陳新瑞，宋 玲，孫 雯，許清峰，劉沛凱，惠 強，李鑫鑫，吳 浩

(1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003；2.新疆天富能源股份有限公司紅山嘴電廠，新疆 石河子 832000)

我國季節(jié)凍土區(qū)分布廣泛，為了國民生產(chǎn)生活和經(jīng)濟發(fā)展的需要，在該地區(qū)修建了大量的基礎設施工程。然而在季節(jié)凍土區(qū)的各類建筑物均會發(fā)生不同程度的凍害破壞，因此，大量研究人員通過數(shù)值分析、理論解析、野外監(jiān)測和室內(nèi)模型試驗等諸多研究方法，對季節(jié)凍土區(qū)建筑工程的凍脹與融沉作用和凍害防護等進行了研究[1-7]。季節(jié)凍土區(qū)的凍融過程是溫度、水分和應力場等綜合作用的復雜過程，因此對于野外監(jiān)測試驗，其周期長，不可控因素多，費用高[8]；數(shù)值分析和理論解析方法的局限性大，仍需通過試驗進行驗證與校核；而室內(nèi)模型試驗對影響因素的可控性強，試驗周期較短，可操作性強，可對相關物理量的變化進行精確的定量分析[9]。

國內(nèi)外已有眾多研究人員開展了相應的研究，如Bronfenbrener[5]、Beskow等[7]、Kinosita[10]、Taber等[11]和童長江[12]等均采用室內(nèi)模型試驗對有無外界水補給的單向凍融過程進行了研究。Taber等[11]于1929年通過直徑85 mm、高150 mm的黏土圓柱進行了封閉和開放系統(tǒng)下的土體凍結試驗。邴慧等[13]于2006年用內(nèi)徑100 mm、高185 mm 的有機玻璃圓柱筒對紅黏土進行了外界水補給下的單向凍結試驗。彭麗云等[14]于2009年利用直徑100 mm、高130 mm的圓土柱對粉質(zhì)黏土進行了開放系統(tǒng)下單向凍脹試驗。胡坤等[15]于2011年對直徑100 mm的黏土土柱進行了開放條件下一維凍脹試驗。王永濤等[16-17]于2016年對直徑100 mm的圓柱體黏土土柱進行了開放條件不同溫度梯度的單向凍結試驗。馬宏巖等[18]于2016年對直徑100 mm的圓柱體黏土土柱試件進行了開放條件下的室內(nèi)單向凍結研究。

綜上，利用室內(nèi)模型進行單向凍融的研究均為采用小型圓柱體土柱進行試驗，主要受限于室內(nèi)凍融模型試驗裝置的限制。而對于模型尺寸越小及相似比越大的模型，其試驗結果的可信度越低，不能準確反映自然條件下土體的凍融過程[19]。模型的尺寸也將限制傳感器布設的數(shù)量和種類，從而影響試驗的研究內(nèi)容。對于小尺寸模型，亦不易從空間三維的角度對土樣凍融過程中物理量的變化進行多維度觀測。故大量研究人員對可對大尺寸模型進行凍融試驗的裝置進行了研制，其中大部分學者利用基于帕爾貼效應的半導體對裝置實現(xiàn)制冷/熱。王建平等[19]于1999年采用半導體制冷技術，研制了人工凍結土體凍脹融沉模型試驗裝置，并利用該試驗裝置對黏土進行了凍融試驗，驗證了該裝置的可行性。陳湘生等[20]于1999年研制了由半導體進行制冷/熱的凍融裝置，用其對尺寸為410 mm×360 mm×260 mm的土壤模型進行了單向凍脹離心模擬試驗，并于2002年對尺寸為410 mm×360 mm×253 mm的土壤模型在封閉系統(tǒng)條件下進行了2個凍融循環(huán)的離心模擬試驗，驗證了其裝置的可靠性[21]。黃英豪等[8]于2015年利用半導體制冷/熱技術，研制了一套可在土工離心機中進行凍融模擬的試驗裝置，利用該裝置對輸水渠道進行了凍脹模擬，論證了該裝置的可靠性。張晨等[22]于2016年，利用黃英豪等研制的凍融裝置，對輸水渠道進行了凍脹離心模擬試驗，研究了渠基土的含水率對渠道法向凍脹位移的影響，并于2018年利用該裝置對其使用Butterfield量綱分析所建立的凍土離心模型試驗相似準則進行了驗證，證明了該凍融裝置的可行性[23]。

