黏土单向冻融作用下冷生构造及冻胀特性试验研究

任秀玲，俞祁浩，王金国，张东明，张振宇，王新斌

（1.中国科学院 西北生态资源环境研究院，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049；3.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610065）

1 研究背景

中国是世界第三大冻土大国，冻土分布面积占陆地面积的21.5%，其中，季节冻土指地壳表层冬季冻结、夏季全部融化的岩土层[1]，占我国国土面积的53.5%[2]。随着西部大开发战略的不断实施，在寒区修建的水电站、公路、铁路等重大工程建设逐渐增多。两河口水电站位于中国四川省甘孜藏族自治州雅江县境内雅砻江干流上，属于季节冻土区，是目前中国第一高、世界第三高土心墙堆石坝。在水电站大坝心墙土料填筑过程中，寒冷的环境条件下，土料会发生反复冻结和融化作用，土体的结构[3]、含水率、孔隙比、体积和干密度等发生明显的变化[4-6]，进一步使土体的压缩性[4，7-8]、黏聚力[9]、单轴抗压和抗拉强度[9-11]、无侧限抗压强度[12]、强度[7，13]和渗透性[3，5-6]发生变化，且渗透系数发生数量级变化[5]。土中水分迁移过程使土体发生冻胀[14-15]，进一步导致土料在压实过程中达不到填筑压实度，影响土料的填筑质量及坝体心墙的稳定性。因此，研究反复冻融作用下黏土的冷生构造、水分迁移和冻胀变化规律非常重要。

在寒区冬季负温环境下，土体中水分在冻结作用下会逐渐向地表迁移，使土体发生冻胀，导致冻胀开裂等一系列工程病害产生。因此，许多学者从不同角度开展了土体水分迁移特性及冻胀病害等研究。已有研究主要通过在室内封闭[16-18]和开放[19-21]系统下对黏土[22-24]、黄土[16，25-26]等不同类型的土体进行单向冻结试验，研究不同影响因素对水分迁移、冻胀特性等的影响。

在水分迁移特性及其影响因素方面，研究表明冻结过程中水分不断向冻结锋面和冷端迁移[16，27]，试样未冻区的含水率减小，已冻区的含水率增加[18，25]，冻结锋面处试样含水率最大[25]。另外，粗粒土中水汽迁移规律的研究表明粗粒土的水分迁移主要表现为气态水的迁移[28]。初始含水率[16-17，27]、干密度[23-25]、冻结温度[17，26-27]、冻结速度、冻结方式[26]等因素影响土中水分迁移特性。在土样冻结过程中，土样的初始含水率越大，经单向冻结后土体的水分迁移量越大、水分迁移效果较明显[23，25-26]，且冻结锋面处土样含水率的增加量越大[22-23]。但是，试样初始含水率对冻结锋面位置的影响不大[25]。冻结温度差对试样冻结深度的影响最大，且水分迁移量随着温差的增加而增大[17]。

经单向冻结后土体的冻胀特性方面，许多学者对土体的冻胀进行了室内试验研究[18-20]，表明封闭系统下，试样的冻胀率随初始含水率的增加和压实度的减小而增加[18]。另外，学者们研究了土体的冻胀发展和冰分凝过程[15，21-22]，指出试样冷生构造分为不同区域[15，21]，试样中冰透镜体的分凝过程与冻胀过程、以及单向冻结后含水率之间可以相互验证[21]；且冷生构造的发育和土样的冻结温度有关[22]。还有土体单向冻结过程中基质势、液态含水率、温度、含冰量、水分迁移量和冻胀变形等在时空方面的耦合变化关系的研究，表明试验后土体内总含水率与分凝冰的分布情况一致[29]。

