“开敞系统”下单向冻融试验装置的研制与应用

陈新瑞，宋 玲，孙 雯，许清峰，刘沛凯，惠 强，李鑫鑫，吴 浩

(1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003；2.新疆天富能源股份有限公司红山嘴电厂，新疆 石河子 832000)

我国季节冻土区分布广泛，为了国民生产生活和经济发展的需要，在该地区修建了大量的基础设施工程。然而在季节冻土区的各类建筑物均会发生不同程度的冻害破坏，因此，大量研究人员通过数值分析、理论解析、野外监测和室内模型试验等诸多研究方法，对季节冻土区建筑工程的冻胀与融沉作用和冻害防护等进行了研究[1-7]。季节冻土区的冻融过程是温度、水分和应力场等综合作用的复杂过程，因此对于野外监测试验，其周期长，不可控因素多，费用高[8]；数值分析和理论解析方法的局限性大，仍需通过试验进行验证与校核；而室内模型试验对影响因素的可控性强，试验周期较短，可操作性强，可对相关物理量的变化进行精确的定量分析[9]。

国内外已有众多研究人员开展了相应的研究，如Bronfenbrener[5]、Beskow等[7]、Kinosita[10]、Taber等[11]和童长江[12]等均采用室内模型试验对有无外界水补给的单向冻融过程进行了研究。Taber等[11]于1929年通过直径85 mm、高150 mm的黏土圆柱进行了封闭和开放系统下的土体冻结试验。邴慧等[13]于2006年用内径100 mm、高185 mm 的有机玻璃圆柱筒对红黏土进行了外界水补给下的单向冻结试验。彭丽云等[14]于2009年利用直径100 mm、高130 mm的圆土柱对粉质黏土进行了开放系统下单向冻胀试验。胡坤等[15]于2011年对直径100 mm的黏土土柱进行了开放条件下一维冻胀试验。王永涛等[16-17]于2016年对直径100 mm的圆柱体黏土土柱进行了开放条件不同温度梯度的单向冻结试验。马宏岩等[18]于2016年对直径100 mm的圆柱体黏土土柱试件进行了开放条件下的室内单向冻结研究。

综上，利用室内模型进行单向冻融的研究均为采用小型圆柱体土柱进行试验，主要受限于室内冻融模型试验装置的限制。而对于模型尺寸越小及相似比越大的模型，其试验结果的可信度越低，不能准确反映自然条件下土体的冻融过程[19]。模型的尺寸也将限制传感器布设的数量和种类，从而影响试验的研究内容。对于小尺寸模型，亦不易从空间三维的角度对土样冻融过程中物理量的变化进行多维度观测。故大量研究人员对可对大尺寸模型进行冻融试验的装置进行了研制，其中大部分学者利用基于帕尔贴效应的半导体对装置实现制冷/热。王建平等[19]于1999年采用半导体制冷技术，研制了人工冻结土体冻胀融沉模型试验装置，并利用该试验装置对黏土进行了冻融试验，验证了该装置的可行性。陈湘生等[20]于1999年研制了由半导体进行制冷/热的冻融装置，用其对尺寸为410 mm×360 mm×260 mm的土壤模型进行了单向冻胀离心模拟试验，并于2002年对尺寸为410 mm×360 mm×253 mm的土壤模型在封闭系统条件下进行了2个冻融循环的离心模拟试验，验证了其装置的可靠性[21]。黄英豪等[8]于2015年利用半导体制冷/热技术，研制了一套可在土工离心机中进行冻融模拟的试验装置，利用该装置对输水渠道进行了冻胀模拟，论证了该装置的可靠性。张晨等[22]于2016年，利用黄英豪等研制的冻融装置，对输水渠道进行了冻胀离心模拟试验，研究了渠基土的含水率对渠道法向冻胀位移的影响，并于2018年利用该装置对其使用Butterfield量纲分析所建立的冻土离心模型试验相似准则进行了验证，证明了该冻融装置的可行性[23]。

