（农业水土工程专业论文）冻土融化压缩特性的实验研究.pdf

摘要 冻土融化压缩性是冻土力学的重要特性之一。为了评价建筑区的工程地质条件 及建筑物的稳定性计算，我国的些科学工作者曾在多年冻土地区作了大量的试验 研究。在多年冻土区，融沉问题是冻害研究的主要内容；在季节冻土地区，为了防 治地基冻害问题，考虑最多的往往是冻胀问题，对融沉指标一般考虑的比较少，但 是根据调查冻害资料来看，融沉性在季节冻土地区的建筑物稳定性方面的应用仍然 具有积极的意义。 为了研究季节冻土区工业民用建筑的基础浅埋稳定性问题、特开展了有关季节 冻土的融化压缩特性的研究，先后在内蒙古农业大学三个比较典型的建筑地点取了 将近三百个试样，在室内进行试验，采取两种试验方法即先融化后压缩试验法和同 时融化压缩试验法，通过对这三个不同地点的两种不同的试验方法的试验结果进行 对比分行，分别绘制了融沉系数与冻土的含水( 冰) 量、干容重以及颗粒级配的关 系曲线；融化压缩系数与冻土的含水( 冰) 量、于容重以及颗粒级配的关系蓝线， 由试验结果发现冻土的融沉系数和融化压缩系数都与冻土的含水量呈正向相关关 系，可近似的用线性方程来表示；两种实验方法的总沉降量与冻土的含水量呈正向 相关关系，与冻土的干容重呈反向相关关系，也可以近似的用线性方程来表示。 关键词：季节冻土；融沉系数；融化压缩系数；先融化后压缩；同时融化压缩 s t u d yo nt h et h a w c o n s o l i d a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f f r o z e ns o i l s a b s t r a c t t h a wc o n s o l i d a t i o no ff r o z e ns o i l si so n eo ft h ei m p o r t a n tb e h a v i o r so ff r o z e ns o i l m e c h a n i c s i no r d e rt oe v a l u a t et h ee n g i n e e r i n gg e o l o g yf a c t o ra n dt h es t a b l ec a l c u l a t i o n f o rb u i l d i n g si nc o n s t r u c t i o na r e a s s o m es c i e n c ew o r k e r sh a v ed o n eal o to f e x p e r i m e n t a ls t u d yi np e r m a f r o s ta r e a si nc h i n a i np e r m a f r o s ta r e a s ，t h a w s e t t l e m e n t p r o b l e mi st h em a i nc o n t e n tf o rt h ef r o z e nh a r m f u l n e s ss t u d y ；i nt h es e a s o n a l l yf r o z e n s o i la r e a s f r o z e ne x p a n s i o np r o b l e mi sc o n s i d e r e dm o s ti no r d e rt op r e v e n ta n df a t h e rt h e f r o z e nh a r m f u l n e s sf o rt h eg r o u n d w o r k ，t h et h a w s e t t l e m e n ti n d e xi s t h o u g h tl i t t l e r e l a t i v e l y ，b u t i th a sb e e ni n v e s t i g a t e df r o mt h ed a t ao ff r o z e nh a r m f u l n e s s ，t h e t h a w s e t t l e m e n tb e h a v i o rs t i l lh a sa na c t i v ee f f e c t0 nt h ec o n s t r u c t i o ns t a b i l i t yi nt h e s e a s o n a l l yf r o z e ns o i la r e a s t h es t u d yo nt h et h a wc o n s o l i d a t i o nb e h a v i o ro ft h es e a s o n a l l yf r o z e ns o i li s d e v e l o p e di no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo ft h eg r o u n d w o r kf o rt h ei n d u s t r i a la n dc