通过以上分析可知，土体在单次、较长时间的单向冻结过程中，土中水分迁移、冷生构造发育和冻胀发展过程，以及试验后土中水分迁移和冻胀特性的研究较为系统，且重点研究冷生构造的发育情况及其对冻胀的影响。但是，关于室内封闭系统下经反复冻融作用后试样的冷生构造、水分迁移和冻胀特性方面的文献报道较为鲜见。因此，基于短时、浅冻、基本封闭的现场工况条件，本文在室内开展不同初始含水率、冷冻温度和冻融次数等单因素影响下，重塑非饱和黏土在封闭系统下高频、短时的反复冻融试验，研究单向冻结过程中试样内温度的变化、以及经反复冻融作用后试样的冷生构造、水分迁移和冻胀变化规律，并分析冷生构造对坝体心墙土料冬季填筑过程的影响。研究土体在反复冻融作用下冷生构造和水分迁移特性对土体的冻胀机理分析、以及寒区土料冬季施工过程具有重要意义。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料试验所采用土样黏土取自中国四川省在建两河口水电站，是大坝心墙的重要填筑土料之一，铺设于两岸混凝土盖板与心墙内部砾石土之间，水平宽度为4 m（图1），为非饱和重塑土。从2017年1月中旬大坝心墙现场观测发现，经过一夜后黏土发生了冻结，土料内部形成了冷生构造，且有层状分凝冰形成，说明在冻结过程中土体内部存在水分迁移和冰分凝过程（图1）。

图1 两河口水电站大坝心墙黏土

表1 黏土的基本物理性质指标

表2 黏土反复单向冻融试验方案

图2 黏土的颗粒级配曲线

冬季施工期间，土料在大部分夜间发生冻结，白天大部分时间段内融化，即土料在一昼夜发生一次冻融过程。根据《土的分类标准》[30]（GB/J145-90）中规定可知，土料为含砾低液限黏土（CLg），其基本物理性质指标和颗粒级配曲线分别见表1、图2。本研究中根据试验要求，风干碾碎土料过2 mm 筛，但由于土料中以黏粒和粉粒为主，砾类含量约为14%，过筛后颗粒特性变化较小，对其物理性质的影响较小；同时，土料冷生构造特性主要受粒径<0.075 mm 的细颗粒土控制[2]，因此，本研究中土料的颗粒特性和物理性质与现场土料可以保持一致。通过多年观测资料可知，两河口水电站大坝心墙冬季日最低气温约为-10℃，黏土的最大冻结深度和最长冻结持续时间分别约为13.0 cm、16 h。黏土的填筑含水率为16.8%，干密度为1.81 g/cm3；上限含水率为20.5%，对应的干密度为1.67 g/cm3。另外，在大坝心墙土料冬季填筑过程中，不同施工工艺下，已填筑土料约静置一夜至一周，即土样经历的冻融次数约为1～5次。因此，本文根据大坝心墙土料反复冻融过程中典型的工况条件进行试验设计（表2）。本次试验方案共3组，18次试验，初始含水率分别为16.8%、20.5%，其主要目的是通过对比这两种含水率下试样的冷生构造和水分迁移特性的差异性，进一步分析该种差异性对现场土料填筑过程的影响。冷冻温度分别为-2、-5、-10℃，冻融次数分别为1次、2次、5次。

2.2 试样制备依据《土工试验方法标准》[31]（GB/T 50123—1999）中具体规定制备试样：首先，将黏土风干、碾碎、过2 mm筛，按试验所需含水率配好土样后于密封袋中闷置24 h，使土颗粒与水分均匀接触。然后，将土样分层装入不锈钢制样筒（内径为61.8 mm，高度为230 mm）中，从上、下两端分别进行压样，且控制每层试样的高度及质量，以保证试样内干密度一致。最终，得到直径为61.8 mm、高度为160 mm的试样，用保鲜膜包裹试样后静置24 h。一则，使土样内水分分布均匀；二则，使不同高度处试样的初始温度基本一致，恒定于室温。

