黏土單向凍融作用下冷生構(gòu)造及凍脹特性試驗研究

任秀玲，俞祁浩，王金國，張東明，張振宇，王新斌

（1.中國科學(xué)院 西北生態(tài)資源環(huán)境研究院，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610065）

1 研究背景

中國是世界第三大凍土大國，凍土分布面積占陸地面積的21.5%，其中，季節(jié)凍土指地殼表層冬季凍結(jié)、夏季全部融化的巖土層[1]，占我國國土面積的53.5%[2]。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的不斷實施，在寒區(qū)修建的水電站、公路、鐵路等重大工程建設(shè)逐漸增多。兩河口水電站位于中國四川省甘孜藏族自治州雅江縣境內(nèi)雅礱江干流上，屬于季節(jié)凍土區(qū)，是目前中國第一高、世界第三高土心墻堆石壩。在水電站大壩心墻土料填筑過程中，寒冷的環(huán)境條件下，土料會發(fā)生反復(fù)凍結(jié)和融化作用，土體的結(jié)構(gòu)[3]、含水率、孔隙比、體積和干密度等發(fā)生明顯的變化[4-6]，進一步使土體的壓縮性[4，7-8]、黏聚力[9]、單軸抗壓和抗拉強度[9-11]、無側(cè)限抗壓強度[12]、強度[7，13]和滲透性[3，5-6]發(fā)生變化，且滲透系數(shù)發(fā)生數(shù)量級變化[5]。土中水分遷移過程使土體發(fā)生凍脹[14-15]，進一步導(dǎo)致土料在壓實過程中達不到填筑壓實度，影響土料的填筑質(zhì)量及壩體心墻的穩(wěn)定性。因此，研究反復(fù)凍融作用下黏土的冷生構(gòu)造、水分遷移和凍脹變化規(guī)律非常重要。

在寒區(qū)冬季負溫環(huán)境下，土體中水分在凍結(jié)作用下會逐漸向地表遷移，使土體發(fā)生凍脹，導(dǎo)致凍脹開裂等一系列工程病害產(chǎn)生。因此，許多學(xué)者從不同角度開展了土體水分遷移特性及凍脹病害等研究。已有研究主要通過在室內(nèi)封閉[16-18]和開放[19-21]系統(tǒng)下對黏土[22-24]、黃土[16，25-26]等不同類型的土體進行單向凍結(jié)試驗，研究不同影響因素對水分遷移、凍脹特性等的影響。

在水分遷移特性及其影響因素方面，研究表明凍結(jié)過程中水分不斷向凍結(jié)鋒面和冷端遷移[16，27]，試樣未凍區(qū)的含水率減小，已凍區(qū)的含水率增加[18，25]，凍結(jié)鋒面處試樣含水率最大[25]。另外，粗粒土中水汽遷移規(guī)律的研究表明粗粒土的水分遷移主要表現(xiàn)為氣態(tài)水的遷移[28]。初始含水率[16-17，27]、干密度[23-25]、凍結(jié)溫度[17，26-27]、凍結(jié)速度、凍結(jié)方式[26]等因素影響土中水分遷移特性。在土樣凍結(jié)過程中，土樣的初始含水率越大，經(jīng)單向凍結(jié)后土體的水分遷移量越大、水分遷移效果較明顯[23，25-26]，且凍結(jié)鋒面處土樣含水率的增加量越大[22-23]。但是，試樣初始含水率對凍結(jié)鋒面位置的影響不大[25]。凍結(jié)溫度差對試樣凍結(jié)深度的影響最大，且水分遷移量隨著溫差的增加而增大[17]。

經(jīng)單向凍結(jié)后土體的凍脹特性方面，許多學(xué)者對土體的凍脹進行了室內(nèi)試驗研究[18-20]，表明封閉系統(tǒng)下，試樣的凍脹率隨初始含水率的增加和壓實度的減小而增加[18]。另外，學(xué)者們研究了土體的凍脹發(fā)展和冰分凝過程[15，21-22]，指出試樣冷生構(gòu)造分為不同區(qū)域[15，21]，試樣中冰透鏡體的分凝過程與凍脹過程、以及單向凍結(jié)后含水率之間可以相互驗證[21]；且冷生構(gòu)造的發(fā)育和土樣的凍結(jié)溫度有關(guān)[22]。還有土體單向凍結(jié)過程中基質(zhì)勢、液態(tài)含水率、溫度、含冰量、水分遷移量和凍脹變形等在時空方面的耦合變化關(guān)系的研究，表明試驗后土體內(nèi)總含水率與分凝冰的分布情況一致[29]。