i v i l c o n s t r u c t i o ni ns e a s o n a l l yf r o z e ns o i la r e a so fh o h h o t t h e n , 3 0 0s a m p l e sa r et a k e nf r o m t h r e et y p i c a ls i t e si nh o h h o ta n dd o n ee x p e r i m e n ti nl a b o r a t o r y w h a t sm o r e ，t h e s e s a m p l e sr e p r e s e n tt h em o s ts o i lb e h a v i o ri nh o h h o t ，t y p i f i c a t i o ni sg u a r a n t e e d t w ot e s t m e t h o d sa r ee m p l o y e d ：o n ei s l o a d i n gt h es a m p l e sb e f o r et h a w i n g ，a n dt h eo t h e ri s l o a d i n gt h es a m p l e sa f t e rc o m p l e t e l yt h a w e d t h ec o e f f i c i e n to ft h a ws e t t l e m e n ta sa f u n c t i o no fg r a n u l e ，a saf u n c t i o no fw a t e r , a n da l s oa saf u n c t i o no fd r yd e n s i t ya r e p r o t r a c t e d ；b e s i d e s ，t h ec o n s o l i d a t i o nc o e f f i c i e n to ft h a w e ds a m p l e sa saf u n c t i o no f g r a n u l e ，a saf u n c t i o no fw a t e r , a n da saf u n c t i o no fd r yd e n s i t ya r ep r o t r a c t e d w ec a n d i s c o v e rf r o mt h et 、e s tr e s u l t st h a tt h et h a w - s e t t l e m e n tc o e f f i c i e n ta n dt h ec o n s o l i d a t i o n c o e f f i c i e n to ft h a w e ds a m p l e sa r em a i n l yr e l e v a n tt ot h eg r a n u l e ，d r yd e n s i t ya n dt h e w a t e rc o n t e n tt h e yh a v el i t t l et od o 诵t lt h eg e o l o g ya n dg e o g r a p h yf a c t o ro ft h ef r o z e n s o i l s k e yw o r d s ：t h a w i n g - s e t t l e m e n tc o e f f i c i e n t ；t h a w - c o n s o l i d a t i o nc o e f f i c i e n t ；l o a d i n g t h es a m p l ea f t e rt h a w i n g ；l o a d i n gt h es a m p l eb e f o r et h a w i n g d ir e c t d e db y ：p r o f s h e nx i a n g d o n g a o p i ic a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：li y o n g ( a g r i c u l t u r a lw a t e r - s o i le n g i n e e r i r i g ) ( c o l l e g eo f w a t e r c o n s e r v a n c ya n d c i v i l e n g i n e e r i n g ，i n n e r m o g o l i a a g r i c u l t u r e u n i v e r s i t y , h u h h o t 0 1 0 0 1 8 ，c h i n a ) 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 引言 1 1 选题意义 所有落地的建筑物工程都需要由地基提供稳定的支撑。