砂 土 冻 融 特 性 试 验 研 究

张 金, 史长莹, 谢世尧

(黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080)

0 引 言

季节性冻土区气候变化明显，土体在外部环境的影响下，土中的水分会在低于冻结温度的情况下冻结成冰，形成冰晶体，破坏土体的原本内部结构，过多的冰晶体形成会造成土体的冻胀现象；冰晶体在高于冻结温度的情况下会融化为水，这样原来由冰晶体的形成而带来的土体内部大孔隙会由水填充，造成土体结构松散，会在外部荷载的作用下形成融沉现象[1]。土体的冻胀融沉现象是季冻区工程建设面临的主要问题，严重影响工程建设的质量和经济效益，为此研究土体冻融过程中的水分迁移情况十分必要。

目前已有很多学者对不同类型的土进行了不同方法的研究，Sarsembayeva等[2]对土进行周期性冻融后测量土中水分的变化，发现土中的去离子水经历了冰分离；Ala Musa等[3]发现土壤质地影响了冻融过程中土壤水分迁移的数量；Wu等[4-5]对盐渍土冻融后水分盐分的进行研究；杨成松等[6]发现土体在经过冻融循环之后含水率较初始含水率有所增加；包卫星等[7]对天然盐渍土在冻融作用下的水盐迁移现象进行研究，发现土体中的水自下而上移动；景国臣等[8]通过野外测定和室内试验相结合的方法研究东北黑土冻融作用与土壤水分之间的关系，认为土壤中的地下水埋深是影响冻结时水分迁移情况的主要因素之一；赵刚等[9]研究原状土在含水率和温度单一因素影响下的水分迁移规律，得出含水率大水分迁移量大，冻结温度大水分积聚多的结论；高玉佳等[10]则借助地温测试仪单方面的对土体温度和水分迁移进行研究，表明温度对冻土的水分迁移有重要作用；王铁行等[11]自制试验设备对非饱和黄土进行水分迁移研究，揭示了非饱和黄土在干密度、含水量以及时间影响下的水分迁移情况；张婷等[12]对不同类型的土进行研究，论述了含水率、干密度以及冻结时间对水分迁移的影响。

研究土体中温度变化及水分迁移的方法可以概括为两种，一是现场安装传感器进行监测；二是通过人工冻结的方法[13-14]。现场监测试验需要花费大量的时间，目前人工冻结试验多采用的是冻胀箱或者一些自制的试验设备，但是其研究的土样大小存在一定的局限性，一般土样直径在10 cm左右，土样高度也很少有超过20 cm。本试验装置土体容器有机玻璃柱高140 cm，直径15 cm，取试验土样高度120 cm，以便较好地模拟土体在单向冻结作用下温度及含水率的变化。

1 材料与方法

1.1 试验土样

试验土样取自黑龙江干流黑龙江省抚远段堤防，为细砂土。土样的质量含水率为10%，干密度为1.54 g/cm3，最大干密度为1.81 g/cm3，最优质量含水率为10.68%。

1.2 试验设备

本试验为物理模型试验，借助可控温土体一维瞬时渗透系数测试仪，在设备自身的基础上进行必要的改进以满足试验需求，该设备由温控装置、水分补给装置、加载装置以及数据采集装置构成。温控装置采用XT5201-R40HG型低温恒温液浴循环槽，可以满足-55～95 ℃范围内的精度为0.1 ℃的温度要求，通过循环泵实现土样的单向冻结。水分补给装置分顶部和底部两种，本次试验主要模拟的是开放系统中的地下水补给状态，因此采用底部水分补给装置。加载装置是由一组气泵装置以及气动作动器来实现对土样表面进行加载，并通过UU-500K型压力传感器实时检测外荷载的变化。数据采集装置主要由DL6体积含水率接收器以及Dater TakerDT80数据采集器组成，可实现数据的自动采集，试验装置示意图见图1。