上述研究成果均證明了利用基于帕爾貼效應的半導體作為凍融試驗裝置的制冷/熱系統(tǒng)的可行性，但前人的新型凍融試驗裝置不能實現(xiàn)在地下水補給下的單向凍融試驗，而在季節(jié)凍土區(qū)處于淺埋地下水的水工構筑物更易發(fā)生凍害破壞[17,22,24]，且在試驗研究方面，對于外界水補給的凍融試驗，多采用室內(nèi)開放系統(tǒng)下的模型試驗[9,17,23,25-26]。因此，本文在參考上述研究者對凍融試驗裝置研制成果的基礎上，基于可實現(xiàn)在封閉和開放條件下的情況下對大尺寸試樣模型進行單向凍融模擬試驗的思路，研制出可模擬在地下水補給下進行單向凍融試驗的系統(tǒng)裝置，并利用該裝置對新疆某流域水電站引水渠附近的含砂低液限黏土，進行了在不同埋深地下水補給下的單向凍融試驗，對該系統(tǒng)裝置的可行性和有效性進行了驗證。

1 試驗設備的研制

本試驗凍融系統(tǒng)裝置由裝樣箱體結構、制冷/熱系統(tǒng)、地下水恒壓補給系統(tǒng)、保溫隔熱系統(tǒng)、邊界溫控系統(tǒng)、量測系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等組成(圖1)。

圖1 單向凍融試驗裝置圖

1.1 箱體結構

試驗裝置的箱體結構尺寸為長×寬×高=1 m×0.5 m×1.5 m，由6 mm厚鋼板材料制作(圖1c)，以保證其滿足結構強度要求。

在豎直方向上將箱體內(nèi)部空間劃分為4層功能區(qū)：第Ⅰ層為自箱底面起0～20 cm的地下水潛水模擬層，在箱體的后側設置有內(nèi)徑為8 mm進水口；第Ⅱ?qū)?0～30 cm為由砂礫石、透水棉和鋼性濾網(wǎng)等構成的透水邊界層，起反濾層作用；第Ⅲ層30～110 cm為試驗土樣層；第Ⅳ層110～150 cm為冷/熱氣體循環(huán)流動層。4個功能區(qū)的劃分，可根據(jù)試驗目的進行重新調(diào)整與分配。

1.2 制冷/熱系統(tǒng)

制冷/熱系統(tǒng)使用Peltier制冷/熱技術，在110 cm×60 cm×2 cm的鋁板上將單塊功率為72 W的40塊半導體制冷模塊串聯(lián)構成制冷/熱面板(圖1e)。該系統(tǒng)通過傳導和對流的方式進行無輻射的傳熱，制冷/熱面板的冷端輸出溫度可達-35 ℃和熱端輸出溫度可達30 ℃，輸出總功率為2.88 kW。

本制冷/熱系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①其為純固體制冷器，不怕傾斜震動；②無傳統(tǒng)的制冷機所必需的制冷劑，沒有污染源，綠色環(huán)保；③半導體制冷片熱慣性非常小，既可制冷，又可加熱，且制冷/熱時間很快；④體積小、重量輕、使用和安裝方便；⑤可連續(xù)工作，冷熱端面的溫度控制方便、準確，可實現(xiàn)高精度的溫度控制；⑥可靠性高，使用壽命長，方便適用于室內(nèi)實驗室試驗[8,19]。

