黑龙江漠河段粗砂土冻胀性试验研究

汪恩良 ，许春光，韩红卫 *，于 俊，马文博

（1.东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江省寒区水资源与水利工程重点试验室，哈尔滨 150030）

冻土是一种包含土颗粒、冰包裹体、未冻水和气的复杂低温地质体[1]。在寒区建筑施工建设和后期管护中，因冻土对温度极为敏感，气温变化可造成土体不同程度冻胀变形和融化下沉，不仅给施工造成巨大困难，还为后期建筑工程使用与养护带来不便，如公路路面不均匀沉降、建筑物基础整体或局部抬高、渠道输配水渠衬砌破坏[2]、人工冻结法岩壁开裂和墙面防水层破裂等。随着国民经济加速发展和国家战略计划相继实施，我国在东北和西北等季节性冻土区和多年冻土区开展大量寒区工程建设，如青藏铁路成功修建，高寒铁路“高大高铁”和“哈佳快速铁路”项目竣工，均标志着我国在寒区建设取得阶段性成果，但由此引发的冰冻灾害仍亟待解决。

研究人员针对冻胀机理展开探讨[3]，Everett[4]和Miller[5]解释在负温条件下引起土体发生冻胀变形的机理，即孔隙水相变结晶体积增大从而挤压土颗粒产生相对移动，土中水发生定向迁移，在土层间形成薄厚不均冰透镜体致使土体发生位移变化。土体冻胀方式有原位冻胀和分凝冻胀两种[6]。砂土作为自然环境及工程中常见土壤，分布广泛，国内学者已在现场与实验室内对土体冻胀特征展开深入研究。周池绪和王正秋对粗砂土冻胀性强弱作分类研究[7-8]，张晋勋等研究不同干密度下饱水砂卵石冻胀性，发现无论在封闭系统还是在开敞系统下，冻胀率均小于1%，属冻胀不敏感类土[9]。潘高峰等于实验室内研究盐渍细砂土冻胀特性，发现土样在低含水率时有冻缩现象，而在高含水率时仅有冻胀现象[10]。杨小荟等分析非饱和沙漠砂冻胀性，当含水率相同时，发现沙漠砂冻胀率随密度增大而增大；当密度相同时，沙漠砂冻胀率随含水率增大而增大[11]。程培峰等对粉砂土开展冻胀试验，认为在含水率一定情况下，冻胀率随压实度增大而减小；当压实度一定时，冻胀率随含水率增大而增大[12]。姜龙等于实验室内开展一系列砂冻胀试验，认为冻胀率与试样含水率呈线性关系，且当含水率大于14%时，存在少量泥砂可达到弱冻胀，在含水率过低情况下，砂类土体表现冻缩现象[13]。臧东亮等指出饱和砂土和碎石土颗粒之间孔隙被水分填满，在负温条件下，孔隙中水相变成冰，挤压土颗粒，但颗粒本身变形较小，促使土体整体体积增大，表现出冻胀性[14]。吉延峻等通过分析影响土体冻胀性强弱众多因素，指出试验土样含水率越高，密度越小，黏粒含量越高，土体冻胀性越强，并提出减少冻胀灾害防治措施[15]。由于土体结构具有复杂性，影响冻胀性因素众多，如颗粒组成、密度、含水率、矿物成分等，外部环境温度和压力影响土体冻胀性。从上述研究成果可看出，土体结构具有复杂性和区域性特点，研究成果不具有普适性，在实际应用中应选取与当地相适应研究成果作为理论依据。

黑龙江流域地处我国高纬度冻土区，黑龙江河道具有滩地低平宽阔、土体结构松散、冲刷冻融侵蚀破坏严重等特点。黑龙江漠河段流域地理位置相对特殊，同时受极端气候和复杂因素影响，针对此地研究成果甚少。本文选取黑龙江漠河段粗砂土为试验材料，探究其冻胀特性，粗砂土比起其他土体物理力学性质差，易被水流冲蚀而发生渗透破坏，使河岸稳定性降低，加之地处冻土区，岸滩土体在一年中可发生多次冻融循环侵蚀破坏[16-17]，造成岸滩土体结构损伤，土体逐渐疏松散落，土体流失，破坏河道结构物地基。因此，研究黑龙江漠河段粗砂土冻胀特性，可为当地水利工程施工建设和后期管理提供理论依据，对保障当地工程建设安全运行，推进黑龙江流域寒区工程建设发展具有重要意义。