图1 试验装置示意图

1.3 试验方案

本试验主要从冻结温度、含水率以及系统的不同状态进行研究，考察土样在冻融循环过程中温度变化及水分迁移情况，从不同高度处的温度以及含水率变化进行研究。温度选择依据的是抚远县多年平均最低气温，取-20 ℃和-28 ℃度作冷端温度。试验方案如表1所示。

表1 砂土单向冻结试验方案

1.4 试验步骤

(1)按照GB/T50123—1999《土工试验方法》对风干土进行重塑制样，分别制成体积含水率为18%和21%的土样，干密度为1.54 g/cm3，与土样初始干密度保持一致。

(2)为保证土样各处干密度一致，重塑土装样分24层，每层5 cm，共计120 cm高度的土样。土样的左侧装有8个ML3型体积含水率传感器，右侧装有7个温度传感器，其中第4和第5个传感器之间距离为30 cm，其余都为15 cm间距。安装完成的土样静置24 h以保证土柱内部的水分均匀分布。

(3)调试传感器数据接收频率，设置低温槽温度，按照方案进行试验。

2 结果与分析

2.1 系统状态对砂土冻融特性的影响

在含水率和冷端温度一致的情况下，对不同系统状态的砂土进行冻融循环后各层土体温度变化见图2和图3。结果表明系统状态对本试验中砂土的温度变化影响甚微。由图2知，封闭系统中冻结深度可以达到45 cm，温度发生变化的土层从上至下各层温度依次为-14.9、-6.7、-0.3、13.7 ℃，60 cm及以下部分土体温度均无变化。各层温度达到最低且稳定所需时间依次为4、7、8和9 d，温度变化曲线由陡趋缓，融化过程与冻结过程一致，从上而下依次升温，最终都达到稳定的时间为14 d。图3所示开放系统中的温度变化情况与封闭系统基本一致。

图2 封闭系统，18%，-20 ℃温度变化图

图3 开放系统，18%，-20 ℃温度变化图

从温度变化的角度无法判别出系统状态对水分迁移的影响，图4和5分别是与图2和3对应的土体中各层含水率的变化情况。由图4可以发现，45 cm以上部分冻结后的土体体积含水率为8.6%，60 cm处的体积含水率为13.1%，90 cm及105 cm处的含水率没有变化。与图2所示的温度变化情况吻合，冻结锋面能够达到45 cm，冷端温度影响深度在60～90 cm之间。在顶端单向冻结的情况下，顶端温度影响下的土体从上至下各层含水率依次减小，达到稳定的时间分别为3、5、7和8 d，比温度达到稳定的时间略微提前，这是由于含水率达到稳定只需要达到冻结温度即可。图5中45 cm及以上部分土层的含水率变化情况与图4基本一致，而60 cm处的体积含水率为14.2%，较封闭系统有所增加，90 cm及以下部分土体的含水率亦有所增加，主要是由于下部存在水分补给，而水分补给的情况取决于补给装置中的水头高度以及砂土自身的毛细力作用，但水分补给的效果不明显，因此本试验中系统状态对砂土的水分迁移可以认为没有影响。

图4 封闭系统，18%，-20 ℃含水率变化图

图5 开放系统，18%，-20 ℃含水率变化图

2.2 温度对砂土冻融特性的影响

温度是土中水分迁移的主要驱动力，在温度的作用下土中的水发生相变，产生水分迁移完成水分重分布[15]。在封闭系统中，保持含水率一致，改变冷端温度为-28 ℃对砂土进行冻融试验的温度及含水率变化情况如图6和7所示。

图6 封闭系统，18%，-28 ℃温度变化图

由图6所示，土体能够达到的冻深超过60 cm，各高度土层传感器最低温度分别为-25.2、-19.1、-11.7、-1.6、10.9、18.2、24.5 ℃，冻结过程中第12 d各层温度达到最低且稳定，融化过程中第17 d各层温度与室温一致。土样在冻融过程中，不同深度土样温度变化趋势基本一致，都是先迅速下降后逐渐减缓直至达到稳定，整个过程靠近顶部的土样温度变化比次一层的温度变化快。与图2比较发现，冷端温度降低影响到土体的冻结深度以及土体冻结锋面的移动速度，相同位置各土层达到最低温度且稳定的时间较-20 ℃短。在含水率一致时，随着冷端温度的降低，冻结锋面移动的驱动力会增加，从而快速形成冻结锋面并迅速下移。

