冻融作用下地基土水分迁移试验研究

徐 爽 郭 颖,2

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.东北林业大学工程咨询设计研究院有限公司，黑龙江 哈尔滨 150040)



冻融作用下地基土水分迁移试验研究

徐 爽1郭 颖1,2*

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.东北林业大学工程咨询设计研究院有限公司，黑龙江 哈尔滨 150040)

为研究季节性冻融区地基土水分迁移的规律，对不同初始含水量以及温度梯度作用下的重塑土进行了冻融试验，试验结果表明:随着初始含水量的增加，土样水分迁移更加明显；温度梯度越大，土样冻结速率越大，水分聚集层越靠近暖端。

地基土，冻融试验，水分迁移，含水量，温度梯度

0 引言

冻土广泛分布于我国中高纬度带和高海拔地区，其中多年冻土主要集中在青藏高原以及大小兴安岭，季节性冻土则遍布纬度高于24°的地区[1]。上述很多地区冬季长时间处于负温状态，导致各类地基土由地表向下部深处渐渐冻结，引起土中水分发生迁移以及土体冻胀。等到了春季气温回升之时，表层冻结土体开始融化，由于上部土体的融化较慢，而冻结滞水的融化又无法及时蒸发或向下透过冰层，所以造成了上部土体含水率的剧增，继而引发道路典型的翻浆冒泥等一系列病害。

目前，国内已有许多学者开展有关土中水分迁移的研究，也取得了一些成果。高玉佳等[2]通过对野外不同深度土层地温和水分变化的研究，发现温度对水分迁移具有重要影响。张婷等[3]以江苏南部典型表层土为研究对象，研究了不同含水率、压实度和冻结时间对人工冻土的影响。许健等[4]指出温度对水分迁移影响较小，而温度梯度是诱发水分迁移的重要因素。石群等[5]在对罗布泊天然盐渍土开张多次冻融循环试验基础上，探究了水盐变化规律。针对冻土水分迁移的研究集中在东北三省、青藏高原、中国西北干旱地区以及部分沿海区域，但很少有涉及内蒙古东部地区盐渍土的研究。内蒙东部夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，是典型的温带大陆性季风气候区。而季节性的冻融使该地区大片土地盐渍化。近年来，随着经济发展的需要，多条高等级公路在这里新建，因此对当地季节性冻土的研究变得很有必要。本文通过改变含水率以及温度梯度对呼伦贝尔市典型盐渍土进行了室内重塑土的水分迁移试验研究。

1 试验内容与方法

1.1 试验用土

实验用土取自内蒙古呼伦贝尔市一条在建公路某处地基表层，为盐渍土，主要盐类成分为碳酸盐和氯化盐，颜色为灰褐色。根据JTG E40—2007公路土工试验规程，对其进行室内试验得到该盐渍土为粉质黏土，最大干密度为1.86 g/cm3，最佳含水率为17.04%，塑限为11.68%，液限为28.14%。

1.2 试验方案

根据已有的大量研究，同种土冻融过程中的水分迁移主要由含水率的大小和温度梯度这两个外因引起，所以本文着重通过对上面两因素的单一变化来进行试验探究。

首先，将试验用的土样放入烘箱内尽可能达到充分烘干，然后取小部分烘干过的土测试残留的含水率，并将剩余烘干后的土样碾碎成细颗粒，用2 mm的筛孔进行筛分，加入一定的水配置为几份不同质量含水率的土样，盖上保鲜膜静置48 h，使配置好的土样含水率均匀。焖料结束后，将土样倒入高为38 cm，内径为10 cm的模具中，拂平土样的表面，通过静压力压实成高为20 cm的土柱，土柱直径和模具内径相同。紧接着，用脱土器把土柱从模具中脱出，然后把土柱轻轻放入内壁涂有凡士林的有机玻璃管内。该有机玻璃管内径为10 cm，外径为11 cm，高24 cm，管壁厚0.5 cm，置于一块底板上，使土柱放入玻璃管时与底板接触。此外，玻璃管侧面和底板外面由一定厚度的保温、隔水性能良好的材料包裹，保证试验时土柱只能由上往下单向冻结。土柱放入管内之后，将整个装置放入冻融试验箱内，冻融试验箱具有控制正负温的功能，保证试样在恒定温度下试验。之后，调节试验箱内温度，使试样在某一负温下进行72 h的单向冻结。待冻结时间一到，马上将试验箱温度调到某一正值，对土柱进行融化，融化过程持续4 h。融化结束之后，马上打开试验箱，将土柱从玻璃管内取出，沿高度方向将土柱平均分成10层，其中最上面的记为第1层，最底下的记为第10层。取每层中心土样放入铝盒中，用烘干法测试冻融结束后土柱竖直方向上含水率的变化。试验共对5个试件进行了不同因素条件下的研究，试件试验参数见表1。