為模擬實際大氣溫度變化對土體的作用方式，制冷/熱面板位于箱體結構的正上方，與試驗土樣表面平行，可向下方土體不斷垂直輸送冷/熱空氣，進行冷/熱能的傳遞，使土樣從表層開始產(chǎn)生熱量變化而后土體內(nèi)部再產(chǎn)生降溫或升溫的效果，實現(xiàn)單向凍融目的。

1.3 邊界溫控系統(tǒng)

邊界溫控系統(tǒng)主要包括電子式溫控器和防水探頭式—熱敏電阻溫度傳感器構成，可對制冷/熱板溫度進行設定，從而實現(xiàn)自動控制。

1.4 供電系統(tǒng)

該系統(tǒng)裝置供電系統(tǒng)由空氣斷路器、3平方的電纜線和380 V的交流電源構成。

1.5 地下水補給系統(tǒng)

地下水補給系統(tǒng)由平衡瓶、接滲瓶和改進型馬里奧特瓶(Mariotte bottle)[27-28]組成，基于虹吸原理進行工作(圖1d)。平衡瓶底部設置有出水口，與箱體后側進水口相連，起穩(wěn)定水位和維持馬氏瓶持續(xù)補水的作用；滲流瓶位于平衡瓶的溢流管下方，可對大氣降水產(chǎn)生的滲流水量進行觀測。此補給系統(tǒng)可靈活設置不同地下水水位進行持續(xù)恒壓的補水，模擬自然地下水對土樣的補給作用。

1.6 保溫隔熱系統(tǒng)

保溫隔熱系統(tǒng)由箱體內(nèi)側5 cm厚保溫層和外側10 cm厚保溫層構成，內(nèi)外保溫層采用V0級橡塑保溫板，其主要成分為板丁腈橡膠和聚氯乙烯等，導熱系數(shù)為0.036 W/m·K。在內(nèi)外保溫層與箱體的接觸面、內(nèi)外保溫層的連接處和接縫處等用橡塑保溫材料專用膠和聚氨酯發(fā)泡劑粘接進行密封處理，以隔絕熱量傳遞，保證制冷效果，提供良好的保溫與隔熱性能。

1.7 量測系統(tǒng)

根據(jù)試驗目的，可在該凍融系統(tǒng)裝置內(nèi)布置不同的傳感器及其配套設備構成量測系統(tǒng)，進行相關物理量的量測，如可布置溫度傳感器、含水率傳感器、凍脹/融沉量和應變等測量裝置。

2 使用方法與特點

利用該單向凍融系統(tǒng)裝置可進行無地下水補給或不同埋深地下水補給條件下，對土體模型、渠道模型等實施單向凍融過程的研究，根據(jù)試驗目的、箱體結構尺寸和相似準則進行試驗模型尺寸的設定。將設計的土樣或模型在箱內(nèi)進行裝填，并在裝填的過程中根據(jù)實驗所需同時進行相關傳感器的布設，所有的線纜均通過出線孔穿出。然后將制冷/熱系統(tǒng)放置在箱體頂部，對其之間的縫隙處利用保溫材料進行密封，并利用聚氨酯發(fā)泡劑對出線孔進行密封保溫處理。根據(jù)試驗目的，可將地下水補給系統(tǒng)與箱體底部連接，在連接處做好止水防護。對整個系統(tǒng)裝置進行檢查，設置溫控器，開啟供電系統(tǒng)后，便可進行凍融試驗。試驗完成后，可通過箱體前門進行土樣或模型的取出。

該凍融系統(tǒng)裝置具有以下特點：①利用由半導體模塊組成的制冷/熱板可對模型進行綠色制冷和制熱，實現(xiàn)單向一維凍融試驗；②相比前人利用小型土柱(直徑和高分別在0.1 m×0.2 m以內(nèi))進行凍融試驗而言，本裝置可對大體積土體模型(長×寬×高分別在1 m×0.5 m×1.5 m以內(nèi))如渠道模型、基礎模型和土樣等進行試驗；③可模擬不同地下水水位補給情況進行恒壓補水。