2.3 试验方法与步骤本试验所采用的试验设备主要由冷浴、恒温箱、温度传感器、以及数据采集系统四部分组成（图3）。各试验条件下，选择一个试样从上往下间隔1 cm均匀布设热敏电阻式温度传感器（精度为±0.01℃），用于测定冻融过程中试样内温度随时间的变化。其中，最下面的温度传感器距试样底端约1 cm。试验过程中，采用CR3000数据采集仪（由美国Compell公司生产）自动采集试样不同高度处的温度数据，时间间隔为10 min。将经过恒温的土样放置于试样筒中，并用保温材料包裹在试样筒周围，以保证试样只在垂直方向发生一维冻结。试样顶端和底端均为温度控制端，底端温度为5℃，顶端处于变温状态。由冷浴控制顶板和底板温度，冷浴的控温精度为±0.1℃。在试验过程中调节试样顶端温度于不同试验条件下负温，开始进行封闭系统下自上而下的单向冻融试验，首次冻融过程中冻结时长为42 h，之后几次冻融过程中冻结时长均为24 h。冻结完成后，将试样顶端温度调至10℃，进行融化，融化时长为12 h。当达到试验要求的冻融次数时，取出试样，在冷库内先使用照相机拍照得到试样的冷生构造照片；然后，用游标卡尺（测量精度为±0.02 mm）测量试样的高度；其次，沿试样高度方向间隔1 cm均匀切样，每个高度处均取2份试样，采用烘干法测定其含水率（指未冻水含量和含冰量之和），且取两份试样含水率的平均值作为该层土样的含水率。

图3 单向冻融试验系统

3 试验结果的分析与讨论

经单向冻融后，随着土中水分迁移，土体内部结构和含水率都会发生改变。以下从试样冻结过程中试样内不同高度处温度变化情况，以及试验后不同影响因素下试样的冷生构造特征、含水率的分布情况和冻胀变化规律等方面进行分析。

图4 试样冻结过程中不同高度处温度变化曲线

3.1 试样冻结过程中温度变化为了分析试样冻结过程中温度的变化，选取具有代表性的初始含水率为16.8%的试样在-5℃冷冻温度下，第一次冻结过程中温度分布情况进行分析（图4）。从图中可以看出，试样16 cm高度处最先发生冻结，之后沿试样顶端往下依次发生冻结，直至冻结深度约为8 cm时冻结结束。温度随时间的变化过程大致可以分为三个阶段。阶段Ⅰ，快速降温阶段，在冻结初期（0～600 min），试样降温速率较大；阶段Ⅱ（600～2000 min），缓慢降温阶段，降温速率相对较小；阶段Ⅲ，稳定阶段（2000 min 之后），表层温度基本恒定于-5℃。由于本次试验中试样的冷冻温度为-5℃，底端温度为5℃，温度梯度相对较小，因此，前两个阶段内试样的降温速率较慢、降温时间较长，说明本次试验中试样的冻结速率较慢；另外，试样的冻结时间较短，且在阶段Ⅲ内温度稳定时间相对更短。

3.2 经反复冻融作用后试样的冷生构造特征分析为更好的对比分析试样的冷生构造特征，均选取试样中间部分水平方向宽度为3 cm，高度为10 cm的区域进行研究。

为了分析试验后试样冷生构造的总体特征，选取初始含水率为20.5%的试样在-5℃冷冻温度下经5次反复冻融作用后冷生构造发育情况进行分析（图5）。图右中黑色部分为分凝冰。由图可见，试样冷生构造按试样是否受冻融作用影响分为受影响区域的水平层状构造和未受影响区域的整体状构造。受影响区域层状构造整体上分布比较均匀，为薄层状，且下部分凝冰的平均层厚较上部增厚，约为1 mm。但与已有研究结果[15，21-22]相比，分凝冰层的数量增多，冷生构造区域划分不明显。试样受冻融影响区域上部分凝冰分布密集；裂缝数量较多、间距小，基本成水平的线；且试样表面分布大量的薄层冰晶。受冻融影响区域下部裂缝宽度变宽，且该层下部边缘与未受冻融影响区域相连。由此可见，在试样受冻融影响的区域，自上而下裂缝宽度逐渐变宽、分凝冰层厚度逐渐增厚、分凝冰层间间距逐渐增大，但三者的变化幅度均较小。另外，在大坝心墙冬季土料的填筑过程中，层状冷生构造的产生可能会使土料的填筑压实度达不到设计要求，将会对大坝心墙的渗透性和坝体的稳定性构成严重威胁，从而可能会影响大坝的施工质量和安全性。

