崔郁雪，楊忠年，時 偉 ，凌賢長,2，涂志斌

(1.青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033；2.哈爾濱工業(yè)大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090)

凍土在世界范圍內(nèi)分布十分廣泛，全球陸地面積有23%的范圍內(nèi)分布著多年凍土，季節(jié)性凍土區(qū)的占比高達56%[1]．我國是世界上第三大凍土國，中國陸地面積中有75%的范圍分布著多年凍土和季節(jié)性凍土，主要分布在西北、華北和東北地區(qū)[2]．其中季節(jié)性凍土冬季凍結夏季融化，是一種含有水分和冰晶體的特殊土水體系，季節(jié)性凍融循環(huán)對地表的能量和水分平衡有顯著影響，我國季節(jié)性凍土的面積為5.137×106km2，占我國陸地面積的53.5%[3-4]．在這些季節(jié)性凍土區(qū)中大量分布著膨脹土等非飽和土，非飽和土是一種由氣、液、固三相組成的體系，其力學性質(zhì)和工程特性與飽和土相比更為復雜，極易造成工程凍害問題．在巖土工程實踐中，大多數(shù)問題均屬于非飽和土力學的問題，而太沙基經(jīng)典土力學已經(jīng)不能有效解決非飽和土的問題，因此研究非飽和膨脹土對于實際工程和理論革新具有重要意義[5]．膨脹土具有脹縮性、超固結性、裂隙性等不良特性，物理力學性質(zhì)極為復雜[6-7]．在凍融的影響下，非飽和膨脹土中的水分發(fā)生相態(tài)的轉(zhuǎn)變，導致土體產(chǎn)生凍脹融沉和水分遷移等現(xiàn)象，大大降低了土體的強度和穩(wěn)定性，對處于季凍區(qū)的公路、鐵路、水利、邊坡等多種工程造成嚴重的破壞和經(jīng)濟損失[8-11]．

目前對凍融循環(huán)條件下非飽和膨脹土的物理力學性質(zhì)的研究已有很多．許雷等[7,12-13]以南陽膨脹土為研究對象，探究了不同含水率、不同凍結溫度和不同凍融循環(huán)次數(shù)下膨脹土力學性質(zhì)的變化情況．Tang等[14]對經(jīng)歷了最多9次凍融循環(huán)的膨脹土進行固結不排水(CU)三軸試驗，探究了其應力應變、彈性模量、孔隙水壓力等力學參數(shù)的變化情況．Yang等[11]對重塑膨脹土進行動三軸試驗，探究了單次凍融和多次凍融下試樣豎向位移和動力參數(shù)的變化規(guī)律．盡管目前針對凍融循環(huán)下膨脹土力學特性的試驗已有很多，但少有研究人員通過一維土柱模型對非飽和膨脹土進行凍融循環(huán)試驗．土柱試驗在巖土工程、環(huán)境科學、生態(tài)保護等領域有著廣泛的應用，是研究土體中水分遷移、溶質(zhì)運移、水分入滲及蒸發(fā)等現(xiàn)象變化規(guī)律的重要手段．覃小華等[15]利用自行開發(fā)的一維土柱裝置，模擬并探討了4種不同降雨速率下一維土柱的入滲規(guī)律，并提出了計算非飽和土體滲透系數(shù)的新方法．Huang等[16]制作了2個長度為12.5 m的土柱，通過水平放置并施以穩(wěn)定飽和水流的試驗條件，探究土柱內(nèi)部溶質(zhì)運移的情況．Muhammad等[17]進行了一系列飽和黏土土柱的室內(nèi)試驗，探究在低滲透介質(zhì)中溶質(zhì)運移的情況．

