土样不同温度的冻胀率
温度/(℃)冻胀率/(%)冻胀增量
100
-5 1.6 1.6
-10 2.10.5
-15 2.130.03
-20 2.140.01
(表2、图1),冻胀量与土样的含水量的关系特别明显,冻胀量随着土样含水量的增大而增大[4]。这是因为土中的水结冰膨胀,推动土颗粒重新排列,结果是增大了土中的孔隙。土中的水量越大,水结冰膨胀的体积越大,土体的冻胀量也越大。
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检测与分析GEOT ECH NICA L E NGI NEERI NG WOR LD VO L.7 No.2
图1 砂质粘土不同含水率的冻胀率曲线
(2)冻胀量与液限含水量、塑性指数的关系:试验表明,冻胀量随着液限含水量、塑性指数的增大而有增大的趋势(图2)。而塑性指数与土的颗粒组成、土粒的矿物成份以及土中水的离子成份和浓度等因素有关。塑性指数越大表明土粒越细,且细粘粒的含量也越高,则其比表面积和可能的结合水含量也高,同时粘土矿物可能具有的结合水含量也大,反离子层中的低价阳离了可能也大。由于其多种原因,致使冻胀量也大
。
图2 冻胀与塑性指数关系曲线
(3)冻胀量与土样饱和度的关系:冻胀量与饱和
度成正比,因为未饱和的土,其中有一部分孔隙未被水充填,这部分孔隙可以被水结冰膨胀的冰体和重新排列的土颗粒所充填。而饱和土,没有这部分空隙,只有向外扩展,所以冻胀量也较大,见表1。(4)土样与冻结温度的关系:土样由常温降到-5℃时,冻胀非常明显,随着温度的降低,冻胀发展缓
慢,温度降低到一定值时,冻胀不甚明显。这是由于粘土层中存在着强结合水、弱结合水、毛细水和自由水,其冰点各不相同,土样由常温到-5℃时,土中的自由水和毛细水基本结成冰,而这两种水在土中占绝大多数,所以冻胀比较明显。随着温度的不断下降,自由水和毛细水已绝大部分结成冰,以后冻胀缓慢。-15℃至-20℃以后,土中只有结合水是未冻水,这时虽然有部分未冻水结成冰,但量很少,所以
冻胀不明显(表3、图3)。
(5)冻胀量与不同土层之间的关系:粘土的冻胀
量一般高于砂土,钙质粘土高于一般粘土,见表1。在淮南谢桥矿付井的冻结段断管淹井事故中,断管位置即位于厚约15m 的粘土层中,该层粘土细腻致密,含水量为23%。
虽然造成冻结管断裂的原因
图3 相同土样不同温度的冻胀率曲线
很多,但这厚层粘土的冻胀量比上下砂层的冻胀量大也是造成冻结管断裂的因素之一。
(6)土样在干燥状态下的冻胀量:把不同的土样烘至恒重后再进行冻结,冻结时试样不与水份接触,发现冻结后不发生冻胀或冻胀量很小,如表4。从这里可以看出,土的冻胀最根本的原因是水在起作用,水与不同的土层结合,就会产生不同的冻胀率。
表4 干土的冻胀率
土样含水量/(%)
冻胀率/(%)
粘土
00.03粘土质砂00中粗砂
3 结 语
由以上分析可以得出土层的冻胀具有如下性质:
(1)冻胀量随着土层的含水量、饱和度、液限含
水量的增大而增大,其中影响最大的是土中的含水量大小。
(2)粘土的冻胀量大于砂土,钙质粘土大于一般粘土。
(3)温度下降到-5℃以后,冻胀量不甚明显。(4)土样在干燥状态下不发生冻胀或冻胀量很小。
参
考文献
[1] 汪仁和等.冻融土工程特性的试验研究.淮南工业学院学报,
2001,21.
[2] 罗小刚等.冻融对土工参数影响的试验研究.建井技术,
2000,22.
[3] 《土工试验方法标准》G B/T 50123-1999北京:计划出版社.[4] 徐学祖等.土体冻结和冻胀研究的新进展.冰川冻土,1997,
19.
第一作者通讯地址:安徽省淮南市安徽理工大学土木工程系邮编:232001
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7岩土工程界 第7卷 第2期
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