图5 初始含水率为20.5%的试样在-5℃冷冻温度下经5次反复冻融作用后冷生构造照片（图左）和二值化后照片（图右）

3.2.1 不同初始含水率下试样的冷生构造特征分析 图6为不同初始含水率下试样在-5℃冷冻温度下经5次反复冻融作用后试样的冷生构造和二值化后照片。

对比照片可以发现，含水率为16.8%和20.5%的试样在相同冷冻温度下经相同次数的冻融作用后，试样表面冻结锋面的位置基本相同，距试样顶端约6.0 cm。但两种初始含水率下试样受冻融影响区域冷生构造特征存在明显的差异，主要表现在：前者分凝冰层的厚度和层状冷生构造的分布都较后者均匀；但后者受冻融影响区域上部分凝冰的数量明显较前者增多，下部厚度约为1 mm的分凝冰层数量较前者增加、厚度较前者增厚，且上、下部分凝冰的平均层厚的差异更大。另外，后者试样表面裂缝数量较前者多、且略宽于前者，试样的破坏程度也较前者大。由此可知，初始含水率对试样冻结锋面位置的影响程度不大，但对冷生构造特征的影响程度较大，且初始含水率与裂缝的数量和宽度、分凝冰的平均层厚基本成正比。这是由于试样初始含水率较大时，试样的导热系数较大，试样内部传热速度较快，从而加快冻结锋面的下移速率；但同时初始含水率较大的土样内部相变热较大，使冻结锋面的下移速率减小。因此，在导热系数及相变热的综合作用下，两种初始含水率下试样的冻结锋面位置差不多。这与已有文献[26]中研究结果一致。

图6 不同初始含水率下试样在-5℃冷冻温度下经5次反复冻融作用后照片

图7 初始含水率为16.8%的试样在不同冷冻温度下经5次反复冻融作用后照片

3.2.2 不同冷冻温度下试样的冷生构造特征分析 图7显示了初始含水率为16.8%的试样在不同冷冻温度下经5次反复冻融作用后试样的冷生构造和二值化后照片。对比照片可以看出，试样受冻融影响的区域内冷生构造特征不同：（1）不同冷冻温度下，层状冷生构造的分布和分凝冰层厚的均匀性不同。在冷冻温度为-2℃和-10℃时冷生构造的分布较冷冻温度为-5℃时均匀，且在-10℃冷冻温度下，分凝冰层厚和冷生构造的分布都较均匀，分凝冰的平均层厚小于1 mm；而当冷冻温度为-5℃时，分凝冰的发育程度最为突显，且受冻融影响区域上、下部分凝冰的平均层厚的差异最大。发生这种现象的主要原因为，在-2℃冷冻温度下，试样的冻结速率较小，冻结锋面的下移速率较慢，且试样中从未受冻融影响的区域迁移至受冻融影响的区域的水分较少、水分迁移范围较小，使得分凝冰的发育程度有限。但当冷冻温度为-10℃时，试样的原位冻结速率和冻结锋面位置的下移速率均很快，土中水分来不及迁移，导致水分迁移量减小，分凝冰层厚度相对较薄。在冷冻温度为-5℃时，冻结速率大小适中，冻结锋面位置的下移速率相对较快，土中水分迁移量较大。因此，分凝冰的发育最为突显。（2）冻结锋面位置不同。随着冷冻温度的不断降低，冻结锋面不断下移，在-2、-5和-10℃的冷冻温度下，分别距试样顶端约4.6、6.0、8.6 cm；且当冷冻温度为-10℃时，冻结锋面的下移幅度最大。（3）随着冷冻温度的不断降低，试样表面裂缝和分凝冰层的数量均不断增多，分凝冰层间间距变小。另外，试样受冻融影响区域的厚度逐渐增厚，未受冻融影响区域的厚度减薄，且两个区域厚度的变化幅度都较大。