由此可見，土柱試驗可以很好地探究土體中水分遷移、溶質(zhì)運移等現(xiàn)象的變化規(guī)律，但凍融循環(huán)下非飽和膨脹土的一維土柱試驗尚待研究．實際上，凍融循環(huán)作用下的土體不僅涉及溫度場的問題，在凍融過程中發(fā)生的凍脹融沉還會導致水分場和力學場的變化，因此土體的凍融往往是一個多場耦合的綜合性問題[18-19]．研究發(fā)現(xiàn)，實際環(huán)境中土體的凍結是一維凍結問題[20]，本文通過一維土柱模型，并在不同高程處安裝相應傳感器，通過一維凍融試驗探究非飽和膨脹土在不同凍融循環(huán)次數(shù)和不同深度下土體溫濕度、土壓力、孔隙水壓力和豎向位移的變化規(guī)律．同時，一維土柱模型使用透明的亞克力材料制成，該材料具有良好的透光性、化學穩(wěn)定性和耐候性，可在試驗過程中直觀看到土壤結構的宏觀變化情況．使用一維土柱模擬土體的凍融循環(huán)過程，可對土體在單向凍融條件下物理力學特性的變化規(guī)律和影響機制進行探究，更加貼合實際，具有重要的工程意義．

1 試驗材料與方法

1.1 土樣的制備

本試驗所用膨脹土為弱膨脹土，其基本物理性質(zhì)如表1所示．制樣前首先將膨脹土進行烘干、碾碎、過1 mm的開孔篩，然后加入蒸餾水配制成含水率為30%的土樣，放入密封袋中潤濕一晝夜，保證樣品中的水分均勻分布．試樣尺寸采用直徑140 mm、高400 mm、壓實度為85%的圓柱形土樣．

表1 土樣的基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical properties of soil samples

1.2 模型的安裝

本試驗通過溫濕度一體傳感器、土壓力傳感器、應變式微型滲壓計和直線位移傳感器(圖1)對試驗過程中溫濕度、土壓力、孔隙水壓力和豎向位移進行監(jiān)測．試驗所用一維土柱模型由自制的亞克力圓筒柱體、位移傳感器安裝板以及位移傳感器導桿組成，如圖2所示．柱體為單側(cè)封口圓筒，柱身內(nèi)徑140 mm、高600 mm、壁厚10 mm，底部亞克力封板直徑160 mm，厚10 mm．為方便傳感器的埋設，在距離柱底50 mm和350 mm的位置處分別設置有兩個大小不同的鉆孔．其中較小的一個直徑為10 mm，用于埋設土壓力傳感器和應變式微型滲壓計；較大的一個直徑為40 mm，用于安裝土壤溫濕度一體傳感器．柱體上側(cè)裝有自制位移傳感器安裝板，其中每個板面上設置有4排5列共20個直徑5 mm的鉆孔，以便于直線位移傳感器靈活安裝．直線位移傳感器與下部導桿通過攻絲連接，從而間接測得土柱不同深度處的豎向位移變形．

圖1 傳感器Fig.1 Various sensors

裝配一維土柱模型時，首先在模型底面和筒壁內(nèi)側(cè)薄涂上一層凡士林，然后進行分層制樣，層厚取為2 mm，層與層交界處進行刮毛處理，如圖2(a)所示．當高度達到60 mm時，按照土壓力傳感器、應變式微型滲壓計和直線位移傳感器導向桿的尺寸挖出一組深度為10 mm的凹槽進行第一組傳感器和導向桿的埋設(圖2(b))，然后繼續(xù)進行分層壓實，當土體高度達到360 mm時，挖出第二組凹槽進行第二組傳感器和導向桿的埋設，然后繼續(xù)壓實土體達到預定高度400 mm，填充完的土柱如圖3(a)所示．土柱填充完成后，在柱體頂部安裝上位移傳感器安裝板，導桿與直線位移傳感器通過活動螺栓連接，然后再將二者共同固定到位移傳感器安裝板上，通過土體對導向桿作用產(chǎn)生的豎向位移間接監(jiān)測凍融循環(huán)下土體豎向脹縮位移的變化情況．然后在兩個直徑40 mm的預留孔處進行溫濕度一體傳感器的安裝，注意安裝時需要將傳感器探針部分全部插入土體之中，安裝好的傳感器通過485轉(zhuǎn)換器與電腦連接進行溫濕度數(shù)據(jù)的采集．最后，將柱頂開口處用保鮮膜進行密封防止柱體內(nèi)水分的蒸發(fā)．此時，土柱各個部分已制作安裝完成．其中距離柱底350 mm的溫濕度一體傳感器、土壓力傳感器、應變式微型滲壓計和直線位移傳感器分別記為TW1、E1、P1、D1，距離柱底50 mm的溫濕度一體傳感器、土壓力傳感器、應變式微型滲壓計和直線位移傳感器分別記為TW2、E2、P2、D2．