地基要承受建筑物或构 筑物的自重和所有作用在建筑物上盼作用，而且不允许产生超过设计规定的变形( 沉 降量和倾斜度) 。因此，工程技术人员必须研究地基条件，并采取稳妥可靠的应对措 施。 冻土地基的特殊性和复杂性，根源于土层在冻、融状态中的物理力学性质有很 大差别，冻土层在冻结与解冻过程中会伴随程度不同的冻胀与融沉现象。冻土坚如 石，但它毕竟是土不是石，一旦地温升高冻土融化后，其承载能力和抗压缩性能将 随之下降，甚至还不如冻结前的土层。尤其是在某些因素的影响下，冻土地基中的 冻土层被部分融化或全部融化时，将产生相应的融沉变形，延续时间很长，变形量 很大，有时很难处理，甚至导致工程的失败。因此，在冻土区建设工程，既要防范 冻土层的冻胀问题，更要防范冻土层热融时的过大沉降和不均匀变形， 测量计算出冻土的融沉系数和融化压缩量是保证地基稳定的重要措施，对冻土 融化固结特性的研究就成为冻土力学研究的主要课题，其中包括冻土的融化下沉系 数、融化速率、压缩系数，以及它们与冻土基本物理指标间的关系等。建筑实践经 验告诉我们，融沉破坏是冻土区建筑物冻害的重要原因，对季节性冻土区工民建筑 物浅基础的实施，冻土融化下沉性则成为基础埋置深度设计的重要依据。 1 2 研究背景 1 2 1 冻土分布状况 冻土是地球系统五大圈层之一，即冰冻圈的重要组成部分，它覆盖了全球陆地 表面的很大面积。地球上陆地总面积为1 4 9 5 0 万平方公里，多年冻土占整个陆地面 积的2 5 ，约3 7 4 0 万平方公里，主要分布在环北极地区及中、低纬度的高山和高 原。而季节性冻土面积分布更广，约占1 0 3 5 0 万平方公里，占陆地总面积的6 5 。 我国的多年冻土面积约为2 1 1 万平方公里，占我国国土总面积的2 2 _ 3 ，在世界上 占第三位，主要分布在青藏高原、西部高山和东北大、小兴安岭。其中高海拔多年 冻土面积居世界之最，使我国高海拔多年冻土研究在国际上享有重要地位。而我国 季节性冻土面积约为51 4 万平方公里，约占国土总面积的5 3 5 。无论是多年冻土 还是季节性冻土，它所分布的范围是很广泛的，由此可见，对冻土的研究是一项非 常重要的课题。 1 2 2 国内外冻土研究状况 随着社会和经济的发展，处在高纬度的国家和地区都在积极的开发和利用冻土 地区的自然资源和能源。目前国外从事冻土研究的主要国家有苏联、美国、加拿大、 2 冻土融化压缩特性的实验研究 日本、瑞典、挪威、波兰、西德等国。苏联在冻土科学研究上占有重要的地位，主 要是因为苏联有着辽阔的冻土地带，其境内的多年冻土的面积就有1 0 5 0 万平方公 里，约占全国领土的一半，而季节性冻土几乎遍及全国各地。近年来为了加紧开发 北方、西伯利亚和远东自然资源和能源，建设工业、民用、交通运输综合体，开矿、 开采石油和天然气，架设管道，兴建大量寒冷地区工程，无一不涉及冻土，所以在 苏联冻土学更成为重要的研究课题。 由于苏联从事冻土研究的历史较长，研究的机构及规模比较完善和庞大，所以 在冻土研究方面处于领先地位。 苏联1 9 世纪末就认识到了研究冻土的重要性，而从1 9 2 7 年便开始系统的研究 冻土的性质了，2 0 世纪中期，基本概念、基本理论和研究方法已经逐步的建立起来， 到2 0 世纪中后期，广大学者开始广泛的研究冻土学，有关著作大量出现，著名的研 究者有：h a 崔托维奇、n i 布考夫、m h 苏姆金等。 世界上其它国家的冻土研究较苏联开始的晚，美国和瑞典2 0 世纪初期才初步的 展开了对冻土学的研究。加拿大研究员布络温( w gb r o w n ) 和约翰斯顿( gh j o h n s o n ) 发表了用简单热传导理论确定冻土融沉的方法。 我国对冻土的研究开始的较晚一些。中国科学院兰州冰川冻土研究所于1 9 6 5 年在青海省木里开展冻土融化下沉试验研究，相继又在青海省热水、将仓、青藏高 原风火山、大兴安岭满归和黑龙江省大庆等地以及实验室内开展了试验研究。铁道 部第三勘测设计院冻土队在大兴安岭地区( 崔成汗等，1 9 8 2 年) 、黑龙江省低温建 筑研究所在龙凤地区也开展过试验工作。与此同时，中国科学院兰州冰川冻土研究 所、铁道部第三勘测设计院、西北研究所、齐齐哈尔科学技术研究所、牙克石林业 设计研究院、兰州大学等单位开展了房屋、路基、管道、矿山、巷道的冻土地基融 化深度的计算、预报以及防治冻土融化的施工等研究。1 9 5 9 年哈尔滨建筑工程学院 曾提出过冻土在压力下融化时相对压缩的规程。1 9 7 9 年在水利电力部主持下，兰州 冰川冻土研究所负责制定了冻土融化下沉试验规程( 中华人民共和国水利电力部， 1 9 8 1 年) 。 1 2 3 冻土的概念、性质、特点和物理特性 1 2 3 1 冻土的概念 冻土是由内部互有联系的物质粒子组成的多成分和多相的复合体。它是含有冰 且温度低于土的起始冻结温度的土壤，由液态、固态、气态的水、空气及大小和形 状不同的固体矿物颗粒组成的多孑l 体，冻土的组成不仅包括固态的土粒子和将它们 冻结成岩石那么坚硬的冰，而且包括一定数量的未冻水和气体。 