3 初步應用

利用該系統(tǒng)裝置對新疆某流域水電站引水渠附近凍脹性敏感的粉質(zhì)黏土進行了開敞系統(tǒng)下的單向凍融試驗，探討土樣溫度、含水率、凍脹量和融沉量等變化規(guī)律的試驗研究。本文僅對地下水埋深80 cm和埋深40 cm時的試驗結果進行了簡要分析，并且與前人結果進行了對比，以證明該裝置可模擬不同埋深地下水補給下的單向凍融試驗相關研究的切實性和適用性。

試驗所用重塑土樣為含砂低液限黏土(CLS)，屬凍脹敏感性土，液限和塑限分別為30.47%和15.68%，塑性指數(shù)為14.79，最大干密度1.623 g/cm3，最優(yōu)含水率17.0%。試驗設計為在地下水埋深80 cm(代表深埋地下水)和40 cm(代表淺埋地下水)，冷/熱交換面板端凍結、融沉溫度為-15 ℃和+15 ℃且保持恒定，進行單向凍融試驗。

試驗全過程包括土樣制備、裝樣、水分自然重分布、制冷前進行地下水補給土體和開放條件下土體凍融。試驗量測系統(tǒng)布置點如圖2所示。建立以土體底面為XOY平面、且底面的形心為坐標原點、豎直向上為Z軸的笛卡爾坐標系，將從底部向上5，15，25，35，45，55，65，75和80 cm的土層面分別定為A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H和I平面。在XOY平面方向，溫度傳感器布置在圖2中1(-175，-350)、2(175，-350)、3(175，350)、4(-175，350)、5(0，0)、6(0，-350)、7(175，0)、8(0，350)、9(-175，0)點處；凍脹/融沉量測量裝置布置在點1，2，3，4處；水分傳感器布置在點5處。在縱向上，溫度和水分傳感器分別位于A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H和I平面(Ⅰ平面無水分傳感器)上；凍脹/融沉量測量裝置位于I平面上。溫度測點81個，含水率測點8個，凍脹/融沉量測點4個。

圖2 測點布置圖

3.1 保溫性能測試

待裝樣和傳感器設備布置完成，將凍融系統(tǒng)裝置進行組裝密封后，對內(nèi)部溫度進行了監(jiān)測，以判定其保溫效果，試驗結果如圖3所示。

圖3 凍融試驗裝置保溫性能圖

由圖3可知，箱外大氣平均溫差的最大值為4.02 ℃，箱內(nèi)大氣平均溫差的最大值為1.36 ℃，說明該裝置具有較好的保溫效果，受外界溫度影響的情況較小。

3.2 制冷前含水率變化

在裝樣完成后，土體中的水分在重力和基質(zhì)吸力的共同作用下進行了78 h的自然重分布。水分自然重分布完成之后，在制冷前利用馬氏瓶對土體進行地下水的補給，分別對埋深80 cm和40 cm的土樣進行了96 h和83 h的恒壓補水。水分變化如圖4所示。

圖4 不同地下水位凍前含水率變化

由圖4可知，在相同時間內(nèi)，土樣中水分在自身重力與土壤孔隙對水分基質(zhì)吸力的作用下進行了自上而下的微量遷移且達到穩(wěn)態(tài)，最終使得上部土體水分含量減少，下部土體水分增多。同時，地下水埋深80 cm和40 cm時，均表現(xiàn)出土體越接近地下水水面，其含水率越早達到穩(wěn)態(tài)且含水率值越大。

4 試驗結果與分析

4.1 凍結結果與分析

4.1.1凍結溫度變化過程

圖5為地下水位埋深為80 cm和40 cm時土樣在單向凍結過程中溫度隨時間的變化過程。由圖5可知，對于地下水位埋深分別為80 cm和40 cm時，凍結前期各土層溫度迅速下降，在凍深到達最大值25 cm前，降溫速率達到最大值；凍結后期降溫速率逐漸減少并趨近于0，溫度緩慢下降，最終穩(wěn)定，直到凍脹不再發(fā)展。其中，土層越遠離制冷板，其降溫速率越慢，總降溫的幅度越小，溫度場也較晚到達穩(wěn)定平衡狀態(tài)；越靠近制冷板的土層，其規(guī)律與之相反。這是由于土樣處于自上而下的單向凍結，制冷端的影響效果為負溫自上而下逐層推進。2組試驗的溫度變化規(guī)律雖略有差異，但與鄭美玉等[8,29]的研究結果均相一致，說明該裝置對土體進行降溫的效果符合單向凍結的要求。