1 试验设计及操作方法

1.1 试验区域概况及试样来源

黑龙江亦称阿穆尔河，有南北两源，南源额尔古纳河，北源石勒喀河，南北两源交汇于漠河以西洛古河村后始称黑龙江。黑龙江流域面积广，河道水流补给主要依靠暖季降雨和冷季降雪，水量极为丰富，暖季受气温和辐射影响，河冰消融，流凌堆积，易形成凌汛。

研究区域选取黑龙江漠河段流域，气候属温带大陆性气候，全年平均气温为-4.9 ℃，多年平均降雨量415 mm，雨量充沛，植被完好，是全国冬季气温最低和气候最寒冷地区[18]，受地理位置和气候影响，河流封冻期达171 d，冬季极端气温可达-52.3 ℃。本次试验土样取自黑龙江漠河段流域河漫滩地，采样地地理坐标为122°36′E，53°46′N，因地处高纬度多年冻土区，该地区受水流侵蚀和冻融侵蚀风化作用影响，岸滩土体为黄褐色砂土。

1.2 试样基本参数

在黑龙江漠河段采集地采用环刀法测定粗砂土密度，用电子天平称量环刀和环刀与土的质量并记录完整，选取3个平行试样，带回实验室计算试样密度，采用烘干法测定试样含水率。在实验室按照《岩土工程勘察规范》[19]（GB 50021-2001）对土样分类定名，属天然粗砂土，基本物理参数为：含水率15.96%，密度1.835 g·cm-3，比重2.63，孔隙比0.66。颗粒分析曲线如图1所示。

图1 粗砂土颗粒分析曲线Fig.1 Curve of coarse sandy soil

1.3 试样制备及方案

根据《土工试验方法标准》[20（]GB/T 50123-2019）将带回的粗砂土放在通风干燥处风干，过2 mm 标准筛，放入烘箱内，设置温度105 ℃，恒温烘8 h。在拌和砂土时按照公式（1）计算出制备试样所需水量，按公式（2）计算所需粗砂土质量。将计算好的水量通过喷壶喷入粗砂土内部并不断搅拌，将制作好的粗砂土用保鲜膜包裹并密闭保存，防止水分蒸发散失，放置24 h，使水分充分散布于粗砂土。试样尺寸为直径100 mm×高100 mm，装样分层击实，严格控制各层土质量和高度，分3 次放入击实桶内并用落锤击实成样，层与层之间用土刀刮毛，便于试样各层之间相结合，使土样成为整体，防止分层。试验根据粗砂土现场天然状态设计含水率分别为14%、16%、18%和20%，干密度设计为1.50、1.55 、1.60 和1.65 g·cm-3，本次试验为在试验规范温度控制模式下探究干密度和含水率对粗砂土冻胀特性影响。

1.4 试验仪器设备

本试验于东北农业大学水利与土木工程学院冻土工程实验室内开展，试验设备主要包括土工冻胀试验箱（XT5405FSC）、数据采集器（DT80G）、热敏电阻温度传感器（中国科学院冻土工程国家重点试验室，测量精度±0.02℃）、位移传感器（KTR-50 mm）和试验模具等，如图2所示。

土工冻胀试验箱结构如图3所示，主要由箱体温控系统、顶板温控系统和底板温控系统等组成，箱体内有风扇可对内部空气扰动以实现内部温度均衡，在箱体拉门上设有观察窗口，可配合冻胀箱内部灯光观察试验变化过程。箱体温度控制为-30 ℃～50 ℃，顶板和底板温度控制为-40 ℃～60 ℃，3个温控系统相互独立，可精确控制试验温度。制冷方式采用酒精循环液控制顶板和底板温度，顶板和底板采用与试样直接接触方式给试样降温，降温和升温速率快，制冷效果好效率高，可在短时间内达到预设温度，满足本次冻胀试验要求。数据采集装置采用DT80G 数据采集器，将传感器电阻丝与采集器上端子相连接，设置采集程序，即可监测试验过程中数据变化，该数据采集器可设置不同采集频率和搭接各种类型传感器，应用范围广，操作简单，耐低温效果好。

图2 试验仪器设备Fig.2 Test instruments and equipment

图3 土工冻胀试验箱体内部结构及模具Fig.3 Internal structure of geosynchronous frost heave test chamber and mould

1.5 冻胀试验过程及方法

将试样放入土工冻胀试验箱内试验模具顶板与底板之间，将热敏电阻温度传感器沿模具薄壁孔洞插入试样内部，用以监测土体内部温度变化。位移传感器抵住顶板，监测土体在冻结过程中位移变化，保温材料将试验模具外侧包裹完整，以减少试验过程中热量交换。待试验仪器安置完成后，设置和调试采集系统，以保证在试验过程中完整记录数据。