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 外部扩散层 土粒子 图1 土粒子与吸附水交接面上的电解分子作用示意图”1 1 2 3 2 冻土的基本成分及其特性 由于冻土是研究更为复杂的物质粒子的复合体，所以至少是四相体系的土力学， 即冻土的基本成分有四种： ( 1 ) 固态的土粒子 ( 2 ) 理想的塑性水( 胶结冰和冰夹层) ( 3 ) 土粒子周围的薄膜状吸附水及冻土内部的液态水或未冻水 ( 4 ) 气体与水蒸气。 上述四种相态和成分之间相互紧密联系，这种紧密联系既是出于各种成分的内 部特性，又是受外部因素不同程度的影响而形成的。 ， 冻土的特性既受土颗粒大小的强烈影响，也受土颗粒外行的影响。在外加负荷 作用下，转移到冻土上的内力大小根据土颗粒的形状而定。而冻土中矿物成分起的 作用是由土粒子粒面与周围介质( 空隙水) 之间维持化学键接的巨大能量所决定的， 冻土内部的冰是冻土中必不可少的成分，它使冻土具有饱凝冰晶体单矿式岩石的性 质。 即使在温度很低的情况下，冻土中依然存在未冻水，咀及它在外部干扰影响下 的变化在许多方面决定着冻土的物理力学性质。 4 冻土融化压缩特性的实验研究 冻土中的水汽在某些情况下具有重要意义，因为水汽总是从水汽压力高的地方 转移到低的地方，对于水分不饱和的冻土来说，这是温度变化和土壤冻结时水分再 分配的基本原因。 1 2 3 3 冻土的物理性质 如前所述，冻土是由固体土粒子、塑态冰、液态未冻水及气体这四种密切联系 的成分构成的复合物( 四种成分体系) 。因此，比重这样单种特征值只能确定单一成 分物体( 如整块的岩石) 的基本物理特性。两种成分系统( 无气体的土料) 需要有 两种指标来说明土的特性即比重和含水量。三种成分系统需要有三种特性指标， 即比重、容重和含水量。冻土则是固、塑、液、气四种成分的特殊系统，对它们最 少需要确定四种基本指标，以便由实验来鉴定它们的物理特性和状态。这四种物理 特性是： 1 非扰动的天然冻土的容重r ( g c m 3 ) 2 冻土的总含水量w d ( 包括水分的各种相态，以重量比表示) 3 冻土内部土粒子比重r s 。( g c m 3 ) 4 冻土内部未冻水含量w 。( 以重量比表示) 根据上述列举的这四种基本物理性质，我们就可以求算重量含冰量和体积含冰 量以及冻土内部各部分的重量含量：除这些以外，还可以冻土其它许多物理特性指 标，如：空隙系数，水饱和系数，冻土单位体积中所含气体体积。 1 2 4 冻土研究的具体内容 从工程物理学的观点看，以下几个方面作了大量研究： 1 研究各种类型土冻胀的规律性 2 确定土的冻胀敏感性 3 研究水分迁移定量分析方法 4 冻土中冰和未冻水之间的动态平衡 5 冻土力学特性的不稳定性 6 冻土融化时的构造不稳定性、压缩性和沉陷 7 研究冻胀长期预报和短期预报 8 定量研究建筑物基础上的冻胀力 9 研究建筑物抵御冻害的措施 根据近几年国际上关于冻土学方面发表的论文和研究的成就，可以显示出研究 的动向： 冻土的形成和发育的热能条件是冻土学的重要课题之一 冻土的物理和化学性质研究方面 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 冻土力学性质研究方面 综观近几年国际上冻土方面的研究成就，可以看到研究工作的广度和深度都有明显 的增长，对土的冻胀机理和多年冻土的发育过程进行深入的研究，研究领域正在向 分别以冻- f e 的生态平衡和冻土的物理性质为代表的宏观和微观方向发展，未来冻 土学的发展，必然要利用现代连续多相体及其相应学科所取得的最新成果，对正冻 结土、已冻结土和融化土受外部因素影响及其与建筑物相互作用下所发生的力学过 程及随时间的变化过程( 压缩、冻胀、强度和稳定性破坏) 和物理性质将有更深入 的研究。 1 2 5 预测冻土融沉系数和融化压缩系数的重要性 关于冻土融化期沉陷的研究，早在2 0 世纪3 0 年代就已经开始。当时，已经提 出了一种在特制设备里进行试验以便确定冻土在荷载下融化沉陷的方法，这种方法 有可能使我们单独求解融化土的总压缩沉陷量，但当时的这种方法的误差是比较大 的。 冻土中的热交换是冻土生存与消融最重要的因素。随着国民经济建设的发展， 改变了季节冻土区建筑物热量和地面条件，从而加速了冻土中热迁移过程，如果设 计不能预防在建筑物地基上产生的融化沉陷，而沉陷总量又超过了结构的允许极限， 那么，基础及其上部结构的不允许变形和毁坏则是不可避免的。 以往冻土上绝大部分建筑物的毁坏，确切的讲，就是因为在基土可能发生融化 的情况下，没有考虑到冻土地基沉陷这一事实，或者没有考虑到地基土的强度特性 剧烈变化所造成的沉陷，冻土在保持负温度时，它的设计强度约为5 0 m p a 2 0 0 m p a ， 可是在冻土融化存在时，它经历着向流体的部分转化，已无力承受建筑物施加给它 巨大的荷载，尤其是当冻土中含冰( 水) 量很高时，地基的承载力下降的更明显。 如果冻土的融化变形是由于冰胶结结构的剧变( 如雪崩一样) ，并且由于冻土内 部键接消失后发生局部塌陷( 例如，在加热炉、锅炉等局部热源的影响下) 而迅速 的发生，同时还有融土被挤出，那么，这种变形叫做凹陷。 但如果一般的压缩变形( 在不同的基础下，它可能是不同的) 发生在建筑物地 基的冻土融化层上，那么，这种变形叫沉陷。 