表1 试件试验参数

2 试验结果分析

2.1 初始含水量对水分迁移的影响

图1～图3分别为试件1、试件2、试件3在冻融结束后剖面上水分含量分布图。可以看出，各个土样在冻融后都出现上部水分增大，而下部水分减少的现象，各条曲线具有相似的规律。其中，在试件顶端出现一个含水量较大值，分析原因，可能是因为试验刚开始时土样顶端温度较高，接近于室温，而要降到土冻结点需要较长时间，使得下层土的水分大量迁移到顶层。另外，每个试件冻融之后都存在一个含水量极大的区域，该区域都集中在土柱第6层附近，而且该数值较各个试件初始含水量的增加值随着初始含水量的增大而增大。1号试件该最大值比初始含水量增加了3.69%，2号试件增加了4.51%，3号试件增加了5.55%。考虑到试验融化时间较短，该水分极大层是处在试验最终的冻结锋面附近。随着土柱初始含水量的增大，土体冻结时就需要释放出更多的热量，这无疑会减缓冻结的速率，但与此同时，含水量的增加使得土体导热系数增大，土柱冻结速率会加快，两者此消彼长，相互制约，使得3个试件冻结锋面几乎在同一位置。最后，从曲线总体来看，初始含水量越高的试件水分迁移发生得越剧烈，迁移范围越广，比如1号试件第10层含水量减少了4.68%，2号试件该层减少了5.32%，而3号试件则减少了5.92%。

2.2 温度梯度对水分迁移的影响

在试验土柱暖端温度恒定的情况下，冷端温度的降低使土的温度梯度和冻结速率增大，从冻融结束后的试件中能够明显看到许多裂纹，这些裂纹是由水分迁移聚集后冻结形成的分凝冰留下的，而随着冷端温度的降低，裂缝在试件中出现的范围更广，数量更多。图4，图5分别为试件4、试件5冻融之后含水率的分布，从图1，图4，图5中可以看出，在相同初始含水量，相同干密度的情况下，随着冷端温度越低，土柱冻结过程中水分迁移量减少，顶端含水量较大层的含水量增加值减少，而含水率极大值出现的位置则更加靠近暖端，但该数值的增加值几乎相同，比如4号试件增加值为3.51%，5号试件为3.54%，两者和1号试件的3.69%比较接近。上述现象产生的原因可能是由于冷端温度的降低使得土体冻结速率增大，使得顶端土体更快冻结，于是下层土中的水不能充分地向冷端迁移，同样的情况也都发生在接下来的几层土中，最终造成土柱整体水分迁移量减少，冻结锋面明显下移，故冷端温度的降低会对土体水分迁移造成阻碍。

3 结语

通过对不同初始含水率、不同试验温度的土样进行水分迁移试验，探究分析了其中的规律。试验结果表明：相同干密度，不同含水量的土样，在控制相同冻融温度的条件下，初始含水量高的土，其水分迁移现象越明显，迁移量越大，冻结锋面处的含水量增加值越大；相同干密度，相同含水率的土样，在控制不同冷端温度的条件下，水分迁移的量随着冷端温度的降低而减小，但冻结速率变大，冻结锋面向暖端偏移。

[1] 徐学祖.土体冻胀和盐胀机理[M].北京：科学出版社，1995.

[2] 高玉佳，王 清，陈慧娥,等.温度对季节性冻土水分迁移的影响研究[J].工程地质学报，2010，18(5):698-702.

[3] 张 婷，杨 平.土体单向冻结对土中水分迁移的影响[J].南京林业大学学报(自然科学版)，2013，37(1):117-121.

[4] 许 健，牛富俊，牛永红，等.冻结过程路基土体水分迁移特征分析[J].重庆大学学报，2013，36(4):150-158.

[5] 石 群，张远芳，李 炎，等.罗布泊天然盐渍土冻融循环条件下水盐迁移规律[J].工程勘察，2016(4)：1-4，10.

Experimental study on soil moisture transfer under freezing and thawing

Xu Shuang1Guo Ying1,2*

(1.SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China; 2.ConsultingandDesignInstitute,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study the law of soil moisture transfer in the seasonal freezing and thawing area, the freezing and thawing tests were carried out on the reconstituted soil under different initial water content and temperature gradient. The results show that: with the increase of initial water content, soil moisture transfer is more obvious, the greater the temperature gradient, the greater the soil sample freezing rate, more closer the water collection layer approach to the warm port.

foundation soil, freezing and thawing test, moisture transference, water content, temperature gradient

1009-6825(2016)24-0056-02

2016-06-14

徐 爽(1992- )，男，在读硕士

郭 颖(1971- )，女，博士，教授级高级工程师

TU448

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