饱和砂土低温未冻水演化规律分析

樊 华，曹广勇，杨 溢，邵晚行，李湘炜

(安徽建筑大学 a.建筑结构与地下工程安徽省重点试验室；b.土木工程学院，安徽 合肥 230601)

采用人工冻结法施工时，由于冻结壁受到冻融循环的影响，对土的工程性质及相邻建筑物会产生不良影响，因此冻结壁的稳定性与强度至关重要。国内外学者对土中未冻水受冻融循环的未冻水具体演化规律展开了大量研究。寇璟媛、马新岩等从微观结构出发得到了基于孔隙结构的SFCC表达式，指出融化过程的冻结特征曲线是主冻结特征曲线，并结合试验数据的对比分析，模型有效展示了多次冻融循环下土体冻结特征曲线的滞回效应，适用于多次循环下的非饱和冻土[1]。姜德义、张水林等将饱和蒸馏水与 3%NaCl 水溶液的砂岩试样进行冻融循环试验，发现冻融损伤主要是因静压、渗透压破坏与水化介质对岩石的溶解侵蚀造成的[2]。P. Viklandery通过对密实和松散土体土体进行冻融循环试验，得出干密度会在冻融循环后会分别降低和变大，由此引起劣化和强化2种相反的效应[3]。

综上所述，前人对于冻土未冻水已有大量研究，但鲜有对于砂土未冻水在冻融循环下的具体剖析。本文利用苏州纽脉核磁共振仪器检测饱和南通砂土样在冻融循环中未冻水的演化情况，分析其演化规律，并对其中几个特殊现象作出科学解释，揭示冻融循环作用下饱和砂土未冻水含量变化的内在机制。

1 试验材料与原理

1.1 试样制备

本试验土样取自江苏省南通市地铁一号线地铁利用冻结法技术施工的土层，通过原状土制备干密度为10 g/cm3的饱和重塑砂土。根据标准和规范要求，原状土在工程现场取回实验室过程中，需要将其装入密封袋保存，防止水分损失，保证其初始含水率；然后取出原状土置于干燥箱中，在105 ℃的温度环境下烘干24 h，得到去除水分的干砂土样；烘干取出后注纯净水制备含水率为32.3%的饱和重塑砂土样，最后将制备完成的21 g饱和砂土样装入冻融核磁试验的PEEK样品盒，样品盒尺寸10 mm×20 mm(直径×长度)。土样其他物理参数见表1。

表1 砂土样基本物理参数

1.2 未冻水计算原理

图1为低场核磁共振仪器，当试验砂土样的温度处于正温区时，随着温度的降低，核磁信号呈现出近似线性的小幅度上升趋势，这是因为未冻水的核磁信号会随着温度的降低而升高，与居里定律的土体孔隙水核磁信号强度与温度之间呈线性关系的现象相吻合。所以假设一定的试样，理论情况下核磁信号量与温度之间存在下列函数关系，即

Qc=a*T+b，

(1)

式中：Qc为理论核磁信号量；T为试样的实际温度；a，b为任意常数(a≠0)。

图1 低场核磁共振仪器

在具体试验中发现；正温区在试样未达到相变温度时，满足以上函数关系；但温度达到相变温度后，实测信号量会偏离该函数曲线，且在该曲线下方，即实际信号量Q0小于该温度点时的理论信号量Qc。这是因为试样中未冻水达到相变温度，水分固结成冰后，核磁信号的衰减速度非常快，凝固成冰的信号采集不成功，此时采集到的只有试样中的未冻水核磁信号。因此，笔者基于正温区实测饱和砂土未冻水核磁信号数据，先绘制正温区顺磁线性回归线，对正温区的温度与核磁信号关系进行一次线性拟合，见图2。

图2 正温区顺磁线性回归线

拟合后方差0.994，拟合关系式为

Qc=-97.41T+29 271.53，

(2)

式中：Qc是核磁信号强度；T是温度。

拟合后顺磁线性回归线如图3所示，再将正温区的顺磁线性回归线延伸到负温区，得到整个温度区间的顺磁线性回归线。

由此，不同温度下试样的未冻水含量为

(3)