冻土沉陷的程度及其随时间变化的趋势，不仅决定于冻土的特性( 结构、冰夹 层存在等) 与作用荷载，而且还决定于融化过程中土的温度变化情况。此外，冻土 在其自重的作用下，也将在融化时发生沉陷；因为在天然条件下，由于冻土在冻结 期变得疏松以及冰晶体连接( 或冰胶结连接) 的存在，冻土是未充分压实的。 6 冻土融化压缩特性的实验研究 1 3 论文研究的思路、内容和技术路线 1 3 1 论文研究思路 本论文研究的主旨是通过冻土融化压缩实验来确定冻土的融沉系数、融化压缩系数 和总沉降量分别与各影响因子的关系模型，采用先融化后压缩法和同时融化压缩法两种 试验方法，从内蒙古农业大学东西区建筑地基里选取了比较典型的3 0 0 个试样，在室内 进行试验，经过3 个月的时间，通过回归模拟，得出了融沉系数和融化压缩系数分别与 冻土含水量、干容重和颗粒级配的关系模型，并按照颗粒级配的规范要求，把冻土颗粒 分为6 个级配来分别研究和讨论，而且分别得出了对应颗粒级配的关系；通过回归模拟， 还得出了总沉降量分别与冻土含水量、干容重和压力的关系模型。在此基础上，运用融 沉系数、融化压缩系数和总沉降量的理论计算公式对上述模型的试验实测结果进行分 析、对比和验证，结果证明了试验数学模型的准确性、规范性和有效性，反过来也检验 了理论计算公式的可靠性和科学性。 1 3 2 论文研究内容 1 融沉系数与各影响因子的关系模型 2 融化压缩系数与各影响因子的关系模型 3 总沉降量与各影响因子的关系模型 4 用理论计算公式分别对融沉系数、融化压缩系数和总沉降量分别与各影响因子的 关系模型进行检验 5 对试验实测值和理论计算值的模拟结果进行误差分析 内蒙古农业大学硕士学位论文 7 1 3 3 论文研究技术路线 图2 论文技术路线 8 冻土融化压缩特性的实验研究 2 冻土融化压缩仪器设备的制作 2 1 概述 由于市场上没有出售冻土融化压缩实验仪器，所以只能根据它的实验原理以及 主要的技术要求来自己制作。本试验的目的是测定冻土的融沉系数和融化压缩系数， 本试验适用于各种粘性冻结土和粒径小于2 m m 的冻结砂性土，供冻土地基的融化与 压缩沉降计算用。 融沉的根本原因是冻土中的水、热质迁移引起的。土冻结过程中由于水分迁移 的原因，形成分凝冰，产生不同程度的冻胀变形。当土融化时，由于土中冰的融化 和一部分水从土中排出，使土体仅在自重作用下就产生下沉，这种现象称之为冻土 的融化下沉( 热融沉陷) ，简称融沉，这种融沉往往是不均匀的，具有突陷性质。 目前我们常用融沉系数a 0 来描述土的融沉性：而以融化压缩系数a 表示冻土融 化后在外荷载作用下的压缩变形。实际上空隙比的变化与外压力的关系是非线性的， 但在压力变化不大范围内，可以近似的看成直线关系，而以融化压缩系数表征其压 缩性的大小。 关于冻土的融沉和压缩的试验方法，从试验的周期和地点来看，有实验室试验 和原位测定两种。实验室方法进行的时间长，比较成熟。苏联1 9 7 5 年1 月1 日正式发 布了实验室测定冻土融沉和压缩系数的规程。而原位试验，因试验周期长，耗费较 大的人力物力，所以一般研究的比较少一些。从实验步骤的先后顺序来看，分两种 试验方法来进行： 2 1 1 先融化后压缩试验法 这种试验方法是比较普遍使用的一种室内试验法，这种试验方法是仅在自重作 用下使冻土试样完全融化的情况下，然后逐级施加外荷载，测定冻土试样的融沉系 数和融化压缩系数。从工程的角度来看，在夏末秋初之际，当开挖地基进行施工时， 浅埋基础是建立在已经融化了的土上面，这就等于在已融土的上面施加了外荷载， 为了比较准确的定量预报基础的下沉性，从而保证建筑物的稳定性，所以进行此项 试验。 2 1 2 同时融化压缩试验珐 这种试验方法使用的相对来说比较少，由于呼和浩特市季节冻土区的工业民用 建筑物大部分在地基土春融期间施工，基础下的残留冻土层则处于上部荷载作用下 融化，此时地基上的建筑物对地基施冻土层加了外荷载，也就是地基冻土层是在融 化和压缩下同时进行的，为了预报地基的下沉性，保证建筑物安全可靠的运行，特 进行同时融化压缩试验，以使建筑物的稳定性得到保证。 采用两种试验方法的目的是为了适应不同的工作条件，而且两种试验方法得出 的结果也可以相互对比和引用。 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 2 2 主要技术要求： 2 2 1 冻土融化压缩仪需要测的是冻土的融沉系数和融化压缩系数，这是实验的最 终目的。 2 2 2 仪器必须能完成其主要功能，即仪器必须能测量出冻土在自重下的融沉量和 在施加外荷载下已融土的压缩量。 2 2 3 在保证实现主要功能的前提下，仪器的结构应尽可能简单，操作方便。 2 2 4 试验误差尽可能小，而且测量精度较高。 2 2 5 为了保证试验过程中试样的单向融化，即从上而下的一维融化，在压缩仪周 围应装有保温层。 2 ，2 6 试样环内壁应光滑，以减少环壁摩擦的影响。 2 2 7 压缩仪和加压设备应定期率定，并绘制仪器变形量校正曲线或数字表备用， 2 3 需要的仪器设备 1 融化压缩仪，如图3 ： 1 加热传压板 5 试样环 2 热循环水入口 6 滤纸 圈3 融化压缩仪 3 透水石 7 导环 4 排水孔 8 保温套 1 0冻土融化压缩特性的实验研究 2 杠杆加压设备( 利用杠杆原理) 3 冻土取样设备( 环刀) 4 恒温供水设备( 用恒温淋浴器恒温，最小精度为1 ) 5 量表( 百分表) ，量程l o m m ，分度值0 o l m m 6 其它设备：烘箱、秒表、电子天平( 量程1 0 0 0 9 ，最小精度为o o l g ) 、修土刀、 铝盒等。 