本试验为有侧限封闭系统试验，仅允许试样在竖直方向发生变形，且温度由顶板和底板控制，可模拟野外土体“单向冻结”规律，按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）中冻胀率试验温度控制要求，即在试验开始前将箱体、顶板和底板均设置为1 ℃，以便在降温过程中试样可快速发生冻结，并将试样恒温6 h，待试样各土层温度均一且恒定时，即可按照试验规范中降温方式开始降温，使试样从顶端开始冻结。

2 结果与分析

2.1 起始冻结温度过程

土体冻结温度是指土体内部孔隙水开始冻结时温度，是判定土样是否处于冻结状态重要依据[21]。土体在冻结过程中，受土体内部颗粒吸附作用、水分含量和含盐量影响，孔隙水在达到冰点即0 ℃后并不发生冻结，而是低于0 ℃某一温度下发生冻结，且起始冻结温度随含盐量的增加而降低[22]。因此，在开展粗砂土冻胀试验前，测定试样起始冻结温度具有重要意义。

粗砂土起始冻结温度测定步骤：按照试验要求将制备好试样放入试样杯中，用保温材料完整包裹试样杯外壁，防止温度散失带来的试验误差。再将试样杯放入土工冻胀试验箱箱体内，在试样表面覆盖保鲜膜以防止在试验过程中水分蒸发散失，在试样杯中心插入一根热敏电阻温度传感器，监测试样内部温度变化。待试样安置完毕后，开启土工冻胀试验箱温度控制系统，对试样降温，设置采集间隔为5 s，待试样完全冻结后，下载并处理试验数据。

图4为粗砂土起始冻结温度过程曲线，此过程可分为4 个阶段：第Ⅰ阶段为粗砂土过冷阶段：粗砂土受环境温度影响，试样温度逐渐降低，当温度达0 ℃时，粗砂土内水分仍未冻结成冰，即温度低于水冻结温度，水却未发生冻结，原因在于，水结成冰先决条件是结晶核存在，结晶核仅在低于水本身结晶温度时生成；第Ⅱ阶段为温度突变阶段：随温度进一步降低，结晶核生成，孔隙水开始结晶，释放潜热，使温度骤升，图中可见粗砂土冻结过程中温度存在骤升现象，因为粗砂土试样内部遵守能量守恒定律，在试样冻结过程中水分子自由度降低，逐渐相变成冰，在此过程下水结冰析出大量热能，打破原来热量平衡，促使试样内部温度发生突增；第Ⅲ阶段为水结晶阶段：因粗砂土颗粒大，表面能小，且土中水多为自由水，所以在潜热析出后，冻结温度十分稳定，试样温度接近0 ℃，试样中水分在稳定温度下开始冻结。在此阶段过程中，土体内部接受外界冷能与土中水相变成冰释放潜热达到能量平衡，至粗砂土试样内部水分完全冻结；第Ⅳ阶段为试样恒定冻结阶段，土样受环境负温影响将进一步冷却，原来存在少量薄膜水等开始冻结。土起始冻结温度受试样土质、含水率、干密度和含盐量等因素共同影响，所以不同试样起始冻结温度略有差异。

2.1.2 质谱条件 采用电喷雾离子源（ESI），正、负离子模式检测；扫描范围：m/z 100～1 200；干燥气：N2（纯度：99.999 9%）；干燥气流速：15 L/min；干燥气温度：350℃；碰撞低能量：4 V；碰撞高能量：10～40 V。