图8 初始含水率为16.8%的试样在-5℃冷冻温度下经不同次数的反复冻融作用后照片

3.2.3 不同冻融次数下试样的冷生构造特征分析 图8为初始含水率为16.8%的试样在-5℃冷冻温度下经不同次数的反复冻融作用后试样的冷生构造及二值化后照片。由照片可见，经不同次数的反复冻融作用后，试样受影响区域表现出不同的冷生构造特征。经1 次冻结后，冻结锋面距试样顶端约4.3 cm，发育少量的层状分凝冰，裂缝数量较少、且间距较大。因为试样仅发生一次冻结，且由图4可知试样的冻结时间较短、冻结速率较小，土中水分来不及充分迁移。经2次冻融后，试样的冻结锋面至试样顶端的距离约为5.6 cm，受冻融影响区域下部分凝冰的平均层厚较上部增厚，且裂缝和分凝冰层的数量均增多。经5次冻融作用后，试样冻结锋面约距顶端6.0 cm，且冻结锋面至顶端的距离的增大幅度较经2 次冻融时减小；裂缝的数量增多、宽度变宽；分凝冰层数量增加，受冻融影响区域上、下部分凝冰的平均层厚的差值更大，且在距试样顶端1 cm范围内分凝冰层分布较密集。主要因为试样在冻结过程中水分不断向试样表面迁移，而融化后水分向试样内部迁移[16]；试样在反复冻融作用下，冰晶不断的冻结和融化，破坏了土颗粒之间的联结力，使土体内部裂隙变大[32]，从而使水分在孔隙中滞留并发生冻结。另外，随冻融次数的增加，试样受冻融影响区域的厚度增厚、未受冻融影响区域的厚度减薄，但两个区域厚度的变化幅度相对冷冻温度影响下较小。通过对比发现，经反复冻融作用后，受冻融影响区域下部分凝冰的平均层厚较上部增厚；并随冻融次数的增加，该种变化趋势更加突出。说明冻融作用对冷生构造发育的影响是不断累积的过程，同时反复冻融作用下冻结锋面的下移速率减小。

由此可知，不同影响因素对试样冻结锋面位置的影响程度由大到小依次为：冷冻温度、冻融次数、初始含水率。在相同初始含水率和冻融次数下，冷冻温度为-5℃时，试样的冷生构造发育最为突显。因此，在大坝冬季施工过程中，应该特别注意日最低气温为-5℃左右时土料的冻结情况，避免已经碾压完成的填土中冷生构造的存在及由此对坝体心墙土料的填筑质量产生的影响。

3.3 试样经反复冻融作用后水分迁移特性以下主要分析不同初始含水率、冷冻温度和冻融次数等单因素影响下，经反复冻融作用后土中水分迁移特性。图9 显示了不同影响因素下试样在反复冻融前、后不同高度处含水率的分布曲线，图中wi指初始含水率。试验结果显示，不同影响因素下，经反复冻融作用后试样受影响区域的含水率较初始含水率增大，未受影响区域的含水率较初始含水率减小。且试样顶端1 cm范围内的含水率最大，这与薄层状分凝冰的分布情况基本一致。主要由于从图4可知，土样在最开始冻结时冻结速率最大，靠近顶端的水分发生原位冻结，液态水相变为冰，破坏了试样最初的能量平衡状态，从而在垂向温度梯度下，使下部势能高的区域的水分逐渐向上部势能低的区域迁移，重新达到新的能量平衡[29]。另外，靠近冻结锋面处试样的含水率最小，主要因为试验开始时试样的冻结速率较小，水分不断向试样顶部迁移。试样未受冻融影响区域含水率减小的原因在于，一方面，该区域内水分在温度梯度作用下不断向受冻融影响的区域和冻结锋面迁移，且没有水分补给；另一方面，该区域内试样发生了固结作用，含水率减小。

