凍融與靜荷載雙重作用下土體內部孔隙水壓力、水分場變化規(guī)律研究

肖東輝+馬巍+趙淑萍+張澤+馮文杰+張蓮海

摘 要：在季節(jié)凍土區(qū)，土體內部孔隙水壓力和水分含量受凍融循環(huán)和外部荷載的影響.通過模型試驗，利用孔隙水壓力傳感器和水分傳感器對凍融與靜荷載雙重作用下黃土內部的孔隙水壓力和水分含量進行監(jiān)測，得到不同深度處孔隙水壓力和水分含量的變化過程.結合靜荷載的應力場，進一步分析孔隙水壓力和水分含量的空間變化規(guī)律.試驗結果表明：在凍融與靜荷載雙重作用的初期，土體內部孔隙水壓力快速增大；之后，孔隙水壓力開始隨溫度呈周期性變化.在一個凍融周期內，土體內部孔隙水壓力和水分含量都隨溫度的升高而增大，隨溫度的降低而減小，而且孔隙水壓力和水分都隨溫度的變化而表現(xiàn)出滯后性.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙水壓力在荷載下方和兩側形成三個集中區(qū)；水分則在荷載下方形成高含水量區(qū)，在荷載兩側形成低含水量區(qū).通過對靜荷載產生的應力場進行分析發(fā)現(xiàn)，土體內部孔隙水壓力和水分場的空間分布與靜荷載產生的應力場有密切關系.

關鍵詞：凍融循環(huán)；靜荷載；模型試驗；孔隙水壓力；應力；溫度

中圖分類號：TU411.93文獻標志碼：A

季節(jié)凍土區(qū)土體經歷著反復的凍結和融化過程，這種以年為周期的凍融循環(huán)作用是導致季節(jié)凍土區(qū)工程病害問題的重要原因之一[1-3].而這些病害的形成與土體內部水分的變化有著密切關系[4-5].大量室內實驗研究已經證明凍融過程中有水分遷移的存在，凍土中的水分遷移與凍結緣中土水勢梯度有關，而該梯度主要取決于土質、凍結速度和凍脹速度等因素[6].在凍結過程中水分向凍結鋒面遷移，在融化過程中水在自重作用下向凍結前的位置遷移，但是由于土的阻滯力作用，水分不能返回原位置，導致土體內部水分的重分布[7-10].

在凍融循環(huán)過程中，土體內部的水分遷移與孔隙水壓力變化有著直接關系[11-12].國內外學者對凍融過程中的孔隙水壓力進行了實驗研究，結果表明：凍融循環(huán)過程中土體內部的孔隙水壓力變化受溫度、凍結速率、凍融循環(huán)次數(shù)以及土質等因素的影響[13]；當溫度下降到凍結點以下時，孔隙水壓力下降為負值；當溫度升高到凍結點以上時，孔隙水壓力快速升高為正值[14]；通過X射線圖片收集冰透鏡體的形成過程，發(fā)現(xiàn)在凍結前緣穩(wěn)定以后不久產生了較大的孔隙水壓力，孔隙水壓力的峰值與溫度的峰值同步[15].對凍結緣附近的孔隙水壓力進行測量，發(fā)現(xiàn)孔隙水壓力梯度是水分向凍結鋒面遷移的驅動力，而有效應力的增加則導致凍結鋒面處的固結[16].當施加荷載時，普通未凍結土的孔隙水壓力會立即達到峰值高度，而凍土需要一定時間才能達到峰值[17].

目前，對于凍結和融化過程中水分遷移和孔隙水壓力變化的研究大都集中在無荷載的小土樣試驗上，基于大土樣的模型試驗、研究荷載作用對土體中水分遷移和孔隙水壓力變化的影響研究還不多.本文基于模型試驗研究在凍結和融化過程中靜荷載作用下土體中水分和孔隙水壓力的變化過程.針對其產生機理、影響因素及其發(fā)展規(guī)律進行研究，以期為寒區(qū)工程提供理論依據(jù).

1 試驗材料與方法

1.1 試驗土樣的物理參數(shù)

本次模型試驗用土為蘭州黃土（36°01′14″N， 103° 50′15″E，海拔1 624 m），采樣地點屬于季節(jié)凍土區(qū).按照土工試驗方法標準對土樣的液塑限、密度、最大干密度、含水量等物理性能進行測試，結果如表1所示，土樣顆粒分析結果如圖1所示.