在冻结过程中粗砂土起始冻结温度为温度出现突增跃变后所达到的最高最稳定时温度，由试验结果图4可知，在该试验条件下，粗砂土起始冻结温度为-0.19 ℃。

图4 粗砂土起始冻结温度曲线Fig.4 Initial freezing temperature curves of coarse sandy soil

2.2 粗砂土冻结发展过程

2.2.1 温度场变化过程

待试验结束后采集温度数据，通过分析试验过程温度变化，结合粗砂土冻结试验测得粗砂土起始冻结温度，确定试样开始冻结，并对温度数据作插值处理，绘制粗砂土试样内部温度变化过程图，图5为粗砂土冻结过程温度场沿试样深度随时间发展过程。由图5可知，试样在试验规范温度控制模式下，试样温度场随时间呈一定梯度变化，表现为随试验历时增加，试样温度从最初1 ℃左右开始迅速降温，试样土层距离顶板冷端越近，试样降温速率越快，距离顶板冷端越远降温速率越慢，原因在于试验采用单向冻结方式，当试样顶部达到负温后便开始冻结，冻结锋面开始向下推移，冻结深度开始增加，但因试样内部孔隙水不断结晶释放潜热，同时土层内部存在热阻作用，一定程度上抑制负温向更深土层传递；在靠近暖端附近土体，传递到此处冷能已被大部分耗散，同时在暖端热量作用下冻结锋面推移缓慢，直至冻结锋面停止移动。由于采用试验规范中线性温度控制模式，顶板温度随试验历时增长逐渐降低，降温强度逐渐增大，因此土层冻结深度发展过程随时间变化较为缓慢。

2.2.2 温度梯度变化过程

监测粗砂土冻结过程温度变化，按公式（3）计算土体温度梯度，绘制冻结粗砂土试样内部温度梯度随时间变化曲线，以更好研究冷端温度对粗砂土试样影响效应，如图6所示。

由图6可知，试样在试验规范线性温度控制条件下，试样顶端温度逐渐降低，不同土层之间形成温度梯度不同，表现为随冻结时间增加，试样靠近顶板冷源一端土层温度变化越明显，且温度波动较大，靠近底板暖端土层温度变化程度较小，温度梯度曲线趋于平缓。试样整体表现为随土层深度不断增加，土层之间温度梯度变化逐渐变缓，原因在于土样顶端不断接受来自顶板冷能，沿试样逐渐向试样底部传递，破坏土层中原有热平衡状态，因试样顶端与底端存在温度差，在各土层之间形成大小不均的温度差值，所以试样内部形成温度梯度。与此同时，随试样冻结深度增大，试样内部热阻作用增强，导致试样顶端向底端传导的冷能逐渐衰减，试样自上而下温度逐渐升高，负温衰减程度随试样深度增加逐渐增大，在试样内部形成随试样深度增加逐渐减小的温度梯度。

式中，gradT-温度梯度（℃·cm-1）；ΔT-土层间温度差值（℃）；Δh-与ΔT相对应土层高度（cm）。

2.3 含水率对粗砂土冻胀率的影响

试样在冻结过程中，试样温度受顶板负温影响温度逐渐降低，当温度降低至土体起始冻结温度以下时，试样发生冻结，表现为试样内部孔隙水尤其是自由水释放相变潜热后不断结晶，生成的冰晶体充斥于试样内部残余孔隙之中，当试样内部孔隙不足以容纳产生的冰晶体时挤压土颗粒，使土颗粒发生相对移动，土体表面逐渐隆起，产生冻胀变形量，土体在负温条件下冻结引起的变形量即为冻胀量。冻结深度是指试样在冻结过程中所能达到最大土层厚度，在试验初期，试样受冷端影响较大，冻结速度快，冻结深度快速增加。随冻结深度逐渐向底板靠近，受底板热能影响逐渐增强，冻深增加逐渐放缓，待土体内部能量达到平衡后，试样冻结深度稳定在一固定深度，此时冻结深度为试样冻结过程中所能达到最大冻深，试样冻结深度是冻结锋面推移和冻胀量发展共同作用结果。

表征土体冻胀性强度指标即冻胀率，其为试样在试验过程中形变量和相对应的冻结深度比值，可按公式（4）计算[23]，冻胀率从空间维度探究和讨论土样的冻胀性强弱，是判定土体冻胀敏感性重要特征值之一。

式中，η-试样冻胀率(%)；Δh-试验期间内试样总冻胀量（mm）；Hf-试样冻结深度（mm）。

水作为引起试样冻胀来源，其含量高低对试样冻胀性具有显著影响。为探究含水率对试样冻胀率的影响，考虑在试验规范温度控制模式下试样冻胀性强弱，当干密度为1.60 g·cm-3时，含水率分别为14%、16%、18%和20%条件下冻胀率变化情况，试验结果如图7所示。试验结果显示，粗砂土在不同含水率情况下，粗砂土冻胀率均不足1%。试样在温度逐渐降低条件下，内部水分通过毛细作用向冻结锋面聚集，因粗砂土中细颗粒组分少，颗粒比表面积小，导致土样毛细作用差，持水性差，对水分束缚力和约束力小，导致粗砂土中水分子多以自由水形式存在。在粗砂土降温过程中，温度传递速率快，水分迁移量很小，自由水多在原位发生冻结。试验结果显示，粗砂土冻胀率随试样含水率升高而增大，原因在于试样内部含水率越大，将会有更多水分相变成冰，引起试样体积变化相对增大，从而增大试样冻胀量，引起冻胀率增大。再将试验结果拟合，拟合结果如公式（5）所示。上述试验结果与文献[12]中规律相似。