圖2 模型的裝配Fig.2 Installation of soil column model

圖3 一維土柱模型Fig.3 One-dimensional soil column model

1.3 試驗方案

本試驗使用自制工程熱物理試驗系統(tǒng)對一維土柱進行凍融循環(huán)的系統(tǒng)試驗．該設備為一個絕熱、保溫、保濕、高溫與低溫交變濕熱試驗室，可滿足試驗要求的溫度值和濕度值．為了滿足土柱一維凍融的目的，采用10 mm厚的橡塑保溫棉對柱體底部和四周進行兩層包裹．然后將包裹完成的土柱放入工程熱物理試驗系統(tǒng)中，靜置24 h后進行3次凍融循環(huán)．考慮我國冬季最低氣溫的變化情況，本試驗確定-10 ℃和-20 ℃兩個典型溫度為試驗溫度．同時在土柱中安置了溫度傳感器，試驗前已通過預試驗獲得土柱中不同深度溫度場在各階段達到穩(wěn)定所需的時間，并據(jù)此確定了試驗過程中的凍結和融化時間，單次凍融循環(huán)方案如表2所示．

表2 單次凍融方案Tab.2 Single freeze-thaw program

2 結果與分析

2.1 溫度變化及分析

溫度是影響凍土強度的一個重要因素，土體的溫度變化往往會導致土體中水分發(fā)生變化，從而導致土體內(nèi)應力重分布及土體變形的發(fā)生[21]，是土體未凍水含量、土壓力、孔隙水壓力和豎向位移變化的根本原因．根據(jù)凍結溫度可以判定土體是否處于凍結狀態(tài)，同時也是確定寒區(qū)凍結深度和人工凍土凍結壁厚度的依據(jù)[2,22]．本試驗通過埋設在土柱不同深度處的2個溫濕度一體傳感器對試驗過程的溫度數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，得到了整個凍融循環(huán)過程中非飽和膨脹土不同深度的溫度-時間曲線，如圖4所示．從圖中可以看出，當溫度降低到-10 ℃，土柱的溫度首先迅速下降到0 ℃以下，然后出現(xiàn)小幅的跳躍回升，回升溫度仍低于0℃．隨著凍結時間的繼續(xù)進行，土柱溫度繼續(xù)降低，降低速度較跳躍點之前變慢并逐漸趨于穩(wěn)定．整個凍結階段土柱不同位置處溫度均高于此階段的設定溫度(-10 ℃)．當溫度降低到-20 ℃時，溫度首先快速降低然后趨于平緩，并無明顯拐點出現(xiàn)，整個過程中土柱的溫度始終高于-20 ℃．融化階段，工程熱物理試驗系統(tǒng)溫度上升到30 ℃，土柱的溫度迅速上升，短時間內(nèi)達到一個溫度高點，但最高溫度仍低于30 ℃．在人工控制凍融溫度的情況下，3次凍融循環(huán)的溫度變化情況大致相似．

圖4 整個凍融過程中土柱溫度-時間曲線Fig.4 The temperature-time curve of the soil column during the whole freeze-thaw process