由图7发现，冻结锋面最大深度超过60 cm，冻结锋面处的体积含水率为9.7%，90 cm处的体积含水率为16.3%，减少了1.6%，105 cm处的土体含水率没有发生变化，冷端温度没有影响到105 cm及以下部分土体。冻结过程中，从上至下各层含水率到达最低且稳定的时间依次为3、4、6、8和11 d；融化过程与冻结过程顺序一致，从上而下依次升温，最终都达到稳定的时间为17 d。结合图2和图4，在含水量相同的情况下，冷端温度-28 ℃的冻结过程中，含水率达到稳定时冻结锋面处的含水率较-20 ℃的高，水分迁移量较小，主要是因为冷端温度低，冻结速率过快，温度向下侵入的速度很快，此时冻结速率已经高于水分迁移的速率，从而导致部分水分来不及迁移就已经形成冰晶体。

图7 封闭系统，18%，-28 ℃含水率变化图

2.3 含水率对砂土冻融特性的影响

图8表明，土体能够达到的冻深超过60 cm，各高度土层传感器最低温度分别为-25.6、-19.2、-11.7、-2.6、10.8、17.9、23.4 ℃，冻结过程中第13 d各层温度达到最低且稳定，融化过程中第19 d各层温度与室温一致。可以发现，在温度保持不变的情况下，高含水率土体的冻结深度以及各层温度与低含水率基本一致，土体的初始含水率对冻融后温度变化不存在影响。

图8 封闭系统，21%，-28 ℃温度变化图

图9所示冻结锋面最大深度超过60 cm，冻结锋面处的体积含水率为9.6%，90 cm处的体积含水率为16.4%，减少了4.6%，105 cm处的土体含水率没有发生变化，冷端温度没有影响到105 cm及以下部分土体。冻结过程中，从上至下各层含水率到达最低且稳定的时间依次为3、4、7、9和12 d。与图7比较发现，高含水率的土体达到稳定所需的时间较低含水率的土体略长，表明在冻结速率一定的情况下，高含水率会对土中水分迁移产生影响，高含水率影响冻结锋面下移的速率，从而导致稳定时间增加，增加了总体的水分迁移量。低含水率时，冻结速率大于水的迁移能力，砂土中各层水分达到稳定需要的时间较高含水率的时间短。高含水率时，土中的水分先缓慢减小再迅速减小再缓慢减小，第1阶段是由于土中未冻层中的水分向冻结锋面处迁移，第2阶段是由于冻结锋面逐渐靠近，土层温度迅速降低，土中水冻结成冰，第3阶段是由于在冻结锋面处仍会有其他未冻层的水分迁移过来，从而在一定程度上减缓土中水分的急剧减小，延长了稳定时间。

图9 封闭系统,21%,-28 ℃含水率变化图

3 结 论

(1)开放系统有外界水源补给的情况下，地下水位的埋深以及砂土毛细力作用强弱对土体冻融过程中含水率变化有影响，水分补给的效果不明显使得冻结锋面处的含水率变化与封闭系统基本一致，没有起到减缓冻结锋面推进速度的作用。

(2)冷端温度对砂土冻融过程中的水分迁移影响显著，冷端温度低冻深大，冻结速率快，土中水迅速成冰，同样冻结锋面的快速推进使得水分迁移时间减少，水分迁移量减小。

(3)土体的含水率影响砂土水分迁移的速率，从而客观上影响了水分迁移量。冻结速率不变，随着含水率的增加，土中水分迁移耗时增加，从而增加水分迁移量。