通過以上分析可知，土體在單次、較長時間的單向凍結(jié)過程中，土中水分遷移、冷生構(gòu)造發(fā)育和凍脹發(fā)展過程，以及試驗后土中水分遷移和凍脹特性的研究較為系統(tǒng)，且重點研究冷生構(gòu)造的發(fā)育情況及其對凍脹的影響。但是，關(guān)于室內(nèi)封閉系統(tǒng)下經(jīng)反復(fù)凍融作用后試樣的冷生構(gòu)造、水分遷移和凍脹特性方面的文獻報道較為鮮見。因此，基于短時、淺凍、基本封閉的現(xiàn)場工況條件，本文在室內(nèi)開展不同初始含水率、冷凍溫度和凍融次數(shù)等單因素影響下，重塑非飽和黏土在封閉系統(tǒng)下高頻、短時的反復(fù)凍融試驗，研究單向凍結(jié)過程中試樣內(nèi)溫度的變化、以及經(jīng)反復(fù)凍融作用后試樣的冷生構(gòu)造、水分遷移和凍脹變化規(guī)律，并分析冷生構(gòu)造對壩體心墻土料冬季填筑過程的影響。研究土體在反復(fù)凍融作用下冷生構(gòu)造和水分遷移特性對土體的凍脹機理分析、以及寒區(qū)土料冬季施工過程具有重要意義。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料試驗所采用土樣黏土取自中國四川省在建兩河口水電站，是大壩心墻的重要填筑土料之一，鋪設(shè)于兩岸混凝土蓋板與心墻內(nèi)部礫石土之間，水平寬度為4 m（圖1），為非飽和重塑土。從2017年1月中旬大壩心墻現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一夜后黏土發(fā)生了凍結(jié)，土料內(nèi)部形成了冷生構(gòu)造，且有層狀分凝冰形成，說明在凍結(jié)過程中土體內(nèi)部存在水分遷移和冰分凝過程（圖1）。

圖1 兩河口水電站大壩心墻黏土

表1 黏土的基本物理性質(zhì)指標

表2 黏土反復(fù)單向凍融試驗方案

圖2 黏土的顆粒級配曲線

冬季施工期間，土料在大部分夜間發(fā)生凍結(jié)，白天大部分時間段內(nèi)融化，即土料在一晝夜發(fā)生一次凍融過程。根據(jù)《土的分類標準》[30]（GB/J145-90）中規(guī)定可知，土料為含礫低液限黏土（CLg），其基本物理性質(zhì)指標和顆粒級配曲線分別見表1、圖2。本研究中根據(jù)試驗要求，風(fēng)干碾碎土料過2 mm 篩，但由于土料中以黏粒和粉粒為主，礫類含量約為14%，過篩后顆粒特性變化較小，對其物理性質(zhì)的影響較?。煌瑫r，土料冷生構(gòu)造特性主要受粒徑<0.075 mm 的細顆粒土控制[2]，因此，本研究中土料的顆粒特性和物理性質(zhì)與現(xiàn)場土料可以保持一致。通過多年觀測資料可知，兩河口水電站大壩心墻冬季日最低氣溫約為-10℃，黏土的最大凍結(jié)深度和最長凍結(jié)持續(xù)時間分別約為13.0 cm、16 h。黏土的填筑含水率為16.8%，干密度為1.81 g/cm3；上限含水率為20.5%，對應(yīng)的干密度為1.67 g/cm3。另外，在大壩心墻土料冬季填筑過程中，不同施工工藝下，已填筑土料約靜置一夜至一周，即土樣經(jīng)歷的凍融次數(shù)約為1～5次。因此，本文根據(jù)大壩心墻土料反復(fù)凍融過程中典型的工況條件進行試驗設(shè)計（表2）。本次試驗方案共3組，18次試驗，初始含水率分別為16.8%、20.5%，其主要目的是通過對比這兩種含水率下試樣的冷生構(gòu)造和水分遷移特性的差異性，進一步分析該種差異性對現(xiàn)場土料填筑過程的影響。冷凍溫度分別為-2、-5、-10℃，凍融次數(shù)分別為1次、2次、5次。