上述研究成果均证明了利用基于帕尔贴效应的半导体作为冻融试验装置的制冷/热系统的可行性，但前人的新型冻融试验装置不能实现在地下水补给下的单向冻融试验，而在季节冻土区处于浅埋地下水的水工构筑物更易发生冻害破坏[17,22,24]，且在试验研究方面，对于外界水补给的冻融试验，多采用室内开放系统下的模型试验[9,17,23,25-26]。因此，本文在参考上述研究者对冻融试验装置研制成果的基础上，基于可实现在封闭和开放条件下的情况下对大尺寸试样模型进行单向冻融模拟试验的思路，研制出可模拟在地下水补给下进行单向冻融试验的系统装置，并利用该装置对新疆某流域水电站引水渠附近的含砂低液限黏土，进行了在不同埋深地下水补给下的单向冻融试验，对该系统装置的可行性和有效性进行了验证。

1 试验设备的研制

本试验冻融系统装置由装样箱体结构、制冷/热系统、地下水恒压补给系统、保温隔热系统、边界温控系统、量测系统和供电系统等组成(图1)。

图1 单向冻融试验装置图

1.1 箱体结构

试验装置的箱体结构尺寸为长×宽×高=1 m×0.5 m×1.5 m，由6 mm厚钢板材料制作(图1c)，以保证其满足结构强度要求。

在竖直方向上将箱体内部空间划分为4层功能区：第Ⅰ层为自箱底面起0～20 cm的地下水潜水模拟层，在箱体的后侧设置有内径为8 mm进水口；第Ⅱ层20～30 cm为由砂砾石、透水棉和钢性滤网等构成的透水边界层，起反滤层作用；第Ⅲ层30～110 cm为试验土样层；第Ⅳ层110～150 cm为冷/热气体循环流动层。4个功能区的划分，可根据试验目的进行重新调整与分配。

1.2 制冷/热系统

制冷/热系统使用Peltier制冷/热技术，在110 cm×60 cm×2 cm的铝板上将单块功率为72 W的40块半导体制冷模块串联构成制冷/热面板(图1e)。该系统通过传导和对流的方式进行无辐射的传热，制冷/热面板的冷端输出温度可达-35 ℃和热端输出温度可达30 ℃，输出总功率为2.88 kW。

本制冷/热系统具有以下优点：①其为纯固体制冷器，不怕倾斜震动；②无传统的制冷机所必需的制冷剂，没有污染源，绿色环保；③半导体制冷片热惯性非常小，既可制冷，又可加热，且制冷/热时间很快；④体积小、重量轻、使用和安装方便；⑤可连续工作，冷热端面的温度控制方便、准确，可实现高精度的温度控制；⑥可靠性高，使用寿命长，方便适用于室内实验室试验[8,19]。

为模拟实际大气温度变化对土体的作用方式，制冷/热面板位于箱体结构的正上方，与试验土样表面平行，可向下方土体不断垂直输送冷/热空气，进行冷/热能的传递，使土样从表层开始产生热量变化而后土体内部再产生降温或升温的效果，实现单向冻融目的。

1.3 边界温控系统

边界温控系统主要包括电子式温控器和防水探头式—热敏电阻温度传感器构成，可对制冷/热板温度进行设定，从而实现自动控制。

1.4 供电系统

该系统装置供电系统由空气断路器、3平方的电缆线和380 V的交流电源构成。

1.5 地下水补给系统

地下水补给系统由平衡瓶、接渗瓶和改进型马里奥特瓶(Mariotte bottle)[27-28]组成，基于虹吸原理进行工作(图1d)。平衡瓶底部设置有出水口，与箱体后侧进水口相连，起稳定水位和维持马氏瓶持续补水的作用；渗流瓶位于平衡瓶的溢流管下方，可对大气降水产生的渗流水量进行观测。此补给系统可灵活设置不同地下水水位进行持续恒压的补水，模拟自然地下水对土样的补给作用。

1.6 保温隔热系统

保温隔热系统由箱体内侧5 cm厚保温层和外侧10 cm厚保温层构成，内外保温层采用V0级橡塑保温板，其主要成分为板丁腈橡胶和聚氯乙烯等，导热系数为0.036 W/m·K。在内外保温层与箱体的接触面、内外保温层的连接处和接缝处等用橡塑保温材料专用胶和聚氨酯发泡剂粘接进行密封处理，以隔绝热量传递，保证制冷效果，提供良好的保温与隔热性能。

