季节性冻土的冻胀试验系统及应用

邢 爽，单 良，刘少洋，姜智文

(1.东北电力大学建筑工程学院，吉林 吉林 132012;2.吉林省电力勘测设计院，吉林 长春 130022;3.吉林省电力有限公司白山供电公司，吉林 白山 134300)

基础的冻胀破坏是季节性冻土地区常见的结构破坏形式，容易导致路面的开裂、突起、沉陷，挡土墙倒塌，构筑物冻拔等破坏现象。另外，大型冷库、液化气地下存储罐等由于人工制冷而产生冻胀破坏的案例也时有发生。每年因为土的冻胀破坏带来的损失无法计算。冻胀问题严重困扰着严寒地区冻土地基上构筑物的应用，对冻土的冻胀机理、影响冻胀的因素进行研究，掌握其规律，为预防和治理结构物的冻胀破坏提出可行性建议，解决长期以来困扰我国广大冻土地区结构冻胀破坏难题，减少冻胀破坏带来的经济损失，具有十分重要的意义[1，2]。

为研究土的冻胀机理和影响冻胀的因素，本文在介绍季节性冻土冻胀试验系统的基础上，利用该测量系统对一个冻融周期的气温、土温、冻深、冻胀位移、冻胀力进行长期观测，研究冻融周期内冻胀参数的变化过程。

1 冻胀试验系统

冻胀试验场地位于日本北海道北见工业大学内，建于2003年6月，冻胀试验用的基坑尺寸为3940 mm×3640 mm×700 mm(深)，基坑开挖时，在地下2 m处设置钢筋混凝土锚，如图1所示，尺寸为600 mm×3200 mm×500 mm，并预埋地脚螺栓，以便在基坑上方设置反力臂，用以测量试样的冻胀量、冻胀力，从而使反力梁不受试样土体冻胀的影响，用作测量冻胀位移的参照物，并为测量冻胀力提供反力支撑，见图2[3]。下面就土的冻深、土温、气温、冻胀位移、冻胀力等冻胀参数的测量方法及仪器进行描述。

1.1 冻结深度

本试验利用亚甲蓝冻结深度计，测量土的冻结深度，见图3。在向冻胀基坑填入试样时，将该冻结深度计垂直埋入试样中，并将仪器的上端露出。仪器内管可以从外管中抽出，内管上标有刻度，由于亚甲蓝溶液冻结会变白，因此可以通过读取内管上端亚甲蓝变白部分的长度，得到冻土深度。

1.2 土温

取约110 cm长的PVC管，下端封口，在管壁外侧每隔10 cm粘贴一个热点偶，共11个，埋入待测试验土样中，使第一个热电偶与地面持平，管内填满标准砂，以防止PVC管内空气对流，影响土温度的测量精度。这样，一根PVC管上的热电偶可以测得地表、地表下10 cm、20 cm～100 cm处的土温，见图4。每隔半小时，利用计算机自动读取土温数据。

1.3 气温

在距离地面1.3m处设置百叶箱，百叶箱内放置热电偶，通过数据线与试验场地附近屋内计算机相连，大气温度数据由计算机每隔一定时间自动读取。

1.4 冻胀位移

土的冻胀位移利用钢尺人工测量，在基坑两端的反力梁上标记符号，测量时拉紧细线，并将细线两端置于反力梁上表面标记处，从而以该线为标准测量土的冻胀位移，见图5。试验土样表面设置冻土盘，每次测量时，以冻土盘的上表面为基准进行冻胀位移的测量。

1.5 冻胀力

土的冻胀力的测量装置见图6，在原状土表面与反力梁间设置压力计，利用螺栓调节压力计的高度，旋转螺栓的螺母正好贴紧反力梁，并观察计算机显示的压力值，在压力值正好超过零时，停止旋转螺母。在气温降到0℃，并开始记录各种数据之前，需要检查压力计是否贴紧反力梁。

在本试验中，设置两个压力计，测定基坑周围原状土的冻胀力，原状土的冻胀力为本研究室多年观测项目，通过长期观测，研究冻胀力与冻结深度、大气温度、土中温度的关系。

冻胀力数据每隔半小时，利用连接到室内的计算机自动读取并保存[4]。

2 试验土样的冻胀特性

通过室内冻胀试验得到试验土样的冻胀位移与时间关系曲线、冻胀位移与吸水量关系曲线，见图7、8所示。

由图7、8可知，土样的冻胀速度为0.369 mm/h，最大冻胀量15 mm，根据相关规范可判定试验土样为冻胀性土[5]。

3 冻胀试验结果

利用上述冻胀试验系统对基坑内冻胀性试验土样及基坑周围原状土的土中温度、冻结深度、冻胀位移、原状土的冻胀力、大气温度进行一个冻融周期的连续观测，试验结果如下:

3.1 气温、土温

对采集的试验数据进行处理，日平均气温与地下40 cm处土温变化曲线见图9，限于篇幅，其它深度的土温变化曲线未一一列出。

3.2 冻结深度

试验土样的冻结深度与融化深度变化曲线见图10。最大冻深为72 cm。

3.3 冻胀力

基坑周围原状土的冻胀力变化曲线见图11。

图9 日均气温与土中40 cm处日均土温变化曲线

3.4 冻胀位移

试验基坑内试验土样与基坑周围原状土的冻胀位移见图12～图13。

4 结 论

利用该季节性冻土的冻胀试验系统能够对冻土的温度、冻深、冻胀力等冻胀参数进行连续有效观测，并得出如下结论:

(1)试验土样随气温下降由上而下开始冻结，最大冻深为72 cm，冻土自气温升至0℃后由上而下融化;

(2)温度下降，冻胀力增加，原状土的最大冻胀力为30 kN，温度上升，冻胀力减小;气温升至0℃后，冻胀力消失;

(3)土的冻胀位移随冻深的增加而增大，试验用冻胀性土样的最大冻胀位移为4.2 mm，原状土的最大冻胀位移为7.5 mm，冻胀位移随冻土融化而逐渐减小。

[1]徐学祖，王家澄，张立新.冻土物理学[M].北京:科学出版社，2001.

[2]张丰帆.季节性冻土构筑物冻胀机理研究及应用[D].长春:吉林大学，2007.

[3]八藤後友也.実験フィールドにおける網走湖底質の経年変化に関する研究[D].日本北見:北見工業大学，2007.

[4]小島一宏，鈴木輝之，山下聡.新しい凍上性判定試験法の適用性について[C].第38回地盤工学研究発表会講演概要集.东京:地盤工学会，2001:35－167.

[5]邢爽.季节性冻土的冻结冻胀试验研究[D].吉林:东北电力大学，2009.