2.2 試樣制備依據(jù)《土工試驗方法標準》[31]（GB/T 50123—1999）中具體規(guī)定制備試樣：首先，將黏土風(fēng)干、碾碎、過2 mm篩，按試驗所需含水率配好土樣后于密封袋中悶置24 h，使土顆粒與水分均勻接觸。然后，將土樣分層裝入不銹鋼制樣筒（內(nèi)徑為61.8 mm，高度為230 mm）中，從上、下兩端分別進行壓樣，且控制每層試樣的高度及質(zhì)量，以保證試樣內(nèi)干密度一致。最終，得到直徑為61.8 mm、高度為160 mm的試樣，用保鮮膜包裹試樣后靜置24 h。一則，使土樣內(nèi)水分分布均勻；二則，使不同高度處試樣的初始溫度基本一致，恒定于室溫。

2.3 試驗方法與步驟本試驗所采用的試驗設(shè)備主要由冷浴、恒溫箱、溫度傳感器、以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分組成（圖3）。各試驗條件下，選擇一個試樣從上往下間隔1 cm均勻布設(shè)熱敏電阻式溫度傳感器（精度為±0.01℃），用于測定凍融過程中試樣內(nèi)溫度隨時間的變化。其中，最下面的溫度傳感器距試樣底端約1 cm。試驗過程中，采用CR3000數(shù)據(jù)采集儀（由美國Compell公司生產(chǎn)）自動采集試樣不同高度處的溫度數(shù)據(jù)，時間間隔為10 min。將經(jīng)過恒溫的土樣放置于試樣筒中，并用保溫材料包裹在試樣筒周圍，以保證試樣只在垂直方向發(fā)生一維凍結(jié)。試樣頂端和底端均為溫度控制端，底端溫度為5℃，頂端處于變溫狀態(tài)。由冷浴控制頂板和底板溫度，冷浴的控溫精度為±0.1℃。在試驗過程中調(diào)節(jié)試樣頂端溫度于不同試驗條件下負溫，開始進行封閉系統(tǒng)下自上而下的單向凍融試驗，首次凍融過程中凍結(jié)時長為42 h，之后幾次凍融過程中凍結(jié)時長均為24 h。凍結(jié)完成后，將試樣頂端溫度調(diào)至10℃，進行融化，融化時長為12 h。當(dāng)達到試驗要求的凍融次數(shù)時，取出試樣，在冷庫內(nèi)先使用照相機拍照得到試樣的冷生構(gòu)造照片；然后，用游標卡尺（測量精度為±0.02 mm）測量試樣的高度；其次，沿試樣高度方向間隔1 cm均勻切樣，每個高度處均取2份試樣，采用烘干法測定其含水率（指未凍水含量和含冰量之和），且取兩份試樣含水率的平均值作為該層土樣的含水率。

圖3 單向凍融試驗系統(tǒng)

3 試驗結(jié)果的分析與討論

經(jīng)單向凍融后，隨著土中水分遷移，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和含水率都會發(fā)生改變。以下從試樣凍結(jié)過程中試樣內(nèi)不同高度處溫度變化情況，以及試驗后不同影響因素下試樣的冷生構(gòu)造特征、含水率的分布情況和凍脹變化規(guī)律等方面進行分析。

圖4 試樣凍結(jié)過程中不同高度處溫度變化曲線

3.1 試樣凍結(jié)過程中溫度變化為了分析試樣凍結(jié)過程中溫度的變化，選取具有代表性的初始含水率為16.8%的試樣在-5℃冷凍溫度下，第一次凍結(jié)過程中溫度分布情況進行分析（圖4）。從圖中可以看出，試樣16 cm高度處最先發(fā)生凍結(jié)，之后沿試樣頂端往下依次發(fā)生凍結(jié)，直至凍結(jié)深度約為8 cm時凍結(jié)結(jié)束。溫度隨時間的變化過程大致可以分為三個階段。階段Ⅰ，快速降溫階段，在凍結(jié)初期（0～600 min），試樣降溫速率較大；階段Ⅱ（600～2000 min），緩慢降溫階段，降溫速率相對較小；階段Ⅲ，穩(wěn)定階段（2000 min 之后），表層溫度基本恒定于-5℃。由于本次試驗中試樣的冷凍溫度為-5℃，底端溫度為5℃，溫度梯度相對較小，因此，前兩個階段內(nèi)試樣的降溫速率較慢、降溫時間較長，說明本次試驗中試樣的凍結(jié)速率較慢；另外，試樣的凍結(jié)時間較短，且在階段Ⅲ內(nèi)溫度穩(wěn)定時間相對更短。