一般情況下，土體的整個凍結過程可分為過冷、跳躍、恒定、遞降4個階段(圖5)[23]．在凍結的第一個階段(F1)，土體溫度首先快速降低進入過冷階段．該階段中土體中的水分還未發(fā)生凍結，孔隙水處于一個亞穩(wěn)狀態(tài)，土柱中無冰晶體出現(xiàn)[24]．隨著時間的增加，溫度-時間曲線出現(xiàn)一個低值點，即過冷點．此時土體中的水分開始發(fā)生相變形成冰晶并釋放一定熱量，導致土柱內(nèi)溫度小幅跳躍升高，達到凍結點．從圖中可以得到非飽和膨脹土的凍結溫度為-1.33 ℃．凍結點過后，自由水發(fā)生凍結，冰晶穩(wěn)定生長，溫度保持小范圍穩(wěn)定，凍結過程進入恒定階段．值得注意的是，TW1并未出現(xiàn)明顯的穩(wěn)定階段，這是因為TW1處距離土層表面的距離很近，受溫度影響大，因此在凍結的情況下土體降溫速率較快，開始凍結后溫度持續(xù)降低，并無明顯恒定階段．隨后結合水開始凍結，進入遞降階段，土水體系逐步凍結．融化時，隨著時間的增加，土體溫度迅速增加，并無明顯的過熱或突變現(xiàn)象出現(xiàn)．

圖5 濕土典型降溫曲線 Fig.5 Typical cooling curve of wet soil

對比不同深度處土體的溫度變化情況可以發(fā)現(xiàn)，TW2較TW1相比存在滯后現(xiàn)象．這是因為在降溫時淺層土體受溫度影響大、先發(fā)生凍結，隨著溫度的一維傳導，深層土體也開始受負溫的影響，而在傳導時會發(fā)生能量的損耗，因此達到穩(wěn)定時TW1溫度比TW2略高一些．融化過程依舊存在能量損耗的現(xiàn)象，淺層土體升溫較快，溫度曲線整體發(fā)生了偏移．在實際工程中，土體表面因工程建設及其他人為因素作用下，地表對于太陽輻射熱量的吸收和蒸發(fā)散熱的不平衡也會導致深層土體的溫度變化滯后于淺層土[25]．

2.2 含水率變化及分析

含水率是影響凍土強度的另一重要因素[26]．研究表明，由于土壤顆粒表面力和土顆粒之間空隙的存在，在0 ℃以下土體中仍有部分水未發(fā)生凍結，即土體在凍融過程中始終有未凍水存在[27-29]．未凍水的存在可顯著影響凍土強度、泊松比、模量等物理力學性質(zhì)，從而對工程穩(wěn)定性和環(huán)境等造成顯著影響[2,30,31]．本試驗通過溫濕度一體傳感器對未凍水含量進行監(jiān)測，將整個凍融過程未凍水含量的變化繪制成圖．從圖6可以看出，溫度變化對未凍水含量影響顯著．凍結開始時含水率小幅降低，隨后出現(xiàn)一個明顯的拐點，該拐點出現(xiàn)的時間與溫度的跳躍點出現(xiàn)的時間大致相同，隨后含水率繼續(xù)降低并逐漸趨于穩(wěn)定．隨后，溫度下降到-20 ℃，土柱含水率繼續(xù)減少，但減少幅度明顯降低，大約為第一凍結階段的50%．融化時，溫度升高50 ℃達到30 ℃，含水率迅速增加并逐漸趨于初始含水率．對比整個凍融過程含水率的變化情況可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，含水率變化幅值增大．FT=1、2、3時，含水率變化范圍分別為21%～34%、18%～33%、17%～32%，3次凍融結束后大約損耗了2%的水分．

圖6 整個凍融過程中土柱含水率-時間曲線Fig.6 Soil column moisture content-time curve during the entire freeze-thaw process