2 4 试验步骤： 分两种试验方法： ( 1 ) 先融化后压缩试验法： i 在试验前，先人工配制特定含水量的融土，立即放入负温恒温箱内进行冷冻。 2 在负温条件下，将人工配制的冻土试样及试样环( 直径为8 e m 、高4 c m ) 用 修土刀刮平两面，但不得用力往复刮抹土面，以免冻土的表面融化，称取试 样环加试样重，准确至0 o l g 3 在压缩仪容器内先放一块透水石，其上再放一张湿润滤纸，将试样及试样环 放在滤纸上，套上导环。在试样上面铺一张滤纸，放上透水石，然后放上加 热传压板。 4 恒温淋浴器内充满水，接通电源，温度控制在4 0 5 0 5 将压缩仪置于加压设备上，使刚球对正，安装量表，用杠杆在试样上施加l m p a 荷重，使压缩仪各部分紧密接触，此时调平加压杠杆，并使量表指针对 准0 刻度( 注意：量表是倒走的) 6 用胶管连通压缩仪加热水循环系统，开动恒温器开关，使热水循环。 7 试样融沉开始时即开动秒表计时，分别记录1 、2 、5 、1 0 、3 0 、6 0 分时的变 形量( 随时调整杠杆保持水平) ，以后每2 小时观测、记录一次，直到变形量 在2 4 , 时内小于0 0 5 r a m 时为止。 8 融沉稳定后，停止热水循环，并开始加荷进行压缩试验，加荷等级一般顺 序为5 、l o 、2 0 、4 0 、8 0 、m p a ，本次试验最大力a n 8 0 m p a ，每级加荷后， 按上条规定进行计时、观测与记录，直到是后一级荷载为止 9 试验结束后，立即卸去荷重，将压缩仪中的试样环和试样取出，测定试验后 的含水量。 内蒙古农业大学硕士学位论文 i i ( 2 ) 同时融化压缩试验法： 同时融化压缩试验法的试验步骤基本上和先融化后压缩试验法相同，只是在 第6 步骤后开始热水循环，并立即加压，开动秒表，分别记录1 、2 、5 、l o 、 3 0 、6 0 分时的变形量，以后每2 小时观测、记录一次，直到冻土完全融化并 且变形量在2 小时内小于0 0 5 r a m 时为止。 2 5 关于试样的制备 内蒙古农业大学东区季节冻结层内地基土的土性为亚粘土和轻质亚粘土，土质 比较均匀，含有较多的粉粒及细砂，根据颗粒分析资料表明，土体中小于2 m m 的 颗粒含量达4 0 - - - 6 0 ，塑限含水量平均为1 7 ，液限含水量平均为2 6 ，具有较 强的冻胀性。季节冻结深度一般为1 4 m ，冻土构造有两种：整体性构造和层状构造， 冻土含水量为：1 2 _ 4 8 。 实验室所采用的冻土试样有两种：即原状冻土和用扰动融土配制的冻土试样。 一般情况下应采用原状土。但没有条件采取原状冻土对，可采取融土扰动土样，根 据冻土天然构造及物理指标( 容重、含水量等) 进行配制。本试验采用的是扰动融 土配制的冻土试样。 原状冻土试样应根据建筑物对冻土地基的要求，按不同深度采取。由于冻土具 有明显的各向异性及分布不均匀性，一般都要求加密取样，并在土样上标明层位方 向。取样时，冻土土温一般控制在0 5 1 0 为好，因为土温太低往往造成脆性破 坏；太高时，即土温接近o c 时，冻土在取样时表面要发生局部融化。试样取出后 立即置于负温的保温瓶中，并送到负温恒温箱保存。 根据与原状冻土相同的土质、含水量的扰动土制成的冻土试样进行对比试验说 明，扰动土的融沉系数小于原状土的融沉系数，其差值一般均小于5 ，因此，在 没有条件采取原状冻土试样的情况下，采用扰动融土配制试样( 人工回冻) 进行融 化压缩实验时，其a 0 值应作适当的修正。 2 6 试验方法中几个问题的说明 为了模拟天然冻土的融化过程，在试验过程中必须保持自上而下的单向融化， 为此，实验室内除用单向加热使试样产生自上而下融化外，还必须避免侧向传热而 造成试样的侧向融化问题。因此，试验容器均需用坚固的非金属( 胶木、有机玻璃 等) 材料加工制造，以防止侧向传热。同时应尽可能在o = c 附近的环境中进行试验， 由于没有条件得到胶木或有机玻璃制成的试样容器，所以在常温下采用保温材料进 行保温，在天气比较寒冷时，也可以把试验装置搬到窗户附近进行试验，同时用温 度计测量窗户附近的气温，以便调节环境温度，使其在o c 附近，以保证试样的单 向融化。 12 冻土融化压缩特性的实验研究 采用的冻土试验的试样为圆柱形，其尺寸高度h 与直径d 之比即h ，d 1 ，2 ， 最小直径采用5 c m ，对于不均匀层状和网状构造的粘性土，则根据其构造情况加大 直径即h ，d = 1 3 1 5 。考虑到冻土融化压缩室内试验只适用于粒径小于2 m m 的土，又因为此试验仪器是由常规的固结仪改装，其试样尺寸应尽量接近常规的固 结仪。因此，冻土试样直径采用8 e r a ，高度采用4 c m ，高度与直径之比为l ：2 。 试验中当融化速度超过天然条件下的排水速度时，融化土层不能及时排水，使 融化下沉产生滞后现象。