3.2 經(jīng)反復(fù)凍融作用后試樣的冷生構(gòu)造特征分析為更好的對比分析試樣的冷生構(gòu)造特征，均選取試樣中間部分水平方向?qū)挾葹? cm，高度為10 cm的區(qū)域進行研究。

為了分析試驗后試樣冷生構(gòu)造的總體特征，選取初始含水率為20.5%的試樣在-5℃冷凍溫度下經(jīng)5次反復(fù)凍融作用后冷生構(gòu)造發(fā)育情況進行分析（圖5）。圖右中黑色部分為分凝冰。由圖可見，試樣冷生構(gòu)造按試樣是否受凍融作用影響分為受影響區(qū)域的水平層狀構(gòu)造和未受影響區(qū)域的整體狀構(gòu)造。受影響區(qū)域?qū)訝顦?gòu)造整體上分布比較均勻，為薄層狀，且下部分凝冰的平均層厚較上部增厚，約為1 mm。但與已有研究結(jié)果[15，21-22]相比，分凝冰層的數(shù)量增多，冷生構(gòu)造區(qū)域劃分不明顯。試樣受凍融影響區(qū)域上部分凝冰分布密集；裂縫數(shù)量較多、間距小，基本成水平的線；且試樣表面分布大量的薄層冰晶。受凍融影響區(qū)域下部裂縫寬度變寬，且該層下部邊緣與未受凍融影響區(qū)域相連。由此可見，在試樣受凍融影響的區(qū)域，自上而下裂縫寬度逐漸變寬、分凝冰層厚度逐漸增厚、分凝冰層間間距逐漸增大，但三者的變化幅度均較小。另外，在大壩心墻冬季土料的填筑過程中，層狀冷生構(gòu)造的產(chǎn)生可能會使土料的填筑壓實度達不到設(shè)計要求，將會對大壩心墻的滲透性和壩體的穩(wěn)定性構(gòu)成嚴重威脅，從而可能會影響大壩的施工質(zhì)量和安全性。

圖5 初始含水率為20.5%的試樣在-5℃冷凍溫度下經(jīng)5次反復(fù)凍融作用后冷生構(gòu)造照片（圖左）和二值化后照片（圖右）

3.2.1 不同初始含水率下試樣的冷生構(gòu)造特征分析 圖6為不同初始含水率下試樣在-5℃冷凍溫度下經(jīng)5次反復(fù)凍融作用后試樣的冷生構(gòu)造和二值化后照片。

對比照片可以發(fā)現(xiàn)，含水率為16.8%和20.5%的試樣在相同冷凍溫度下經(jīng)相同次數(shù)的凍融作用后，試樣表面凍結(jié)鋒面的位置基本相同，距試樣頂端約6.0 cm。但兩種初始含水率下試樣受凍融影響區(qū)域冷生構(gòu)造特征存在明顯的差異，主要表現(xiàn)在：前者分凝冰層的厚度和層狀冷生構(gòu)造的分布都較后者均勻；但后者受凍融影響區(qū)域上部分凝冰的數(shù)量明顯較前者增多，下部厚度約為1 mm的分凝冰層數(shù)量較前者增加、厚度較前者增厚，且上、下部分凝冰的平均層厚的差異更大。另外，后者試樣表面裂縫數(shù)量較前者多、且略寬于前者，試樣的破壞程度也較前者大。由此可知，初始含水率對試樣凍結(jié)鋒面位置的影響程度不大，但對冷生構(gòu)造特征的影響程度較大，且初始含水率與裂縫的數(shù)量和寬度、分凝冰的平均層厚基本成正比。這是由于試樣初始含水率較大時，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)較大，試樣內(nèi)部傳熱速度較快，從而加快凍結(jié)鋒面的下移速率；但同時初始含水率較大的土樣內(nèi)部相變熱較大，使凍結(jié)鋒面的下移速率減小。因此，在導(dǎo)熱系數(shù)及相變熱的綜合作用下，兩種初始含水率下試樣的凍結(jié)鋒面位置差不多。這與已有文獻[26]中研究結(jié)果一致。