孔隙水壓力快速增大之后，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加，孔隙水壓力開始呈周期性變化，但是不同位置處的孔隙水壓力表現(xiàn)出不同的變化趨勢.從圖7中可以看出，由于d1和d2處于荷載正下方，同一深度土體的孔隙受擠壓變形較大，孔隙面積越小，所以d1和d2位置處的孔隙水壓力分別大于e1，f1和e2，f2位置處的孔隙水壓力；而d3位置在荷載和土體自重作用下，土體孔隙受擠壓變形嚴重，孔隙內水分受擠壓而排出，導致d3位置處的孔隙水壓力小于e3和f3位置處的孔隙水壓力.d位置上的孔隙水壓力隨深度的增加先增大，后減小；e和f位置上的孔隙水壓力則隨深度的增加，始終呈增大的趨勢.同一深度橫向比較發(fā)現(xiàn)d1，e1，f1位置處的孔隙水壓力變化趨勢相似，都是先快速增大，然后趨于穩(wěn)定的周期性變化；d2，e2，f2位置處的孔隙水壓力在快速增大后，都呈周期性變化，但d2位置處的孔隙水壓力整體上呈緩慢增大的趨勢；d3位置處的孔隙水壓力始終呈近似于線性的增大趨勢，e3和f3位置處的孔隙水壓力在快速增大后，整體上都呈緩慢增大的周期性變化.

綜上所述，靜荷載和凍融循環(huán)雙重作用下土體內部孔隙水壓力變化可分兩個階段：快速增大階段和周期性緩慢增大階段.在開始階段，孔隙水壓力主要受土體自重和靜荷載的影響，此時土體內部孔隙水壓力呈快速增大趨勢；之后，靜荷載對土體作用趨于穩(wěn)定，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙水壓力開始隨溫度呈周期性穩(wěn)定變化或者周期性緩慢增大.

2.3 水分變化

本次模型試驗由于水分數(shù)據(jù)采集儀的問題導致前兩個周期水分數(shù)據(jù)丟失，所以水分數(shù)據(jù)從第三周期開始，土體內部水分變化如圖8所示.從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體內部水分呈周期性變化.在凍融初期，由于凍融循環(huán)作用和補水系統(tǒng)的存在，導致水分向土體上部遷移，土體內部1，2位置處的含水量明顯高于初始含水量；3位置處的含水量與初始含水量接近.沿深度方向，土體內部各位置處的含水量變化為：d和g位置處的含水量隨深度的增加而減??；e和f位置處的含水量隨深度的增加先增加，后減小.沿同一深度方向，d1g1位置處的含水量呈先減小，后增大的趨勢；d2f2位置處的含水量基本保持不變，但g2位置處的含水量明顯小于d2f2位置處的含水量；d3g3位置處的含水量則始終呈減小的趨勢.

由于d位于荷載正下方，在荷載應力和自重應力作用下，土體孔隙受擠壓變形，孔隙面積減小，孔隙的毛細力增大，土體的持水性增強，在凍融作用下，水分向上遷移，并在1位置處聚集，導致1位置處的水分含量最高；而g位于土體邊緣，荷載應力影響較弱，孔隙持水性較差，水分在自重作用下向下遷移，導致g位置處的水分含量沿深度方向呈減小趨勢.同理，e和f位于荷載邊緣，荷載橫向應力作用導致e2和f2位置處的孔隙面積減小，孔隙的毛細力增大，土體的持水性增強；而e1和f1位置處的荷載橫向應力影響較弱，孔隙毛細力較小，土體的持水性較差，水分在自重作用下向下遷移，導致e2和f2位置處的水分含量增大，而e1和f1位置處的水分含量減小.土體底部3位置處的水分含量與土樣的初始含水量比較接近，原因是土體自重應力導致土體孔隙擠壓變形嚴重，孔隙容積減小，水分充填于孔隙內部，導致底部水分含量變化不大.