式中：Wu为未冻水含量；W0为饱和砂土样的初始含水率；Y为温度T下实测的核磁信号值，即Q0；Y1为温度T时顺磁线性回归线对应的核磁信号值，即Qc。

综上，初始未冻水含量即为砂土样初始饱和含水率，相变后负温区未冻水含量由式(3)计算所得，由此得到修正后的温度-未冻水含量关系，如图3所示。

(a) 降温

(b) 升温图3 升降温未冻水变化曲线

2 冻融循环试验

将夹持器探头装入磁体，连接围压液循环管路、射频线、探头恒温软管，开启探头恒温槽开关，设置其温度为32 ℃，启动水泵，利用标样寻找采样基本参数，并测试基底信号；然后用热缩管将装有饱和砂土样的PEEK样品盒与夹持器堵棒进行封装，完毕后装入夹持器；最后给围压循环管路中添注满氟化液，设置1 200 r/min循环转速及5 MPa保护压力，通过控制低温恒温槽温度，改变样品温度，即夹持器测温温度；每个温度点稳定后等待3 h后采集核磁共振信号，通过计算机数据采集分析系统记录该温度点下的核磁信号数据，即样品信号量与温度之间的函数关系，并据此推算结冰后的未冻水含量。

本试验进行了1个冻融循环，设置测温范围为-8～20 ℃。由于未冻水含量的变化主要集中在冻结温度附近，所以在0 ℃附近进行温度点加密，以0.5 ℃小梯度范围进行升降温，其中升降温过程试验分别设置12个温度点，实际温度变化曲线见图4。

图4 实际温度梯度

3 试验结果与分析

3.1 冻融过程分析

冻结后的细部结构见图5，控制其他因素不变，在1个冻融循环下给出饱和砂土样未冻水含量与温度的关系，见图6。

图5 饱和砂土细部结构

图6 饱和砂土未冻水含量与温度关系曲线

冻结过程变化分为3个阶段：第一阶段为过冷阶段(0～-0.3 ℃)，土中水处于负温但无冰晶产生，未冻水含量保持32.3%不变，该现象首先是因为土样处在1个封闭系统内，不会产生水分的损耗，另外因为土中存在的未冻水会受到土颗粒表面能的作用，而且由于水中会不可避免地存在一定量的溶质，致使土的冻结温度要小于冰点；第二阶段描述为跳跃阶段(-0.3～-0.8 ℃)，随着冻结降温到-0.8 ℃，未冻水含量突降到3.66%，该现象是由于达到了土体未冻水的冻结温度，土中大部分未冻水发生相变，形成冰晶；第三阶段为稳定阶段(-0.8～-8 ℃)，该阶段随着温度继续下降至-8 ℃，未冻水含量继续保持下降趋势，但是下降幅度非常小，仅在1.32%左右，这主要是因为土样达到相变温度，未冻水含量发生突变后，样品中未冻水主要以薄膜水和吸附水存在，由于温度的持续下降，薄膜水的厚度会越来越小，因此受到土体表面的吸附作用也会越来越强，导致自由水转化为固态冰需要消耗更多能量，即会导致这部分未冻水的相变点持续降低，使负温区间未冻水含量保持在相对稳定的一个状态。

负温-7.6～-0.2 ℃升温过程中未冻水含量变化较小，仅从1.84%增加到4.08%，上浮2.24%，增长速率低。不同于冻结过程，未冻水在达到相变温度发生突变现象，融化过程中，当温度上升到相变温度，未冻水含量虽然也发生较大幅度的变化，但是随着温度升高未冻水含量增加的速率却呈现逐渐变小的趋势，直至土中冰晶完全融化，未冻水含量达到稳定状态。这是因为负温条件下融化温度会随着含水率的增大而升高，所以随着过程进行，融化温度逐渐变大，导致未冻水增长速率会有所变慢。待土中冰晶完全融化完后，未冻水含量会在土温与环境温度达到平衡时趋于稳定。

3.2 冻融循环的滞后现象

由图6可以看出，在相变温度范围一直到负温区，测得的未冻水含量在冻结过程中始终大于融化过程，即融化过程测得的未冻水含量曲线较冻结过程测得的未冻水含量曲线具有滞后现象。且未冻水含量的滞后程度最大的现象出现在冻结过程的相变范围，但随着温度继续降低，滞后程度变缓。

表2列出代表温度点冻融2个过程的未冻水含量差值.相变区大程度滞后是因为所研究的对象为南通饱和砂土，具有较高的初始含水率，以至于土体中大小孔隙都存在大量自由水，而冻结是从大孔隙开始的，所以在达到相变温度时，体积未冻水的含量发生大幅度下降，而融化过程是从小孔隙开始的[4]，且不存在过冷现象对应的未冻水含量跳跃阶段，而是随温度升高，未冻水含量增长速率呈下降趋势，以致于相变温度范围的大程度滞后现象；相变以后的负温区，由于土体中的毛细水和薄膜水开始冻结，使土体中水合作用占据主导地位，从而相应的滞后程度便会降低.