圖6 不同初始含水率下試樣在-5℃冷凍溫度下經(jīng)5次反復(fù)凍融作用后照片

圖7 初始含水率為16.8%的試樣在不同冷凍溫度下經(jīng)5次反復(fù)凍融作用后照片

3.2.2 不同冷凍溫度下試樣的冷生構(gòu)造特征分析 圖7顯示了初始含水率為16.8%的試樣在不同冷凍溫度下經(jīng)5次反復(fù)凍融作用后試樣的冷生構(gòu)造和二值化后照片。對比照片可以看出，試樣受凍融影響的區(qū)域內(nèi)冷生構(gòu)造特征不同：（1）不同冷凍溫度下，層狀冷生構(gòu)造的分布和分凝冰層厚的均勻性不同。在冷凍溫度為-2℃和-10℃時冷生構(gòu)造的分布較冷凍溫度為-5℃時均勻，且在-10℃冷凍溫度下，分凝冰層厚和冷生構(gòu)造的分布都較均勻，分凝冰的平均層厚小于1 mm；而當(dāng)冷凍溫度為-5℃時，分凝冰的發(fā)育程度最為突顯，且受凍融影響區(qū)域上、下部分凝冰的平均層厚的差異最大。發(fā)生這種現(xiàn)象的主要原因為，在-2℃冷凍溫度下，試樣的凍結(jié)速率較小，凍結(jié)鋒面的下移速率較慢，且試樣中從未受凍融影響的區(qū)域遷移至受凍融影響的區(qū)域的水分較少、水分遷移范圍較小，使得分凝冰的發(fā)育程度有限。但當(dāng)冷凍溫度為-10℃時，試樣的原位凍結(jié)速率和凍結(jié)鋒面位置的下移速率均很快，土中水分來不及遷移，導(dǎo)致水分遷移量減小，分凝冰層厚度相對較薄。在冷凍溫度為-5℃時，凍結(jié)速率大小適中，凍結(jié)鋒面位置的下移速率相對較快，土中水分遷移量較大。因此，分凝冰的發(fā)育最為突顯。（2）凍結(jié)鋒面位置不同。隨著冷凍溫度的不斷降低，凍結(jié)鋒面不斷下移，在-2、-5和-10℃的冷凍溫度下，分別距試樣頂端約4.6、6.0、8.6 cm；且當(dāng)冷凍溫度為-10℃時，凍結(jié)鋒面的下移幅度最大。（3）隨著冷凍溫度的不斷降低，試樣表面裂縫和分凝冰層的數(shù)量均不斷增多，分凝冰層間間距變小。另外，試樣受凍融影響區(qū)域的厚度逐漸增厚，未受凍融影響區(qū)域的厚度減薄，且兩個區(qū)域厚度的變化幅度都較大。

圖8 初始含水率為16.8%的試樣在-5℃冷凍溫度下經(jīng)不同次數(shù)的反復(fù)凍融作用后照片

3.2.3 不同凍融次數(shù)下試樣的冷生構(gòu)造特征分析 圖8為初始含水率為16.8%的試樣在-5℃冷凍溫度下經(jīng)不同次數(shù)的反復(fù)凍融作用后試樣的冷生構(gòu)造及二值化后照片。由照片可見，經(jīng)不同次數(shù)的反復(fù)凍融作用后，試樣受影響區(qū)域表現(xiàn)出不同的冷生構(gòu)造特征。經(jīng)1 次凍結(jié)后，凍結(jié)鋒面距試樣頂端約4.3 cm，發(fā)育少量的層狀分凝冰，裂縫數(shù)量較少、且間距較大。因為試樣僅發(fā)生一次凍結(jié)，且由圖4可知試樣的凍結(jié)時間較短、凍結(jié)速率較小，土中水分來不及充分遷移。經(jīng)2次凍融后，試樣的凍結(jié)鋒面至試樣頂端的距離約為5.6 cm，受凍融影響區(qū)域下部分凝冰的平均層厚較上部增厚，且裂縫和分凝冰層的數(shù)量均增多。經(jīng)5次凍融作用后，試樣凍結(jié)鋒面約距頂端6.0 cm，且凍結(jié)鋒面至頂端的距離的增大幅度較經(jīng)2 次凍融時減小；裂縫的數(shù)量增多、寬度變寬；分凝冰層數(shù)量增加，受凍融影響區(qū)域上、下部分凝冰的平均層厚的差值更大，且在距試樣頂端1 cm范圍內(nèi)分凝冰層分布較密集。主要因為試樣在凍結(jié)過程中水分不斷向試樣表面遷移，而融化后水分向試樣內(nèi)部遷移[16]；試樣在反復(fù)凍融作用下，冰晶不斷的凍結(jié)和融化，破壞了土顆粒之間的聯(lián)結(jié)力，使土體內(nèi)部裂隙變大[32]，從而使水分在孔隙中滯留并發(fā)生凍結(jié)。另外，隨凍融次數(shù)的增加，試樣受凍融影響區(qū)域的厚度增厚、未受凍融影響區(qū)域的厚度減薄，但兩個區(qū)域厚度的變化幅度相對冷凍溫度影響下較小。通過對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)反復(fù)凍融作用后，受凍融影響區(qū)域下部分凝冰的平均層厚較上部增厚；并隨凍融次數(shù)的增加，該種變化趨勢更加突出。說明凍融作用對冷生構(gòu)造發(fā)育的影響是不斷累積的過程，同時反復(fù)凍融作用下凍結(jié)鋒面的下移速率減小。