当遇到试样土层含冰( 水) 量较大时，融化速度过快，土 体常产生崩解现象，使土颗粒与水分一起挤出，使试验失败或a 0 值偏大。不论室内 外，融化速度均用水温来控制，一般情况下，实验室试验水温控制在4 0 5 0 。c 。 当土层含冰( 水) 量较大时，可以适当降低水温：试验环境温度较高时，水温也要 适当降低。总之，实验室内控制在2 小时内使4 c m 高的土层完全融化。 测定a 0 值时，规定预加荷载1m p a ，这主要考虑到土与仪器壁存在摩擦，冻土 在融化过程中，有时单靠自重沉陷是困难的，所以施加很小的荷载后，融化固结能 进行的较侠些，而又不至于对已融化土骨架产生过大的压密，而且对a o 值的影响 很小。 2 7 融沉系数和融化压缩系数的试验计算公式 2 7 1 按下式计算融沉系数。”( ) ： a o = a h h + 1 0 0( 1 ) 式中：h 一冻土试样高度( c m ) h = 4 c m a h 冻土试样融化下沉量( e r a ) 2 7 2按下式计算融化压缩系数“”( m p a l ) a = ( ( s + 1 一s 。) h ) ，( p n + l p 。)( 2 ) 式中： s n + l 、s 。分别为在p 。+ l 和p 。级荷载作用下的变形量( e r a ) p 。+ l 、p 。一各级荷载，m p a h 一冻土试样高度( c m l 2 8 融沉系数a 。、融化压缩系数a 和总沉降量的理论计算公式 2 8 1 融沉系数a 。的理论计算公式。” 引进接触率c ，来反映非饱和土体中水参与冻胀作用时的比例，定义在饱和状 态下( w 3 3 3 两种试验方法总沉降量与压力关系 通过对将近3 0 0 个冻土试样进行试验与观测，并对试验数据进行处理分析，可 得出两种试验方法总沉降量与压力的关系试验结果，见表1 9 。 表1 9 两种试验方法总沉降量与压力关系试验结果 两种试验方法总沉降量与压力关系见图2 2 圈2 2 总沉降量与压力关系 由上述试验结果可知，两种试验方法的总沉降量都是随着压力的增大而逐渐增 大，在压力为5 1 5 m p a 时总沉降量急剧酶增大，在压力大于1 5 m p a 时曲线趋于平 内蒙古农业大学硕士学位论文 4 9 缓，而同时融化压缩试验法的总沉降量( 在相同压力的情况下) 要比先融化后压缩 法的大一些，两者的差值是随着压力的增大而逐渐增大，两种试验方法的差值最大 约是3r n n l ( 在压力为3 0 m p a 下) ，两种试验方法的总沉降量与压力关系的线性方程 分别为： 先融化后压缩试验法： h ( t ) a = 5 6 5 2 2 l n ( p ) 6 2 11 4 ( 8 2 ) 相关系数：p 2 = o 9 5 2 6 同时融化压缩试验法： h c t ) s 2 6 4 11 3 l n ( p ) - 6 2 6 5 4 r 8 3 ) 相关系数：r 2 = o 9 5 2 9 工程设计时，可按下列方程求得修正系数： k 1 9 = o 7 5 9 1 l n ( p ) 一o 0 5 4( 8 4 ) h ( t ) b2h(t)a+k19(85) 3 4 冻土融化下沉性的分类： 吴紫汪( 1 9 8 2 ) 根据冻土地区的冻土融化压缩试验资料，对工程地区的冻土融 沉指标进行了分类：共分为5 类，即不融沉、弱融沉、融沉、强融沉、融陷。以融 沉系数a 0 作为分类指标，其相应的界限值为：小于1 ，1 5 ，5 1 0 ， l o 一2 5 大于2 5 由大量试验结果可知：内蒙古农业大学季节性冻土区的融沉系数大部分为5 2 5 可见该地区的融沉指标为融沉和强融沉，因此，工程技术人员在研究该地区地 质条件时，必须采取稳妥可靠的应对措施来保证地基的稳定性。 3 5 试验过程中存在的问题以及回归模型的缺点 3 5 1 冻土试样难以保证与模具完全合一，试样中的大颗粒砂土分布不均匀，导致 融化下沉的不均匀性。 3 5 2 热水的水流速度不稳定，导致融化下沉的不均匀，由于输送热水的塑料管的 散热，使水温难以控制在4 0 - 5 0 c 之间，透水石与环刀壁之间存在着摩擦， 也影响冻土下沉的均匀性。 3 5 3 冻土试样在冷冻箱内冻结的时间长短也可能对冻土的下沉性有一定的影响 5 0 冻土融化压缩特性的实验研究 3 5 4 所建立的回归模型都是比较单一的函数关系，比如说融沉系数只是分别与含 水量或干容重的关系，而不是与二者的组合关系，只知道融沉系数与含水量成 正向相关关系，与干容重成反向相关关系，没有综合考虑二者的关系， 3 5 5 当配置的冻土试样的含水量比较高时，导致试样内部的含水量分布不均匀， 试样上部的含水量较小，而下部的含水量较大，从而使得试样下沉不均匀，由 于试样从上往下单向融化，所以开始试样可能下沉的比较缓慢，而后来较快一 些，从而影响试样的融沉系数。 3 6 小结 冻土融化压缩性的研究主要集中于一维情况下的冻土融沉系数和己融土压缩系 数与土的粒度成分，含水量和干容重之间关系的研究。 通过大量的实验室所获得资料发现，冻土的融沉系数和融化压缩系数主要是冻 土的固体颗粒、冰和未冻水之间的组合关系的函数，而与冻土分布的地质、地理因 素关系很小。 