图9 不同影响因素下试样反复冻融前后不同高度处含水率变化

图10 初始含水率为16.8%的试样在-5℃冷冻温度下经5次反复冻融作用后土中水分迁移和冷生构造变化

初始含水率为20.5%的试样中水分迁移总量较含水率为16.8%的试样大，且前者的下部含水率的减少量和上部含水率的增加量均较后者大（图9（a））。由此表明，初始含水率较大的试样的水分迁移效果较初始含水率小的试样更佳。这与已有研究结果一致[16]。主要因为：一则，在相同的冷冻温度和冻融次数下，前者未受冻融影响的区域较后者有更充足的水分向冻结锋面和受冻融影响的区域迁移；二则，在相同温度条件下，前者的导热系数较后者大，增大了其传热速率，使更多的水分由试样下部向上部迁移。随冷冻温度的降低，试样中水分迁移范围不断增大，但含水率的变化量相对较小（图9（b））。另外，冻融次数的增加使试样中水分迁移范围和含水率的变化量增大；经5次反复冻融作用后，试样含水率的变化幅度和变化量均较大（图9（c））。由此可见，随试样初始含水率的增大、或冷冻温度的降低、或冻融次数的增加，试样含水率的变化量不断增大。

另外，为了研究试样经反复冻融作用后含水率的变化与冷生构造特征之间关系，选取初始含水率为16.8%的试样在-5℃冷冻温度下经5次冻融作用后，不同高度处含水率的分布情况和冷生构造特征进行分析（图10）。从图10（a）中可以发现，在试样受冻融影响的区域，试样的含水率与高度之间成正比，即试样高度越高，含水率越大，并基本呈线性变化。在试样未受冻融影响的区域，试样的含水率与高度之间基本成反比，即试样高度越高，含水率越低。主要因为从图4可知，试样越靠近底端的位置，温度相对越高，该位置与试样底端之间形成的温度梯度越小，热流密度较小，从而使水分迁移速率越小。另外，对比图10（b）（c）可以发现，试样受冻融影响区域的冷生构造与反复冻融后试样含水率的分布情况基本一致，即随冻结锋面至试样顶端的距离不断增大，裂缝和分凝冰层的数量、以及试样含水率均减小。试样最大含水率所处位置对应于顶端薄层状分凝冰分布的位置，且试样表面分布的薄层冰晶也最多。说明试样经反复冻融作用后含水率的变化与冷生构造特征之间能够互相验证。

3.4 经反复冻融作用后试样的冻胀变化规律在封闭系统下单向冻融过程中，试样的冻胀主要是试样受冻融影响区域的毛细水原位冻结导致的体积膨胀、未受冻融影响区域的水分迁移至受冻融影响区域发生冻结形成的分凝冰膨胀、以及未受冻融影响区域的压密固结过程三者综合作用的结果[2]。以下就试样的冻胀量与试样的初始含水率、冷冻温度和冻融次数之间的关系进行分析。

试样的冻胀变形通过用游标卡尺测量冻融后试样高度测得。图11为试样的冻胀量与不同影响因素之间的关系。由图可见，与已有文献中开放[15，22，29]和封闭系统下[16-18]试样的冻胀量相比，本文中试样的冻胀量较小。主要由于本次封闭系统下单向冻融试验中试样处于非饱和状态，试样的含水率较饱和土样小。因此，初始含水率较小的试样原位冻结导致的试样体积的增加量较小，可以忽略原位冻结造成的冻胀量。由图9可知，试样经反复冻融作用后，受影响区域的含水率增大，未受影响区域的含水率减小。因此，可以认为试样的冻胀机制主要是分凝冰膨胀和未受冻融影响区域的压密固结过程作用的结果。另外，由于封闭系统下非饱和土样的水分迁移总量较小（图9），温度恒定时间（图4）与已有文献[17，22]中相比较短，土中水分来不及充分迁移，分凝冰的平均层厚相对较薄。因此，试样的冻胀量较小。