由此可知，不同影響因素對試樣凍結(jié)鋒面位置的影響程度由大到小依次為：冷凍溫度、凍融次數(shù)、初始含水率。在相同初始含水率和凍融次數(shù)下，冷凍溫度為-5℃時，試樣的冷生構(gòu)造發(fā)育最為突顯。因此，在大壩冬季施工過程中，應(yīng)該特別注意日最低氣溫為-5℃左右時土料的凍結(jié)情況，避免已經(jīng)碾壓完成的填土中冷生構(gòu)造的存在及由此對壩體心墻土料的填筑質(zhì)量產(chǎn)生的影響。

3.3 試樣經(jīng)反復(fù)凍融作用后水分遷移特性以下主要分析不同初始含水率、冷凍溫度和凍融次數(shù)等單因素影響下，經(jīng)反復(fù)凍融作用后土中水分遷移特性。圖9 顯示了不同影響因素下試樣在反復(fù)凍融前、后不同高度處含水率的分布曲線，圖中wi指初始含水率。試驗結(jié)果顯示，不同影響因素下，經(jīng)反復(fù)凍融作用后試樣受影響區(qū)域的含水率較初始含水率增大，未受影響區(qū)域的含水率較初始含水率減小。且試樣頂端1 cm范圍內(nèi)的含水率最大，這與薄層狀分凝冰的分布情況基本一致。主要由于從圖4可知，土樣在最開始凍結(jié)時凍結(jié)速率最大，靠近頂端的水分發(fā)生原位凍結(jié)，液態(tài)水相變?yōu)楸?，破壞了試樣最初的能量平衡狀態(tài)，從而在垂向溫度梯度下，使下部勢能高的區(qū)域的水分逐漸向上部勢能低的區(qū)域遷移，重新達到新的能量平衡[29]。另外，靠近凍結(jié)鋒面處試樣的含水率最小，主要因為試驗開始時試樣的凍結(jié)速率較小，水分不斷向試樣頂部遷移。試樣未受凍融影響區(qū)域含水率減小的原因在于，一方面，該區(qū)域內(nèi)水分在溫度梯度作用下不斷向受凍融影響的區(qū)域和凍結(jié)鋒面遷移，且沒有水分補給；另一方面，該區(qū)域內(nèi)試樣發(fā)生了固結(jié)作用，含水率減小。

圖9 不同影響因素下試樣反復(fù)凍融前后不同高度處含水率變化

圖10 初始含水率為16.8%的試樣在-5℃冷凍溫度下經(jīng)5次反復(fù)凍融作用后土中水分遷移和冷生構(gòu)造變化

初始含水率為20.5%的試樣中水分遷移總量較含水率為16.8%的試樣大，且前者的下部含水率的減少量和上部含水率的增加量均較后者大（圖9（a））。由此表明，初始含水率較大的試樣的水分遷移效果較初始含水率小的試樣更佳。這與已有研究結(jié)果一致[16]。主要因為：一則，在相同的冷凍溫度和凍融次數(shù)下，前者未受凍融影響的區(qū)域較后者有更充足的水分向凍結(jié)鋒面和受凍融影響的區(qū)域遷移；二則，在相同溫度條件下，前者的導(dǎo)熱系數(shù)較后者大，增大了其傳熱速率，使更多的水分由試樣下部向上部遷移。隨冷凍溫度的降低，試樣中水分遷移范圍不斷增大，但含水率的變化量相對較?。▓D9（b））。另外，凍融次數(shù)的增加使試樣中水分遷移范圍和含水率的變化量增大；經(jīng)5次反復(fù)凍融作用后，試樣含水率的變化幅度和變化量均較大（圖9（c））。由此可見，隨試樣初始含水率的增大、或冷凍溫度的降低、或凍融次數(shù)的增加，試樣含水率的變化量不斷增大。

