冻融试验方法综述

方丽莉

【摘要】冻融作用是冻土力学和工程首先关注的问题，冻融试验研究土体在冻融过程中水分、溶质迁移，温度分布等现象，以及在冻融前后土体物理力学性质的变化。本文在阅读大量文献资料的基础上，对冻融试验的仪器和试验条件的合理选择上进行了总结和分析。

【关键词】综述；冻融循环；试验；方法

1 前言

冻土是广泛分布于地球表面的一种低温地质体。受气温年周期波动的影响，干寒区地表的土层会产生反复的冻结和融化。冻胀和热融不仅会导致一系列危害国计民生的地质灾害：冻害、盐害和沙害，而且会给各类工程带来严重的危害[1]。

凍融试验研究土体在冻融过程中水分、溶质迁移，分凝冰的形成，温度分布等规律，以及在冻融前后土体密度、孔隙率、渗透性、界限含水量等物理指标和强度、模量等力学参数的变化。为了获取土体的这些变化规律，必须对土样进行合理的室内外试验。

不同的实验室有不同的试验体系，各个国家甚至行业又有各自的规范，如何在合理经济的前提下使其试验结果可比，更切合实际是我们亟待解决的问题，也是冻土工程界面临的重要课题。本文将通过对试验方法的总结和分析，给出合理的试验方法的建议，以保证试验资料的可比性、重复性和准确性，并将室内试验结果可靠的运用于工程设计中。

2 冻融试验

冻融试验一般是在室内进行。试验方法根据试验目的不同而各异，试验仪器和条件的设定一般根据实际需要确定。

2.1试验仪器

冻融试验的仪器主要分为三类。

2.1.1传统试验机

试验一般采用圆柱状土样。土样被放置于带有温度探测装置的有机玻璃桶内，并置于试验箱内。土样上下端都与控温设备相连的压板接触，用于对试样进行冻融。此外，端部还可以施加压力，同时控制试验的补水或排水条件。设置在试验箱内，土样周围的探头，可以测量温度、轴向变形、孔隙水压力等，通过连接数据采集设备收集数据。传统的冻融试验装置如图1所示。这类试验机有的还能进行固结法制样，然后直接用于冻融试验。传统试验机注重研究土体的冻胀融沉过程，实时测量土体温度、变形、孔隙水压力等参数。

图1冻融试验装置

2.1.2恒温箱

用恒温箱作为冻融的装置。设置好温度后将试样直接放入箱内进行冻融循环，试验结束后取出进行相应的力学试验。这类装置类似“冰箱”，功能比较单一，多数不能进行补排水控制。恒温箱通常只能进行封闭系统的冻融试验，不注重冻融过程，只是在宏观上研究冻融作用对土力学性质的影响。

2.1.3综合类试验机

这类仪器在传统试验机的基础上改进而来，将冻融试验与材料试验机结合，在冻融循环后直接进行力学试验。这类试验兼具物理和力学两种性质的试验，不仅研究冻融过程的微观变化而且重视冻融试验后的力学特性。在试验条件的控制上也更复杂：补水排水条件，应力施加的方式及大小等。这使得研究更精确，能更真实反映土样的受力过程和状态。

2.2试验条件

尽管研究者使用的冻融试验仪器不同，但导致土的冻融效应差异的还与试验条件有很大的关系。按照冻融进行的方向，有一维冻融和三维冻融；按温度梯度，有快速冻结和慢速冻结；按照冷源施加的方式，有恒温冻融和变温冻融；按加压方式，有加压冻融和自由冻融；按水分的补排来源，有封闭冻融和开放冻融。Alhmetshin等[2]对封闭和开放系统进行了详细的分类和阐述。对于封闭系统而言，只存在热交换；而对于开放系统来说，则同时存在热、质交换；当只有一个边界上存在质交换时，可称为半开放系统，该系统的状态是随着时间发生变化的，而且系统边界的位置也是随着时间变化的。就室内冻融试验来说，开放系统要有外部水源补给；封闭系统没有与外部水分的交换只在局部进行重分布。此外还要考虑土体的渗透性，渗透系数小的土体若进行开放系统的冻融试验时，其效果相当于封闭系统，同样利用冻结速率也能控制排水情况[3]。

只有合理选择冻融方式才能真实反映土体的实际冻融过程，试验条件的确定按下述情况而定：（1）工程需求：最大程度的模拟或还原场地的真实情况。一般来说，季节性冻土区冻土层的冻融过程可以描述为敞开系统下的单向冻结和双向融化，而多年冻土区则为开放系统下的双向冻结和单向融化。（2）试验需求：人为设定，研究在某些特定条件下的冻融效应。具体来说，冻融温度或是根据实测地温资料设定或是人为设定模拟特定条件。循环周期一般都要保证冻融能够彻底进行，即土体不再发生体积的变化。冻融周期可以类比前人的研究，但需注意土性、试样大小以及控制条件上的差异。温度梯度、施压以及补排水等条件也应符合上述两原则。此外，室内模型试验也是研究冻融作用的有效方法。模型试验通常根据相似原则进行设计，模拟野外状况从而验证设计和计算结果。Z.X.Zhang等对运河堤坝的冻胀融沉现象进行模拟，分层将土填成路基，并将位移计、应力盒、温度探头等预埋在土体中，监测数据[4]。但这种方法较费时且不经济。

冻融试验要选择合理的冻融方式：仪器的选择在一定程度上控制了试验条件的，如单向冻融还是多向冻融；温度梯度、补水方式、压力情况、试验周期都要根据工程实际情况或者研究需要选择。

3 结论

冻融作用对土的工程性质影响一方面与土质以及土的初始状态的有关，另一方面也跟冻融试验仪器和条件有关。尽管各个国家或行业都有各自的规范，但差异不会太大。因此在试验时尽可能遵照规范要求进行操作和分析。要根据不同的实验目的选择冻融试验仪器以及试验条件。

总之，由于土的类型，以及影响因素的多样性，目前对冻融循环对土的工程性质的系统研究还远不完善，应当充分利用常规土力学的方法，针对冻土冻融特性，建立能够反映冻融作用试验方法体系，望与广大寒区工程工作者共同探讨。

参看文献：

[1] 徐学祖，王家澄. 冻土物理学[M]. 北京：科学出版社， 2001

[2] Akhmetshin A A， Grigoryev V A， and Yakupov V S. Open and closed systems of freezing and thawing rocks[C].Recent Development of Research on Permafrost Engineering and Cold Region Environment. Lanzhou： Lanzhou University Press， 2009：562-565

[3] Alkire B D. Effect of variable-drainage freeze-thaw tests on post-thaw shear strength[J]. Transportation Research Record 1981， 809：13–18.

[4] Z. X. Zhang， R.L. Kushwaha. Modeling soil freeze-thaw and ice effect on canal bank[J]. Canadian Geotechnical Journal， 1998， 35：655-665