(1)單次凍融對含水率的影響

受土顆粒表面能的影響，土壤中的毛細水、弱結合水、強結合水均受到土顆粒表面靜電引力場的作用，且隨距離越小，受到的分子引力越大，凍結溫度就越低(圖7)．毛細水的凍結點最高，但也略低于0 ℃；弱結合水在-0.5 ℃時外層開始發(fā)生凍結，-30～-20 ℃時才能全部凍結；強結合水凍結溫度最低，在-78 ℃時仍不凍結[32]．以FT=1為例．剛開始凍結時，土柱表層有少量冰晶體產(chǎn)生，含水率緩慢降低2%左右．到達凍結點之后，土柱內(nèi)的自由水開始大量凍結成冰晶體，含水率快速減少．隨著凍結時間的增加，自由水逐步凍結完成，固態(tài)冰阻礙了土柱中水分的運移，未凍水含量降低速度變緩，從快速結晶階段變?yōu)榫徛Y晶階段．當凍結進入到F2階段時，溫度與F1階段相比更低，此時，在第一凍結階段未凍結的部分自由水和距離土顆粒表面較遠的弱結合水進一步向冰晶體轉(zhuǎn)換，含水率進一步降低．對比兩個不同凍結溫度下未凍水含量的變化情況可以發(fā)現(xiàn)，溫度越低，水分遷移的越迅速，未凍水含量降低速率就越快．融化時，土體溫度迅速增加，未凍水含量也迅速增加，并無明顯突變現(xiàn)象出現(xiàn)．

圖7 土顆粒與水分子的相互作用Fig.7 The interaction between soil particles and water molecules

(2)多次凍融對含水率的影響

未經(jīng)凍融時，土顆粒和水分分布較為均勻，土體結構處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)．第一次凍結后，土顆粒首先凍結收縮，土體中水分形成冰晶體發(fā)生凍脹，孔隙增大，土顆粒受到擠壓，土柱原有的穩(wěn)定結構被破壞，如圖8所示．新形成的冰晶體、未凍水和土顆粒通過空間排列組合形成一種新的凍土結構．融化時，冰晶體受熱轉(zhuǎn)化成水，對新產(chǎn)生的較大孔隙進行填充，融化完成后土體重新恢復到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)．當進行第二次凍融時，由于結構發(fā)生了變化，因此在凍結時更多的水分轉(zhuǎn)變成了冰晶體，導致第二次凍結后未凍水的含量比第一次低4%左右．隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，結構進一步遭到破壞，第三次凍結后未凍水的含量比第二次低1%左右．在凍結過程中始終存在一定含量的未凍水，這是因為膨脹土的土顆粒非常小，比表面積大，因此顆粒外層不易凍結的強結合水較多，在凍融多次后仍能保持一定的未凍水量．另外，在凍融循環(huán)過程中還存在一定量的蒸發(fā)損耗，這也是峰值隨凍融循環(huán)次數(shù)增加小幅降低的原因．

圖8 多次凍融對土水結構的影響Fig.8 The influence of repeated freezing and thawing on soil-water structure

(3)深度對含水率的影響

對比TW1和TW2曲線可以發(fā)現(xiàn)，在凍結過程中淺層土體(TW1)的未凍水含量總是比深層土體中(TW2)的未凍水含量低1%～2%左右．這是因為在一維凍融過程中，負溫首先到達淺層土體并發(fā)生凍結，在毛細作用和凍結區(qū)吸引力的影響下，深層未凍結水分逐漸上升，使凍結區(qū)得到水分的補給，深層易凍結的自由水減少．隨著冷端溫度的垂直向下深入，凍結區(qū)逐步向下移動(圖9)．同時深層土體受負溫影響時間更短，在這些因素的共同作用下使得深層土體的未凍水含量高于淺層土體的未凍水含量．在融化階段，溫度迅速升高50℃，整個土柱迅速融化且不同深度的土體仍存在小幅的差距．一維凍融過程中土體可以分為主動區(qū)和被動區(qū)，其中被動區(qū)主要進行熱傳導，而主動區(qū)是冰透鏡發(fā)展的熱傳導、流體流動和應力發(fā)展的耦合過程[33]，因此整個凍融過程中始終伴隨著土壓力和孔隙水壓力的變化．