还要指出，有关融化土压缩的研究结果，不仅能详细的推导出在地基土融化层 中基础最终稳定沉陷的计算方法，而且在融化沉陷随时问变化的预测方法上，也 有了细致的改进。 4 试验实测值和理论计算值的对比检验 由于先融化后压缩这种试验方法使用的比较普遍，而同时融化压缩法的试验结 果又可以从先融化后压缩法的试验结果经修正后得到，所以本试验只需把先融化后 压缩法的试验结果和理论计算结果进行对比检验即可，如果先融化后压缩法与理论 计算结果相吻合，或者比较接近，那么同时融化压缩法的试验结果与理论计算结果 也相吻合或者比较接近。 4 1 融沉系数和各影响因子关系实测值与理论计算值的对比检验 4 1 1 融沉系数和含水量关系实测值与理论计算值的对比检验 寰2 0融沉系数和含水量关系实铡值与理论计算值的对比检验结果 试验时间含水量( )干容重( g c m 3 ) 实测值理论值 5 7 1 1 1 3 1 0 5 1 1 0 1 2 0 1 | 2 5 3 5 0 34 5 7 0 3 75 0 4 0 0 6 5 5 8 o o 9 0 0 5 5 5 5 孓 如 如 如 如瑚即瑚瑚 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 1 1 2 0 0 1 2 5 5 1 6 5 0 1 7 0 0 2 0 0 0 2 2 0 0 2 4 0 0 2 6 8 5 融沉系数和含水量关系实测值与理论计算值的对比检验结果见图2 3 蘸7 i 嫠坫i 0 图2 3 融沉系数和含水量关系实测值与理论计算值的对比检验结果 从上图2 3 可以看出融沉系数与含水量关系的试验实测值和理论计算值总体上 来说比较接近，从总体上来看，理论计算值的融沉系数要大于实测值的，曲线在 含水量为2 0 和2 5 时，理论计算值和实测值有2 个明显的交叉点，此时理论值和 实测值的融沉系数相等，而且理论计算值的融沉系数也是随着含水量的增大而增 大，可见两种不同计算方法的对比检验结果是比较令人满意的，在建筑物的基础设 计计算方面，两种计算方法也可以相互对比引用。 4 1 2 融沉系数和干容重关系实测值与理论计算值的对比检验 叫竹如如虻 h m 引”弘如巧酊：盆 拇笛凹” 6 6 6 6 7 7 7 7 - 一 - _ - 1 3 3 3 3 3 3 3 3 o o o o o 0 o 0 m 5 5 5 5 5 5 5 5 ： o o o o 0 o 0 o 表加加加加加如加加 冻土融化压缩特性的实验研究 表2 l融沉系数和干容重关系实铡值与理论计算值的对比检验结果 融沉系数和于容重关系实测值与理论计算值的对比检验结果见图2 4 图2 4 融沉系数和干窖重关系实潮值与理论计算值的对比检验结果 从上图2 4 可以看出融沉系数与干容重关系的试验实测值和理论计算值总体上 内蒙古农业大学硕士学位论文5 3 来说比较接近，理论计算值的融沉系数基本上都大于实测值的，而且理论计算值的 融沉系数也是随着干容重的增大而减小，可见两种不同计算方法的对比检验结果是 令人满意的，在建筑物的基础计算方面，两种计算方法也可以相互对比引用。 4 l3 融沉系数和颗粒级配关系实测值与理论计算值的对比检验 4 1 3 1 融沉系数和小于0 0 5 m m 颗粒含量关系实测值与理论计算值的对比检验 表2 2 融沉系数和小于o 0 f r o m 颗粒含量关系实铡值与理论计算值的对比检验结果： 试验时间含水量( ) 干容重( g c m 3 ) 小于0 0 5m i l l 颗粒含量( ) 实测值理论值 融沉系数和小于0 0 5 m m 颗粒含量关系实测值与理论值的对比检验结果见图2 5 4 1 3 2 融沉系数和0 0 5 一o 0 7 5 m m 颗粒含量关系实测值与理论计算值的对比检验 表2 3 融沉系数和0 0 5 0 0 7 5 m m 颗粒古量关系实测值与理论计算值的对比检验结果： 试验时间含水量( )干容重( g l c m 3 ) 0 0 5 0 0 7 5 r a m 颗粒含量( )实测值理论值 2 0 0 5 0 3 2 3 2 0 0 5 0 3 2 3 2 0 0 5 0 3 - 2 3 2 0 0 5 0 3 - 2 3 2 0 0 5 - 0 3 - 2 4 2 0 0 5 0 3 2 4 2 0 0 5 0 3 2 4 2 0 0 5 0 3 - 2 4 2 0 0 5 0 3 - 2 4 融沉系数和0 0 5 0 0 7 5 1 r t m 颗粒含量关系实测值与理论计算值的对比检验结果见图2 5 0 0帖 ：3 如m 垤愀扭 孔 a 扭 9 6 0鲒弛=2以弛：2 m 限拢 强 擅 珐 ，9 bn笛凹驺”：宝：2巧弱稻铬：会跖 ；9 b扒筋凹驺” 冻土融化压缩特性舯实验研究 4 1 3 3 融沉系数和0 0 7 5 - 0 2 5 r a m 颗粒含量关系实测值与理论计算值的对比检验 表2 4融沉系数和o 0 7 5 - 0 2 5 衄颗粒含量关系实测值与理论计算值的对比检验结果 试验时间含水量( )干容重( g c m 3 ) 0 0 7 5 0 2 5 m m 颗粒含量“)实测值理论值 融沉系数和0 0 7 5 0 2 5 r a m 颗粒含量关系实测值与理论计算值的对比检验结果见图2 5 4 i 3 4 融沉系数和