另外，為了研究試樣經(jīng)反復(fù)凍融作用后含水率的變化與冷生構(gòu)造特征之間關(guān)系，選取初始含水率為16.8%的試樣在-5℃冷凍溫度下經(jīng)5次凍融作用后，不同高度處含水率的分布情況和冷生構(gòu)造特征進行分析（圖10）。從圖10（a）中可以發(fā)現(xiàn)，在試樣受凍融影響的區(qū)域，試樣的含水率與高度之間成正比，即試樣高度越高，含水率越大，并基本呈線性變化。在試樣未受凍融影響的區(qū)域，試樣的含水率與高度之間基本成反比，即試樣高度越高，含水率越低。主要因為從圖4可知，試樣越靠近底端的位置，溫度相對越高，該位置與試樣底端之間形成的溫度梯度越小，熱流密度較小，從而使水分遷移速率越小。另外，對比圖10（b）（c）可以發(fā)現(xiàn)，試樣受凍融影響區(qū)域的冷生構(gòu)造與反復(fù)凍融后試樣含水率的分布情況基本一致，即隨凍結(jié)鋒面至試樣頂端的距離不斷增大，裂縫和分凝冰層的數(shù)量、以及試樣含水率均減小。試樣最大含水率所處位置對應(yīng)于頂端薄層狀分凝冰分布的位置，且試樣表面分布的薄層冰晶也最多。說明試樣經(jīng)反復(fù)凍融作用后含水率的變化與冷生構(gòu)造特征之間能夠互相驗證。

3.4 經(jīng)反復(fù)凍融作用后試樣的凍脹變化規(guī)律在封閉系統(tǒng)下單向凍融過程中，試樣的凍脹主要是試樣受凍融影響區(qū)域的毛細水原位凍結(jié)導(dǎo)致的體積膨脹、未受凍融影響區(qū)域的水分遷移至受凍融影響區(qū)域發(fā)生凍結(jié)形成的分凝冰膨脹、以及未受凍融影響區(qū)域的壓密固結(jié)過程三者綜合作用的結(jié)果[2]。以下就試樣的凍脹量與試樣的初始含水率、冷凍溫度和凍融次數(shù)之間的關(guān)系進行分析。

試樣的凍脹變形通過用游標卡尺測量凍融后試樣高度測得。圖11為試樣的凍脹量與不同影響因素之間的關(guān)系。由圖可見，與已有文獻中開放[15，22，29]和封閉系統(tǒng)下[16-18]試樣的凍脹量相比，本文中試樣的凍脹量較小。主要由于本次封閉系統(tǒng)下單向凍融試驗中試樣處于非飽和狀態(tài)，試樣的含水率較飽和土樣小。因此，初始含水率較小的試樣原位凍結(jié)導(dǎo)致的試樣體積的增加量較小，可以忽略原位凍結(jié)造成的凍脹量。由圖9可知，試樣經(jīng)反復(fù)凍融作用后，受影響區(qū)域的含水率增大，未受影響區(qū)域的含水率減小。因此，可以認為試樣的凍脹機制主要是分凝冰膨脹和未受凍融影響區(qū)域的壓密固結(jié)過程作用的結(jié)果。另外，由于封閉系統(tǒng)下非飽和土樣的水分遷移總量較?。▓D9），溫度恒定時間（圖4）與已有文獻[17，22]中相比較短，土中水分來不及充分遷移，分凝冰的平均層厚相對較薄。因此，試樣的凍脹量較小。

圖11 試樣經(jīng)反復(fù)凍融作用后凍脹量與各影響因素之間關(guān)系

從圖11（a）中可以看出，兩種初始含水率下，隨凍融次數(shù)的增加，試樣的凍脹量均增大；且凍脹量與凍融次數(shù)之間基本成線性關(guān)系。另外，在相同的冷凍溫度和凍融次數(shù)下，含水率為20.5%的試樣的凍脹量基本為含水率為16.8%的試樣的2倍多。這是因為初始含水率對試樣凍脹量的影響主要是由于水相變成冰引起試樣的體積增大，且由圖9（a）可知，初始含水率越大，試樣中水分遷移量越大。結(jié)合圖6可以發(fā)現(xiàn)，含水率為20.5%的試樣受凍融影響區(qū)域下部分凝冰的平均層厚較含水率為16.8%的試樣增厚，說明凍脹量的明顯增大主要是該區(qū)域分凝冰作用的結(jié)果。不同初始含水率下試樣的凍脹量與土中水分遷移總量和冷生構(gòu)造隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律基本一致。從圖11（b）中可以發(fā)現(xiàn)，試樣的凍脹量隨冷凍溫度的降低而成倍增大，且凍脹量與冷凍溫度之間基本成線性關(guān)系。主要因為：一則，由圖7 和圖8可見，隨冷凍溫度的降低和凍融次數(shù)的增加，試樣受凍融影響區(qū)域下部分凝冰的平均層厚增厚；二則，從試樣未受凍融影響區(qū)域向受凍融影響區(qū)域遷移的水分含量增加（圖9）。說明不同凍融次數(shù)下試樣的凍脹量與冷生構(gòu)造、水分遷移總量隨冷凍溫度的變化特性基本一致。由此可知，受凍融影響區(qū)域下部分凝冰對試樣的凍脹起主要貢獻作用。