圖9 土柱的凍結過程Fig.9 Freezing process of soil column

2.3 土壓力變化及分析

溫度和水分的變化是產(chǎn)生凍脹和凍脹力的根本原因．由于土體溫度的變化，土體中的水分在凍結時發(fā)生遷移并產(chǎn)生冰晶體從而產(chǎn)生凍脹，融化時水分融化孔隙被壓縮產(chǎn)生融沉，凍融循環(huán)產(chǎn)生的體積變化對土體的應力應變狀態(tài)有顯著影響[34-35]．整個凍融過程中土壓力的變化情況如圖10所示．

圖10 整個凍融過程中土柱土壓力-時間曲線Fig.10 The earth pressure-time curve of the soil column during the whole freeze-thaw process

(1)單次凍融對土壓力的影響

以FT=1為例，在凍結第一階段，溫度降到-10 ℃，孔隙中的水分逐漸凍結成冰體積膨脹并對顆粒之間的孔隙進行填充，隨著冰晶體的逐漸增多，土顆粒受到擠壓(圖8(b))．土柱原有的穩(wěn)定結構發(fā)生改變，土中的應力狀態(tài)發(fā)生改變，作用于一定面積水平面上的總應力會增大，其中E1增長了0.4 kPa，E2增長了1.4 kPa．隨著凍結溫度的繼續(xù)降低和凍結時間的增加，冰晶逐漸將土顆粒包圍，此時土顆粒變成了獨立的“冰晶土”，顆粒與顆粒之間的作用力減小，其中E1降低了3.2 kPa，E2降低了3.4 kPa．融化時，溫度迅速升高，冰晶體融化，土顆粒接觸面積增加，同時土顆粒吸收自由水和受熱也會發(fā)生膨脹，三者的共同作用使得土顆粒之間的作用力增大，E1和E2增加，并略大于初始壓力．

(2)多次凍融對土壓力的影響

FT=1、2、3時，土壓力變化幅值分別為3.3%、1.8%、1.4%，呈遞減趨勢．這是因為土壓力的大小與土顆粒骨架直接相關：未凍融時，土體結構較為密實，土顆粒之間的接觸點較多，力的傳導較均勻．開始凍融后，土顆粒發(fā)生重分布，土體結構先有的穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生破壞，土壓力變化顯著．隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體顆粒逐漸均一化、土顆粒之間的孔隙大小逐漸穩(wěn)定，在反復凍融的影響下土壓力變化的幅值逐漸變小．第二次凍融和第三次凍融在剛開始凍結時土壓力出現(xiàn)了與第一次凍融不同的變化情況，這是因為經(jīng)歷一次凍融后的土柱中大孔隙體積增加和裂隙的出現(xiàn)大大降低了土顆粒之間的接觸點，凍結過程中冰晶體更易發(fā)生凍結且優(yōu)先對大孔隙和裂隙處進行填充，從而導致土壓力降低．

(3)深度對土壓力的影響

一維凍融時，土柱由淺到深依次受溫度影響．凍結時，表層土體(E1)開始發(fā)生凍結并逐漸向深層深入，由于模型三向約束的條件限制，土體只能向上發(fā)生自由凍脹，而對下層產(chǎn)生擠壓作用，使下層土顆粒接觸更為緊密，深層土(E2)的土壓力增加．同時深層土所承受上層土的自重更大，二者的共同作用下使得深層土(E2)的土壓力大于淺層土的(E1)土壓力．融化時，溫度快速增加，冰晶體由淺入深融化成水，土顆粒之間的接觸點增多，作用力增加，但在自重應力作用下深層土體(E2)的土壓力仍大于淺層土體(E1)．多次凍融后，土體內(nèi)產(chǎn)生了大孔隙和裂隙，凍結時冰晶體優(yōu)先對大孔隙和裂隙進行填充，產(chǎn)生的凍脹力對其他土顆粒造成擠壓，使得剛凍融時淺層土的土壓力比深層的大．當凍結進入第二階段(F2)，土柱深處也發(fā)生凍結，土顆粒逐漸被冰晶體包圍，土顆粒之間的作用力減小．此時凍脹力依舊存在但變得很小，土體的自重應力占主導作用，因此凍結后期深層土(E2)的土壓力大于淺層土(E1)．