2.4 荷載下方孔隙水壓力和水分變化

保溫試驗箱內荷載下方土體的溫度、孔隙水壓力和水分隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變化.選取處于荷載正下方中線d位置處的溫度、孔隙水壓力和水分數(shù)據(jù)進行分析，結果如圖9所示.其中T表示溫度，P表示孔隙水壓力，W表示含水量.選擇周期性較好的第7周期進行單周期分析發(fā)現(xiàn)，荷載下方的孔隙水壓力和水分含量隨溫度的變化相似.在d1，d2位置，當溫度從最大值下降到最小值時，孔隙水壓力和水分含量都是先增大，后減小；當溫度從最低值升高到最大值時，孔隙水壓力和水分含量則都是先減小，后增大，隨著溫度的變化，孔隙水壓力和水分含量的變化具有一致性.d3位置處由于溫度變化幅度較小，而且靜荷載作用影響較弱，導致孔隙水壓力和水分的變化規(guī)律不明顯.孔隙水壓力隨溫度的變化與土中水的毛細勢和吸附勢變化有關：毛細勢和冰水界面的曲率半徑有關，曲率半徑越大，毛細勢越大，孔隙水壓力越大；吸附勢和未凍水膜的厚度有關，未凍水膜的厚度越大，吸附勢越大，孔隙水壓力越大.溫度升高，土體內的毛細勢和吸附勢均增大，孔隙水壓力增大，反之，孔隙水壓力減小.

從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，d1和d2位置處的孔隙水壓力和水分含量隨溫度的變化具有滯后性.孔隙水壓力表現(xiàn)出滯后性的原因是，降溫過程中，土體內的毛細勢和吸附勢均變小，孔隙水壓力減小，當溫度降低到冰點以下時，土體內部發(fā)生冰水相變，水凍結成冰，土體孔隙中的自由水含量降低，孔隙水壓力進一步減小，由于土體孔隙中自由水含量的最低值是在最大凍結深度出現(xiàn)時，所以在最大凍結深度出現(xiàn)之前，孔隙水壓力將持續(xù)減小，因為最大凍結深度在最低溫度之后，所以孔隙水壓力相對于溫度變化具有滯后性；隨著溫度的升高，土體內部凍結鋒面開始向上移動，冰開始相變成水，首先導致土體內部未凍水含量升高，孔隙水壓力增大，然后隨著溫度的進一步升高，土體內部自由水含量開始快速升高，孔隙水壓力將繼續(xù)增大，但是由于冰完全融化成水需要一定時間，當溫度達到最大值時，土體內的冰沒能完全融化，土體內自由水含量未達到最大值，孔隙水壓力也未達到最大值，所以孔隙水壓力的最大值在最高溫度之后.同理，由于孔隙水壓力的變化與水分含量有著直接關系，所以隨著溫度的變化，水分含量的變化也具有滯后性.

由于d位于荷載正下方，在荷載應力和自重應力作用下，土體孔隙受擠壓變形，孔隙面積減小，孔隙的毛細力增大，土體的持水性增強，在凍融作用下，水分向上遷移，并在1位置處聚集，導致1位置處的水分含量最高；而g位于土體邊緣，荷載應力影響較弱，孔隙持水性較差，水分在自重作用下向下遷移，導致g位置處的水分含量沿深度方向呈減小趨勢.同理，e和f位于荷載邊緣，荷載橫向應力作用導致e2和f2位置處的孔隙面積減小，孔隙的毛細力增大，土體的持水性增強；而e1和f1位置處的荷載橫向應力影響較弱，孔隙毛細力較小，土體的持水性較差，水分在自重作用下向下遷移，導致e2和f2位置處的水分含量增大，而e1和f1位置處的水分含量減小.土體底部3位置處的水分含量與土樣的初始含水量比較接近，原因是土體自重應力導致土體孔隙擠壓變形嚴重，孔隙容積減小，水分充填于孔隙內部，導致底部水分含量變化不大.

2.4 荷載下方孔隙水壓力和水分變化

保溫試驗箱內荷載下方土體的溫度、孔隙水壓力和水分隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變化.選取處于荷載正下方中線d位置處的溫度、孔隙水壓力和水分數(shù)據(jù)進行分析，結果如圖9所示.其中T表示溫度，P表示孔隙水壓力，W表示含水量.選擇周期性較好的第7周期進行單周期分析發(fā)現(xiàn)，荷載下方的孔隙水壓力和水分含量隨溫度的變化相似.在d1，d2位置，當溫度從最大值下降到最小值時，孔隙水壓力和水分含量都是先增大，后減??；當溫度從最低值升高到最大值時，孔隙水壓力和水分含量則都是先減小，后增大，隨著溫度的變化，孔隙水壓力和水分含量的變化具有一致性.d3位置處由于溫度變化幅度較小，而且靜荷載作用影響較弱，導致孔隙水壓力和水分的變化規(guī)律不明顯.孔隙水壓力隨溫度的變化與土中水的毛細勢和吸附勢變化有關：毛細勢和冰水界面的曲率半徑有關，曲率半徑越大，毛細勢越大，孔隙水壓力越大；吸附勢和未凍水膜的厚度有關，未凍水膜的厚度越大，吸附勢越大，孔隙水壓力越大.溫度升高，土體內的毛細勢和吸附勢均增大，孔隙水壓力增大，反之，孔隙水壓力減小.