圖5 不同地下水位凍結過程溫度變化

4.1.2凍結鋒面變化過程

圖6表示埋深80 cm和40 cm的凍結鋒面位置隨凍結時間變化的遷移過程，可見凍結鋒面的遷移可分為2個階段，第Ⅰ階段為凍結鋒面的快速遷移階段，第Ⅱ階段為凍結鋒面穩(wěn)定不變階段。由圖6可知凍結鋒面遷移的兩個階段變化與溫度變化(圖5)保持一致；埋深80 cm和40 cm的第Ⅰ階段分別為0～80.5 h和0～165 h；第Ⅱ階段分別為80.5～384 h和165～410 h。

圖6 不同地下水位凍結鋒面變化

4.1.3凍結過程中含水率變化過程

圖7分別為埋深80 cm和40 cm土樣進行單向凍結時含水率的變化過程。地下水埋深為80 cm和40 cm時，凍結完成后含水率變化最大的點均位于Z=55 cm(F層)，F(xiàn)層即為凍結緣區(qū)和凍深最大處，位于F層的上下土體分別為已凍區(qū)和未凍區(qū)。據(jù)圖7可將含水率變化分為快速變化階段(埋深80 cm：0～80.5 h，埋深40 cm：0～165 h)和緩慢變化階段(埋深80 cm：80.5～384 h，埋深40 cm：165～410 h)。在快速變化階段，已凍區(qū)內(nèi)含水率曲線位于凍前初始含水率曲線右側，未凍區(qū)內(nèi)含水率曲線位于凍前初始含水率曲線左側。但在緩慢變化階段，已凍區(qū)內(nèi)和未凍區(qū)內(nèi)含水率曲線均移動到凍前初始含水率曲線右側。2組試驗的含水率變化規(guī)律與蔡瑛等[30]的研究結果相一致，說明利用該裝置可進行開放條件下的單向凍結試驗。

圖7 不同地下水位凍結過程中含水率變化

4.1.4凍脹量變化過程

圖8為地下水埋深為80 cm和40 cm下單向凍結過程中土樣平均凍脹總量隨時間的變化規(guī)律。根據(jù)凍脹總量變化的曲線形態(tài)，不同埋深地下水(80 cm和40 cm)的土樣在單向凍結過程中，其凍脹總量的變化曲線可劃分為2個階段，第Ⅰ階段為凍脹總量緩慢增長期，第Ⅱ階段為凍脹總量擬線性增長期。第Ⅰ階段：埋深80 cm為0～35 h階段，埋深40 cm為0～48 h階段。此階段其凍脹總量曲線斜率很小，則凍脹速率小，凍脹量的發(fā)展較慢。第Ⅱ階段：埋深80 cm為35～384 h階段，埋深40 cm為48～410 h階段。此階段凍脹總量曲線近似一條直線，其凍脹總量曲線斜率明顯大于第Ⅰ階段，凍脹速率較大，凍脹量的發(fā)展較快。2組試驗的凍脹總量變化規(guī)律與李卓等[31]的研究結果相一致，說明該裝置進行開放條件下單向凍結試驗的凍脹效果可達到試驗要求。