整个过程的滞后现象是因为土体在冻结过程存在过冷现象，相变温度小于冰点，与熔化温度存在差别，其次冻结过程液态水相变成固态冰，会导致孔隙结构的变化，进而导致了毛细效应的变化，从而引起孔隙水熔点的变化，与冻结温度产生差值，两大因素是致使全过程滞后现象的主要原因.

表2 未冻水含量差值

3.3 冻结温度

土的冻结温度是判定土体冻结深度的基本指标，对土中的温度梯度有一定的影响。由于土中不可避免地会含有溶质，并且受到的土颗粒表面能的作用，会导致土的冻结温度低于纯水的冰点，但发现南通饱和砂土的冻结温度处于-0.8～-0.3 ℃区间，仍比较接近冰点。为此，再次利用核磁共振仪器做了1组含水率为20%的砂土冻结温度试验，得到1组不同低温下的T2谱图，基于固态冰难以测得核磁信号这一原理，得到相变温度范围，如图7所示.

图7 20%含水率砂土T2谱

根据试验结果，20%含水率砂土样的未冻水含量在-1.6 ℃发生突变，冻结温度在-2.7～-1.6 ℃区间，相比饱和砂土，冻结温度降低了1 ℃左右，即初始含水率的升高会使土样的冻结温度上升。究其原因，土体的内在属性会直接影响冻结温度，其中包括土体颗粒的矿物组成成分、分散度、水溶液的组成成分和浓度以及外界条件如荷载等的影响，而初始含水率的高低会影响土颗粒的分散度。显然饱和砂土样的土粒分散度更高，所以在土样干密度相同的前提下，较大初始含水率土样的水分子受到的平均土颗粒表面能作用就越小，达到冻结时的温度也就越高，反之亦然.

3.4 残余含水率

低温稳定状态下的未冻水含量称之为残余含水率，由于土样中未冻水不仅存在于土壤基质表面，低温条件下冰晶之间也会赋存未冻水，所以初始含水率对低温稳定状态下的未冻水含量呈正相关关系，但是对未冻水含量的影响有限，且温度越低，影响幅度越小。另外当冻土温度小于-1 ℃时，土壤的干密度对低温稳定未冻水含量影响也较小，未冻水含量的差值小于1%。因此在本文-7.6 ℃的低温条件下，初始含水率和干密度影响的残余与含水率可以忽略不计。在该理论前提下，刘波等人用初始含水率为25%、平均干密度约为1.75 g/cm3的粉土样在-30～30 ℃的温度条件下进行冻融试验[5]，其中低温稳定未冻水含量为3.75%。这与本文饱和砂土样-7.6 ℃条件下1.84%低温稳定未冻水含量相比，高了接近2倍。因此，笔者补充了1组-10 ℃黏土样，试验结果如图8所示，按照南通饱和砂土的未冻水含量计算方法，得到其低温稳定未冻水含量，探究影响砂土残余含水率的因素。

图8 黏土未冻水含量变化

根据试验结果，-10 ℃低温下，黏土与饱和砂土未冻水变化的曲线走势类似，残余含水率为4.1%，综上3种土质的残余含水率具体表现为黏土>粉土>砂土，可见土质对低温稳定未冻水含量存在影响。黏土的粒径小0.005 mm，粉土的粒径大于0.075 mm的颗粒质量不能超过总质量的50%，砂土的粒径在0.05～2.00 mm之间.所以随着土壤颗粒的变小，残余含水率呈下降趋势。究其原因是基于土壤表面积会随着土壤颗粒变细而变大，同时伴随着土颗粒的分散性也会变大，这会导致土壤的束缚水能力变强，因此负温下的残余含水率也会相应变低。

4 结论

1) 砂土降温过程为过冷、跳跃、稳定3个阶段；相变点在-0.3～-0.8 ℃ 范围，升温过程不存在未冻水突变现象，未冻水增长速率随温度上升而变慢。

2) 砂土在1个冻融循环过程中存在滞后现象，融化过程滞后于冻结过程，其中相变温度点范围最为显著.

3) 饱和砂土的相变温度与初始含水率较低的砂土相比有所提高。

4) 稳定负温下，相较于粉土和黏土，砂土的残余含水率最低。