從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，d1和d2位置處的孔隙水壓力和水分含量隨溫度的變化具有滯后性.孔隙水壓力表現(xiàn)出滯后性的原因是，降溫過程中，土體內的毛細勢和吸附勢均變小，孔隙水壓力減小，當溫度降低到冰點以下時，土體內部發(fā)生冰水相變，水凍結成冰，土體孔隙中的自由水含量降低，孔隙水壓力進一步減小，由于土體孔隙中自由水含量的最低值是在最大凍結深度出現(xiàn)時，所以在最大凍結深度出現(xiàn)之前，孔隙水壓力將持續(xù)減小，因為最大凍結深度在最低溫度之后，所以孔隙水壓力相對于溫度變化具有滯后性；隨著溫度的升高，土體內部凍結鋒面開始向上移動，冰開始相變成水，首先導致土體內部未凍水含量升高，孔隙水壓力增大，然后隨著溫度的進一步升高，土體內部自由水含量開始快速升高，孔隙水壓力將繼續(xù)增大，但是由于冰完全融化成水需要一定時間，當溫度達到最大值時，土體內的冰沒能完全融化，土體內自由水含量未達到最大值，孔隙水壓力也未達到最大值，所以孔隙水壓力的最大值在最高溫度之后.同理，由于孔隙水壓力的變化與水分含量有著直接關系，所以隨著溫度的變化，水分含量的變化也具有滯后性.

從圖11中可以發(fā)現(xiàn)隨著深度的增加，縱向應力和橫向應力都減小.縱向應力主要集中在靜荷載下方，而橫向應力則集中在靜荷載兩側的土體.

3.2 孔隙水壓力的變化云圖

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，荷載和無荷載兩種條件下，土體縱向剖面上的孔隙水壓力變化如圖12所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在一個凍融循環(huán)周期內，溫度越高，孔隙水壓力越大，反之，孔隙水壓力越小，這主要和土體內部孔隙內自由水的毛細勢和未凍水膜的吸附勢有關.

在無荷載條件下，如圖12（a）所示.由于孔隙水壓力傳感器的布設范圍為（-23.3～23.3 cm），而土體寬度范圍為（-35～35 cm），導致土體兩側（-35～23.3 cm）和（23.3～35 cm）范圍內的孔隙水壓力由插值得到，誤差較大，可以忽略，不予分析，即僅分析（-23.3～23.3 cm）范圍內的孔隙水壓力變化.從圖12（a）中可以發(fā)現(xiàn)，在土體底部，由于土體自重應力的影響，導致底部孔隙水壓力較大，而上部孔隙水壓力較小.隨著凍融次數(shù)的增加，孔隙水壓力逐漸增大，這與土體內部水分的遷移有關.

在荷載條件下，隨著深度的增加，土體自重開始影響土體內的孔隙水壓力，而且土體內部的水分場也發(fā)生變化，導致荷載下方孔隙水壓力的最大值并不是在靠近荷載的位置，而是在荷載下方20 cm處.從圖12（b）中還可以發(fā)現(xiàn)在荷載兩側30 cm深度處也有孔隙水壓力集中區(qū)域，這是因為荷載兩側土體在荷載橫向應力和土體自重共同作用下，擠壓變形，導致兩側土體孔隙面積減小，形成孔隙水壓力集中區(qū)，但是由于荷載兩側橫向應力相對于縱向應力較弱，荷載兩側的孔隙水壓力集中區(qū)域的位置比荷載下方孔隙水壓力集中區(qū)域的位置更深.通過圖11和圖12對比分析發(fā)現(xiàn)，靜荷載產生的橫向應力在土體內部的分布與孔隙水壓力的分布相似，說明靜荷載兩側的孔隙水壓力與其在土體內產生的橫向應力有關.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體內水分向凍結鋒面遷移，并在土體內部發(fā)生重分布，導致土體內部孔隙水壓力集中區(qū)域的面積有逐步擴大的趨勢.