1.7 量测系统

根据试验目的，可在该冻融系统装置内布置不同的传感器及其配套设备构成量测系统，进行相关物理量的量测，如可布置温度传感器、含水率传感器、冻胀/融沉量和应变等测量装置。

2 使用方法与特点

利用该单向冻融系统装置可进行无地下水补给或不同埋深地下水补给条件下，对土体模型、渠道模型等实施单向冻融过程的研究，根据试验目的、箱体结构尺寸和相似准则进行试验模型尺寸的设定。将设计的土样或模型在箱内进行装填，并在装填的过程中根据实验所需同时进行相关传感器的布设，所有的线缆均通过出线孔穿出。然后将制冷/热系统放置在箱体顶部，对其之间的缝隙处利用保温材料进行密封，并利用聚氨酯发泡剂对出线孔进行密封保温处理。根据试验目的，可将地下水补给系统与箱体底部连接，在连接处做好止水防护。对整个系统装置进行检查，设置温控器，开启供电系统后，便可进行冻融试验。试验完成后，可通过箱体前门进行土样或模型的取出。

该冻融系统装置具有以下特点：①利用由半导体模块组成的制冷/热板可对模型进行绿色制冷和制热，实现单向一维冻融试验；②相比前人利用小型土柱(直径和高分别在0.1 m×0.2 m以内)进行冻融试验而言，本装置可对大体积土体模型(长×宽×高分别在1 m×0.5 m×1.5 m以内)如渠道模型、基础模型和土样等进行试验；③可模拟不同地下水水位补给情况进行恒压补水。

3 初步应用

利用该系统装置对新疆某流域水电站引水渠附近冻胀性敏感的粉质黏土进行了开敞系统下的单向冻融试验，探讨土样温度、含水率、冻胀量和融沉量等变化规律的试验研究。本文仅对地下水埋深80 cm和埋深40 cm时的试验结果进行了简要分析，并且与前人结果进行了对比，以证明该装置可模拟不同埋深地下水补给下的单向冻融试验相关研究的切实性和适用性。

试验所用重塑土样为含砂低液限黏土(CLS)，属冻胀敏感性土，液限和塑限分别为30.47%和15.68%，塑性指数为14.79，最大干密度1.623 g/cm3，最优含水率17.0%。试验设计为在地下水埋深80 cm(代表深埋地下水)和40 cm(代表浅埋地下水)，冷/热交换面板端冻结、融沉温度为-15 ℃和+15 ℃且保持恒定，进行单向冻融试验。

试验全过程包括土样制备、装样、水分自然重分布、制冷前进行地下水补给土体和开放条件下土体冻融。试验量测系统布置点如图2所示。建立以土体底面为XOY平面、且底面的形心为坐标原点、竖直向上为Z轴的笛卡尔坐标系，将从底部向上5，15，25，35，45，55，65，75和80 cm的土层面分别定为A，B，C，D，E，F，G，H和I平面。在XOY平面方向，温度传感器布置在图2中1(-175，-350)、2(175，-350)、3(175，350)、4(-175，350)、5(0，0)、6(0，-350)、7(175，0)、8(0，350)、9(-175，0)点处；冻胀/融沉量测量装置布置在点1，2，3，4处；水分传感器布置在点5处。在纵向上，温度和水分传感器分别位于A，B，C，D，E，F，G，H和I平面(Ⅰ平面无水分传感器)上；冻胀/融沉量测量装置位于I平面上。温度测点81个，含水率测点8个，冻胀/融沉量测点4个。

图2 测点布置图

3.1 保温性能测试

待装样和传感器设备布置完成，将冻融系统装置进行组装密封后，对内部温度进行了监测，以判定其保温效果，试验结果如图3所示。

图3 冻融试验装置保温性能图

由图3可知，箱外大气平均温差的最大值为4.02 ℃，箱内大气平均温差的最大值为1.36 ℃，说明该装置具有较好的保温效果，受外界温度影响的情况较小。

3.2 制冷前含水率变化

在装样完成后，土体中的水分在重力和基质吸力的共同作用下进行了78 h的自然重分布。水分自然重分布完成之后，在制冷前利用马氏瓶对土体进行地下水的补给，分别对埋深80 cm和40 cm的土样进行了96 h和83 h的恒压补水。水分变化如图4所示。