圖8 不同地下水位凍脹量變化

4.2 融沉結果與分析

4.2.1融沉過程溫度變化

圖9為地下水位埋深為80 cm和40 cm下土樣在凍結完成后進行融沉時溫度隨時間的變化過程。融沉前期，55～80 cm土層溫度上升迅速，且溫度梯度較大，55～0 cm土層溫度上升緩慢，且溫度梯度較小。融沉后期，各土層溫度最終穩(wěn)定，直到融沉不再發(fā)展。即土層越遠離制熱板，其升溫速率越慢，總升溫的幅度較小。越靠近制熱板的土層，其規(guī)律與之相反。同時，隨著時間的增長溫度曲線均趨于平緩。2組試驗在融沉過程中溫度的變化規(guī)律與王東等[32]的研究結果相一致，說明該裝置進行開放條件下融沉試驗時的升溫效果可滿足試驗條件要求。

圖9 不同地下水位融沉過程溫度變化

4.2.2融沉過程中含水率變化過程

圖10為埋深80 cm和40 cm土樣進行融沉過程中含水率的變化。土樣在融沉過程中，含水率自地表至凍結緣區(qū)隨融沉的不斷進行而逐層增長，即土層H，G，F(xiàn)的含水率依次增長。融沉完成后，已凍區(qū)內(nèi)水分先增加后減少，未凍區(qū)內(nèi)水分在不斷增加，凍結緣區(qū)的含水率增加最大。在融沉過程中水分隨時間的遷移變化規(guī)律與李卓等[31]的試驗結果相一致，說明利用該裝置進行開放條件下融沉試驗時的含水率的變化過程與實際相符。

圖10 不同地下水位融沉過程中含水率變化

4.2.3融沉量變化過程

圖11為地下水埋深為80 cm和40 cm下土樣融沉過程中平均融沉總量隨時間的變化過程。不同埋深地下水(80 cm和40 cm)的土樣在融解過程中，其融沉總量的變化曲線可劃分為3個階段。第Ⅰ階段為融沉預備期，融沉總量為0。第Ⅱ階段為融沉總量擬線性增長期，融沉速率較大，但在此期間有多處突陷點，且融沉量主要集中在第Ⅱ階段。第Ⅲ階段為融沉總量緩慢增長期，融沉速率小。試驗中融沉量隨時間的遷移變化規(guī)律與李卓等[31,33]的試驗結果相似，說明利用該裝置進行開放條件下融沉試驗時融沉量的變化過程與實際相符。

圖11 不同地下水位融沉量變化

將凍結過程與融沉過程進行對比可知(圖8，圖11)，地下水埋深80 cm和40 cm下的凍脹量均大于其融沉量，且融沉總時長約占凍脹總時長的25.6%，此結果與鄭美玉等[29]進行的開放條件下的凍融試驗結果相近。

5 結論與展望

(1)研制了可在開敞和封閉條件下對大尺寸模型進行單向凍融模擬試驗的系統(tǒng)裝置，此裝置主要由箱體結構、制冷/熱系統(tǒng)、邊界溫控系統(tǒng)、地下水補給系統(tǒng)和量測系統(tǒng)等構成，為研究季節(jié)凍土區(qū)的凍融作用創(chuàng)建了一個新的平臺。

(2)應用改進型的馬里奧特瓶作為地下水補給系統(tǒng)，既可實現(xiàn)持續(xù)恒壓補水，又可實現(xiàn)對不同埋深的地下水進行模擬，同時可對滲流量進行監(jiān)測。

(3)該裝置的制冷/熱系統(tǒng)以半導體制冷片基本構件組成，可實現(xiàn)綠色升溫與降溫效果，對季節(jié)凍土區(qū)中地基土和渠道等構筑物的凍融作用進行模擬研究。

(4)使用該單向凍融試驗裝置對大尺寸新疆粉質(zhì)黏土土樣進行了在地下水埋深分別為80 cm和40 cm下的單向凍融過程試驗研究，其溫度、含水率、凍結鋒面和凍融量等變化結果表明，此試驗裝置的溫度和水分等模擬結果均與已有研究成果相一致，進一步說明此試驗裝置是可靠的，并且可以用于封閉或開敞條件下的單向凍融試驗研究，可為淺埋地下水位下的工業(yè)與民用地基基礎設計、公路橋涵地基基礎設計、渠道工程抗凍脹設計和凍融循環(huán)機理等研究提供設備研制借鑒。