式中，η-冻胀率(%)；w-含水率(%)。

从拟合结果发现粗砂土含水率和冻胀率之间存在线性关系，R2为0.9753，相关性较好，即粗砂土的冻胀率随试样含水率线性增加。

图7 粗砂土冻胀率和含水率关系Fig.7 Relationship between frost heave ratio and moisture content of coarse sandy soil

2.4 干密度对粗砂土冻胀率的影响

为探究干密度对试样冻胀率的影响，在规范温度控制情况下，控制粗砂土含水率为16%，设计4个干密度水平，即1.50、1.55、1.60和1.65 g·cm-3。在此条件下分别开展粗砂土冻胀率试验，试验结果如图8所示。由图8可知，当粗砂土含水率一定时，试样冻胀率随干密度增大而增大，原因在于，当粗砂土温度降低到负温时，土颗粒之间水分受冷相变成冰后体积增大，一部分冰晶优先填充土颗粒之间孔隙，待孔隙被冰晶填充完全后，余下冰晶挤压土颗粒，引起土颗粒移动，致使试样表面胀起。随粗砂土干密度增大，试样被进一步压实压密，使颗粒间孔隙进一步缩小，在含水率相同情况下，试样干密度越大，土颗粒分子间孔隙越小，孔隙不够容纳产生的冰晶，所以冰晶更大程度挤压土颗粒，引起试样冻胀量变形，从而增大试样冻胀率。在含水率一定条件下，粗砂土冻胀率随干密度增大而增大，拟合试验结果，拟合关系如式（6）所示，拟合决定系数R2为0.9618，拟合效果较好，且与文献[11]中非饱和条件下冻胀率随干密度变化一致。

式中，η-冻胀率（%）；ρd-干密度（g·cm-3）。

图8 粗砂土冻胀率和干密度关系Fig.8 Relationship between frost heave rate and dry density of coarse sandy soil

由以上试验过程和结果发现，在粗砂土试样中，土颗粒粒径较黏土和粉土颗粒粒径大，粒径越小，比表面积大，越吸附并束缚更多水分子。所以，粗砂土中土颗粒无法与水分子形成紧密结构，导致绝大多数水分子均以自由水形式存在于粗砂土颗粒之间孔隙中，仅极少部分水分子和土颗粒结合成为不连续弱结合水。试样在负温情况下，由于粗砂土颗粒间毛细作用较小，薄膜水量不足和不连续性导致颗粒间难以形成使水分子发生迁移的通道。同黏土相比，粗砂土无法使水分子在温度梯度下发生定向迁移，难以形成层状或者网状冷生构造。且粗砂土颗粒间水分子因未被颗粒吸附，导致粗砂土颗粒与水分子之间范德华力较弱，水分子通过氢键作用相互聚集形成较大水分子团，水分子团重力作用大于使其迁移动力，所以在水分子受冷后多发生原位冻胀，由于冻胀量多来自水分迁移而引起的分凝冻胀，故粗砂土无法产生较大冻胀量。

3 结 论

a.研究粗砂土起始冻结温度，从冷却冻结过程曲线中发现，粗砂土冻结过程经历4个阶段，即粗砂土过冷阶段、温度突增阶段、孔隙水结晶阶段和稳定冻结阶段，在本次试验条件下测得粗砂土起始冻结温度为-0.19 ℃。

b. 通过监测粗砂土冻结过程中温度，分析粗砂土试样温度场和温度梯度，试样内部温度场呈梯度变化趋势，距离冷端越近，温度变化程度越大，距离冷端越远，温度变化程度越小；温度梯度随试验时间推移，各土层之间温度梯度逐渐发展，表现为靠近冷端土层之间温度梯度较大，靠近暖端土层之间温度梯度较小。

c.于实验室内开展黑龙江漠河段流域粗砂土冻胀试验，在规范温度控制模式下粗砂土产生冻胀量较小，且冻胀率不足1%，说明该粗砂土样为冻胀不敏感土样。

d. 探究含水率与干密度对砂土冻胀性强弱的影响，当粗砂土干密度一定时，粗砂土冻胀率随试样含水率增加而增大；当粗砂土含水率一定时，粗砂土冻胀率随试样干密度增大而增大。在试验范围内，粗砂土含水率和干密度与冻胀率存在线性关系。