图11 试样经反复冻融作用后冻胀量与各影响因素之间关系

从图11（a）中可以看出，两种初始含水率下，随冻融次数的增加，试样的冻胀量均增大；且冻胀量与冻融次数之间基本成线性关系。另外，在相同的冷冻温度和冻融次数下，含水率为20.5%的试样的冻胀量基本为含水率为16.8%的试样的2倍多。这是因为初始含水率对试样冻胀量的影响主要是由于水相变成冰引起试样的体积增大，且由图9（a）可知，初始含水率越大，试样中水分迁移量越大。结合图6可以发现，含水率为20.5%的试样受冻融影响区域下部分凝冰的平均层厚较含水率为16.8%的试样增厚，说明冻胀量的明显增大主要是该区域分凝冰作用的结果。不同初始含水率下试样的冻胀量与土中水分迁移总量和冷生构造随冻融次数的变化规律基本一致。从图11（b）中可以发现，试样的冻胀量随冷冻温度的降低而成倍增大，且冻胀量与冷冻温度之间基本成线性关系。主要因为：一则，由图7 和图8可见，随冷冻温度的降低和冻融次数的增加，试样受冻融影响区域下部分凝冰的平均层厚增厚；二则，从试样未受冻融影响区域向受冻融影响区域迁移的水分含量增加（图9）。说明不同冻融次数下试样的冻胀量与冷生构造、水分迁移总量随冷冻温度的变化特性基本一致。由此可知，受冻融影响区域下部分凝冰对试样的冻胀起主要贡献作用。

另外，对比发现初始含水率对试样冻胀量的影响最大，其次为冷冻温度，而冻融次数的影响最小。这与各影响因素对经反复冻融作用后试样含水率的影响程度基本一致。本研究存在的局限性主要在于，研究范围较小，只是基于现场特殊的工况条件，对浅冻、较少的冻融次数下试样的冷生构造和水分迁移特性进行了研究。单向冻融作用下冷生构造的发育及冻胀的产生可能会影响大坝心墙土料在冬季填筑过程中的填筑压实度，从而可能会影响坝体心墙土料的填筑质量及填筑进度。本研究可能会对大坝心墙冬季填筑过程中冻融防控方面具有一定的指导作用，尤其当大坝现场日最低气温低于-5℃时，要特别注意对黏土的冻融防控措施的选择，应在夜间停止施工期间及时覆盖保温材料，以尽量避免已填土料发生冻结。

4 结论

结合中国两河口水电站大坝心墙冬季施工过程中现场土料短时、高频、浅冻结条件下冻融过程，在室内封闭系统下进行了不同初始含水率、冷冻温度和冻融次数等单因素影响下重塑非饱和黏土的反复冻融试验，分析了试样冻结过程中内部温度的变化，且对试样的冷生构造、水分迁移及冻胀变化规律进行了研究。得出以下主要结论：

（1）在较高的冷冻温度下，试样经短时反复冻融作用后，与已有研究结果相比，试样受影响区域发育的层状冷生构造分布比较均匀，分凝冰层数量增多，且下部分凝冰的平均层厚较上部增厚，约为1 mm，但冷生构造区域划分不明显。

（2）试样冷生构造特性受试样的初始含水率、冷冻温度和冻融次数等影响较大。试样初始含水率对分凝冰层厚度的变化影响最大。冷冻温度对试样冷生构造的发育和厚度的影响程度不同。冷冻温度为-5℃时，试样的冷生构造发育程度最佳，且受冻融影响区域上、下部分凝冰的平均层厚的差异最大；而在-10℃冷冻温度下，分凝冰的层厚和层状冷生构造的分布都较为均匀。冻融次数对试样冷生构造的影响表现为累积过程，随着冻融次数的增加，分凝冰层的数量和平均层厚不断增加，且分凝冰层的厚度和冷生构造的分布更为均匀。

（3）随试样高度的增大，试样受冻融影响区域的含水率线性增大，而未受冻融影响区域的含水率的变化规律正好相反。且试样顶端1 cm范围内含水率最大，薄层状分凝冰层的数量最多。另外，试样的冻胀量较小，主要由受冻融影响区域分凝冰的膨胀和未受冻融影响区域的压密固结过程两部分组成，且受冻融影响区域下部分凝冰为试样冻胀量起主要贡献作用。