綜上所述，在凍融循環(huán)條件下，靜荷載產生的應力場影響著孔隙水壓力在土體內部的空間分布，而且一定程度上影響著水分的空間分布；凍融作用則通過影響土體內水分的遷移和重分布來影響孔隙水壓力的大小.所以，在凍融作用下，土體內部孔隙水壓力自下而上逐漸增大，而在凍融和靜荷載雙重作用下，土體內孔隙水壓力集中在荷載下方20 cm處和荷載兩側30 cm深度處，而且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙水壓力也呈增大的趨勢.

3.3 水分場的變化云圖

無荷載條件下，土體內部的水分場變化如圖13（a）所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，凍融第一周期到第七周期，土體上部顏色逐漸變淺，說明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體內部水分含量變大，而且在距表層0～20 cm范圍內形成2個面積較大、含水量較高的區(qū)域.土體內部含水量出現(xiàn)這種變化的原因是在凍結過程中，根據(jù)熱脹冷縮原理，土體內部所有成分在溫度下降時體積收縮，形成真空地帶，在這種真空吸力作用下，土體下部水分向上遷移，隨著凍融次數(shù)的增加，土體上部水分含量開始逐漸增大.

靜荷載條件下，由于水分數(shù)據(jù)采集儀的問題導致前兩個周期水分數(shù)據(jù)丟失，所以從第三周期開始討論土體內部的水分場的變化.從圖13（b）中可以發(fā)現(xiàn)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體內部距土表層20 cm內的水分含量增大，原因是在凍結過程中水分向凍結鋒面遷移，在融化過程中水在自重作用下向凍結前的位置遷移，但是由于土的阻滯力作用，水分不能返回原位置，導致土體內部水分的重分布.從圖13（b）中可以發(fā)現(xiàn)，在荷載正下方有一個水分集中區(qū)；在荷載兩側，距表層10 cm處有兩個低含水量區(qū)，距表層20 cm位置處則有兩個水分含量較大區(qū)域.荷載下方出現(xiàn)水分含量集中區(qū)域的原因是靜荷載的擠壓作用導致荷載下方土體內部孔隙面積減小，土體孔隙的毛細力增大，在凍結過程中，土體下部水分更快向上遷移，在荷載下方形成高含水量區(qū).荷載兩側距表層10 cm處出現(xiàn)低含水量區(qū)域的原因是荷載兩側的土體受荷載擠壓變形，孔隙內水分向下遷移，導致荷載兩側含水量低，而且由于荷載兩側縱向應力較弱，孔隙毛細力較小，隨著凍融循環(huán)作用的進行，孔隙毛細力的吸水作用較弱，導致水分向上遷移量減小，形成低含水量區(qū)域.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水分向凍結鋒面遷移，導致低含水量區(qū)域的面積逐漸減小；在距荷載較遠的位置，由于荷載作用較弱，土體孔隙擠壓變形較弱，水分向上遷移量大，導致保溫試驗箱壁與土體表層交匯處出現(xiàn)水分集中區(qū)域.

圖13 無荷載、荷載條件下土體表層溫度極值時水分場變化

Fig.13 Moisture fields changing on the temperature extremes of soil surface under conditions of no load and load

4 結 論

1）凍融和靜荷載雙重作用下土體內部孔隙水壓力變化可分兩個階段：快速增大階段和周期性緩慢增大階段.

2）在一個凍融周期內，孔隙水壓力和水分含量都隨溫度的升高而增大，隨溫度的降低而減小；孔隙水壓力和水分含量隨溫度的變化表現(xiàn)出一致性，而且相對于溫度變化，孔隙水壓力和水分含量的變化都具有滯后性.

3）凍融作用導致土體內部孔隙水壓力和水分含量隨凍融次數(shù)的增加而增大；而靜荷載作用則導致孔隙水壓力在土體內部形成三個集中區(qū)域，而且集中區(qū)域的位置和荷載應力場有直接關系.

4）荷載的擠壓作用導致荷載下方和兩側土體孔隙面積都減小，水分排出，含水量減??；但是隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，荷載下方土體孔隙具有更大的毛細力，水分向上遷移的驅動力更強，在荷載正下方形成高含水量區(qū).

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