图4 不同地下水位冻前含水率变化

由图4可知，在相同时间内，土样中水分在自身重力与土壤孔隙对水分基质吸力的作用下进行了自上而下的微量迁移且达到稳态，最终使得上部土体水分含量减少，下部土体水分增多。同时，地下水埋深80 cm和40 cm时，均表现出土体越接近地下水水面，其含水率越早达到稳态且含水率值越大。

4 试验结果与分析

4.1 冻结结果与分析

4.1.1冻结温度变化过程

图5为地下水位埋深为80 cm和40 cm时土样在单向冻结过程中温度随时间的变化过程。由图5可知，对于地下水位埋深分别为80 cm和40 cm时，冻结前期各土层温度迅速下降，在冻深到达最大值25 cm前，降温速率达到最大值；冻结后期降温速率逐渐减少并趋近于0，温度缓慢下降，最终稳定，直到冻胀不再发展。其中，土层越远离制冷板，其降温速率越慢，总降温的幅度越小，温度场也较晚到达稳定平衡状态；越靠近制冷板的土层，其规律与之相反。这是由于土样处于自上而下的单向冻结，制冷端的影响效果为负温自上而下逐层推进。2组试验的温度变化规律虽略有差异，但与郑美玉等[8,29]的研究结果均相一致，说明该装置对土体进行降温的效果符合单向冻结的要求。

图5 不同地下水位冻结过程温度变化

4.1.2冻结锋面变化过程

图6表示埋深80 cm和40 cm的冻结锋面位置随冻结时间变化的迁移过程，可见冻结锋面的迁移可分为2个阶段，第Ⅰ阶段为冻结锋面的快速迁移阶段，第Ⅱ阶段为冻结锋面稳定不变阶段。由图6可知冻结锋面迁移的两个阶段变化与温度变化(图5)保持一致；埋深80 cm和40 cm的第Ⅰ阶段分别为0～80.5 h和0～165 h；第Ⅱ阶段分别为80.5～384 h和165～410 h。

图6 不同地下水位冻结锋面变化

4.1.3冻结过程中含水率变化过程

图7分别为埋深80 cm和40 cm土样进行单向冻结时含水率的变化过程。地下水埋深为80 cm和40 cm时，冻结完成后含水率变化最大的点均位于Z=55 cm(F层)，F层即为冻结缘区和冻深最大处，位于F层的上下土体分别为已冻区和未冻区。据图7可将含水率变化分为快速变化阶段(埋深80 cm：0～80.5 h，埋深40 cm：0～165 h)和缓慢变化阶段(埋深80 cm：80.5～384 h，埋深40 cm：165～410 h)。在快速变化阶段，已冻区内含水率曲线位于冻前初始含水率曲线右侧，未冻区内含水率曲线位于冻前初始含水率曲线左侧。但在缓慢变化阶段，已冻区内和未冻区内含水率曲线均移动到冻前初始含水率曲线右侧。2组试验的含水率变化规律与蔡瑛等[30]的研究结果相一致，说明利用该装置可进行开放条件下的单向冻结试验。

图7 不同地下水位冻结过程中含水率变化

4.1.4冻胀量变化过程

图8为地下水埋深为80 cm和40 cm下单向冻结过程中土样平均冻胀总量随时间的变化规律。根据冻胀总量变化的曲线形态，不同埋深地下水(80 cm和40 cm)的土样在单向冻结过程中，其冻胀总量的变化曲线可划分为2个阶段，第Ⅰ阶段为冻胀总量缓慢增长期，第Ⅱ阶段为冻胀总量拟线性增长期。第Ⅰ阶段：埋深80 cm为0～35 h阶段，埋深40 cm为0～48 h阶段。此阶段其冻胀总量曲线斜率很小，则冻胀速率小，冻胀量的发展较慢。第Ⅱ阶段：埋深80 cm为35～384 h阶段，埋深40 cm为48～410 h阶段。此阶段冻胀总量曲线近似一条直线，其冻胀总量曲线斜率明显大于第Ⅰ阶段，冻胀速率较大，冻胀量的发展较快。2组试验的冻胀总量变化规律与李卓等[31]的研究结果相一致，说明该装置进行开放条件下单向冻结试验的冻胀效果可达到试验要求。