另外，對比發(fā)現(xiàn)初始含水率對試樣凍脹量的影響最大，其次為冷凍溫度，而凍融次數(shù)的影響最小。這與各影響因素對經(jīng)反復(fù)凍融作用后試樣含水率的影響程度基本一致。本研究存在的局限性主要在于，研究范圍較小，只是基于現(xiàn)場特殊的工況條件，對淺凍、較少的凍融次數(shù)下試樣的冷生構(gòu)造和水分遷移特性進行了研究。單向凍融作用下冷生構(gòu)造的發(fā)育及凍脹的產(chǎn)生可能會影響大壩心墻土料在冬季填筑過程中的填筑壓實度，從而可能會影響壩體心墻土料的填筑質(zhì)量及填筑進度。本研究可能會對大壩心墻冬季填筑過程中凍融防控方面具有一定的指導(dǎo)作用，尤其當(dāng)大壩現(xiàn)場日最低氣溫低于-5℃時，要特別注意對黏土的凍融防控措施的選擇，應(yīng)在夜間停止施工期間及時覆蓋保溫材料，以盡量避免已填土料發(fā)生凍結(jié)。

4 結(jié)論

結(jié)合中國兩河口水電站大壩心墻冬季施工過程中現(xiàn)場土料短時、高頻、淺凍結(jié)條件下凍融過程，在室內(nèi)封閉系統(tǒng)下進行了不同初始含水率、冷凍溫度和凍融次數(shù)等單因素影響下重塑非飽和黏土的反復(fù)凍融試驗，分析了試樣凍結(jié)過程中內(nèi)部溫度的變化，且對試樣的冷生構(gòu)造、水分遷移及凍脹變化規(guī)律進行了研究。得出以下主要結(jié)論：

（1）在較高的冷凍溫度下，試樣經(jīng)短時反復(fù)凍融作用后，與已有研究結(jié)果相比，試樣受影響區(qū)域發(fā)育的層狀冷生構(gòu)造分布比較均勻，分凝冰層數(shù)量增多，且下部分凝冰的平均層厚較上部增厚，約為1 mm，但冷生構(gòu)造區(qū)域劃分不明顯。

（2）試樣冷生構(gòu)造特性受試樣的初始含水率、冷凍溫度和凍融次數(shù)等影響較大。試樣初始含水率對分凝冰層厚度的變化影響最大。冷凍溫度對試樣冷生構(gòu)造的發(fā)育和厚度的影響程度不同。冷凍溫度為-5℃時，試樣的冷生構(gòu)造發(fā)育程度最佳，且受凍融影響區(qū)域上、下部分凝冰的平均層厚的差異最大；而在-10℃冷凍溫度下，分凝冰的層厚和層狀冷生構(gòu)造的分布都較為均勻。凍融次數(shù)對試樣冷生構(gòu)造的影響表現(xiàn)為累積過程，隨著凍融次數(shù)的增加，分凝冰層的數(shù)量和平均層厚不斷增加，且分凝冰層的厚度和冷生構(gòu)造的分布更為均勻。

（3）隨試樣高度的增大，試樣受凍融影響區(qū)域的含水率線性增大，而未受凍融影響區(qū)域的含水率的變化規(guī)律正好相反。且試樣頂端1 cm范圍內(nèi)含水率最大，薄層狀分凝冰層的數(shù)量最多。另外，試樣的凍脹量較小，主要由受凍融影響區(qū)域分凝冰的膨脹和未受凍融影響區(qū)域的壓密固結(jié)過程兩部分組成，且受凍融影響區(qū)域下部分凝冰為試樣凍脹量起主要貢獻作用。