图8 不同地下水位冻胀量变化

4.2 融沉结果与分析

4.2.1融沉过程温度变化

图9为地下水位埋深为80 cm和40 cm下土样在冻结完成后进行融沉时温度随时间的变化过程。融沉前期，55～80 cm土层温度上升迅速，且温度梯度较大，55～0 cm土层温度上升缓慢，且温度梯度较小。融沉后期，各土层温度最终稳定，直到融沉不再发展。即土层越远离制热板，其升温速率越慢，总升温的幅度较小。越靠近制热板的土层，其规律与之相反。同时，随着时间的增长温度曲线均趋于平缓。2组试验在融沉过程中温度的变化规律与王东等[32]的研究结果相一致，说明该装置进行开放条件下融沉试验时的升温效果可满足试验条件要求。

图9 不同地下水位融沉过程温度变化

4.2.2融沉过程中含水率变化过程

图10为埋深80 cm和40 cm土样进行融沉过程中含水率的变化。土样在融沉过程中，含水率自地表至冻结缘区随融沉的不断进行而逐层增长，即土层H，G，F的含水率依次增长。融沉完成后，已冻区内水分先增加后减少，未冻区内水分在不断增加，冻结缘区的含水率增加最大。在融沉过程中水分随时间的迁移变化规律与李卓等[31]的试验结果相一致，说明利用该装置进行开放条件下融沉试验时的含水率的变化过程与实际相符。

图10 不同地下水位融沉过程中含水率变化

4.2.3融沉量变化过程

图11为地下水埋深为80 cm和40 cm下土样融沉过程中平均融沉总量随时间的变化过程。不同埋深地下水(80 cm和40 cm)的土样在融解过程中，其融沉总量的变化曲线可划分为3个阶段。第Ⅰ阶段为融沉预备期，融沉总量为0。第Ⅱ阶段为融沉总量拟线性增长期，融沉速率较大，但在此期间有多处突陷点，且融沉量主要集中在第Ⅱ阶段。第Ⅲ阶段为融沉总量缓慢增长期，融沉速率小。试验中融沉量随时间的迁移变化规律与李卓等[31,33]的试验结果相似，说明利用该装置进行开放条件下融沉试验时融沉量的变化过程与实际相符。

图11 不同地下水位融沉量变化

将冻结过程与融沉过程进行对比可知(图8，图11)，地下水埋深80 cm和40 cm下的冻胀量均大于其融沉量，且融沉总时长约占冻胀总时长的25.6%，此结果与郑美玉等[29]进行的开放条件下的冻融试验结果相近。

5 结论与展望

(1)研制了可在开敞和封闭条件下对大尺寸模型进行单向冻融模拟试验的系统装置，此装置主要由箱体结构、制冷/热系统、边界温控系统、地下水补给系统和量测系统等构成，为研究季节冻土区的冻融作用创建了一个新的平台。

(2)应用改进型的马里奥特瓶作为地下水补给系统，既可实现持续恒压补水，又可实现对不同埋深的地下水进行模拟，同时可对渗流量进行监测。

(3)该装置的制冷/热系统以半导体制冷片基本构件组成，可实现绿色升温与降温效果，对季节冻土区中地基土和渠道等构筑物的冻融作用进行模拟研究。

(4)使用该单向冻融试验装置对大尺寸新疆粉质黏土土样进行了在地下水埋深分别为80 cm和40 cm下的单向冻融过程试验研究，其温度、含水率、冻结锋面和冻融量等变化结果表明，此试验装置的温度和水分等模拟结果均与已有研究成果相一致，进一步说明此试验装置是可靠的，并且可以用于封闭或开敞条件下的单向冻融试验研究，可为浅埋地下水位下的工业与民用地基基础设计、公路桥涵地基基础设计、渠道工程抗冻胀设计和冻融循环机理等研究提供设备研制借鉴。