2.4 孔隙水壓力變化及分析

非飽和土在凍融過程中因相變會導致毛管勢和吸附勢發(fā)生顯著變化，固體基質(zhì)在凍融過程中會產(chǎn)生變形，二者的共同作用是凍融過程中非飽和土孔隙水壓力變化的主要原因．孔隙水壓力對研究凍土退化、凍脹融沉等現(xiàn)象的機理具有重要意義[36-37]．整個凍融過程中孔隙水壓力的變化情況如圖11所示．

圖11 整個凍融過程中土柱孔隙水壓力-時間曲線Fig.11 The pore water pressure-time curve of the soil column during the whole freeze-thaw process

(1)單次凍融對孔隙水壓力的影響

以FT=1為例．在凍結的第一階段(F1)，P1、P2隨著溫度的降低小幅降低了0.7 kPa左右，這是因為溫度突然降低，土顆粒發(fā)生收縮開裂，有效孔隙增加，因此孔隙水壓力小幅下降．由于溫度一維傳導的滯后性，P2比P1降低量略?。_到凍結溫度之后，土柱內(nèi)部形成大量冰晶體，孔隙水壓力快速減小，P1、P2降低顯著．當進入第二個凍結階段時，溫度降低到一個更低的溫度，部分自由水和弱結合水繼續(xù)向冰晶體轉(zhuǎn)化，P1隨溫度的降低繼續(xù)降低到-3 kPa，但速率變緩．而深層土體在上層土凍結后失去自由面，隨著冰晶體的產(chǎn)生，下層土體受到凍脹壓力的作用，因此P2在F2階段小幅升高．融化階段，冰晶體隨溫度的升高快速融化成水，因此P1、P2在融化階段呈快速上升趨勢．但P2在快速上升后又出現(xiàn)了一小段降低的情況，這是因為在一維融化的影響下上層土體先發(fā)生融化，對下層產(chǎn)生的凍脹力降低，孔隙水壓力降低．

(2)多次凍融對孔隙水壓力的影響

觀察整個凍融過程可以發(fā)現(xiàn)，初次凍融時不同深度處的孔隙水壓力隨溫度的降低均呈降低趨勢，而多次凍融時淺層土體(P1)的孔隙水壓力隨溫度的降低首先小幅降低，而深層土體(P2)則呈現(xiàn)相反的趨勢．這是因為初次凍融時，土體隨溫度的降低發(fā)生收縮開裂，有效孔隙增加，因此不同深度土體的孔隙水壓力均小幅降低．多次凍融時，前一次的凍融完成后仍存在部分未融化的冰晶體，當再次開始降溫，土體溫度低于凍結溫度，冰晶體繼續(xù)融化成水，因此P2小幅增大．觀察不同次凍融對孔隙水壓力的影響，可以發(fā)現(xiàn)第一次凍融時孔隙水壓力的變化幅值最大，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加變化逐漸減?。陨顚油馏w(P2)為例，F(xiàn)T=1時，孔隙水壓力變化幅值約為-3.8～1.3 kPa；FT=2時，變化幅值為-2～1 kPa；FT=3時，變化幅值為-3～-0.5 kPa．這是因為孔隙水壓力的大小與孔隙結構密切相關，第一次凍融之前土體內(nèi)部孔隙處于一個穩(wěn)定狀態(tài)，尚未形成有效通道，具有良好的持水性能．當開始第一次凍融時，水分變化主要以原位相變?yōu)橹?，因此孔隙水壓力變化幅度較大．隨著凍融的進行，土體的孔隙結構遭到破壞，土體內(nèi)部逐漸形成細小的水流通道，持水性能降低，孔隙水壓力變化幅值減?。?/p>

(3)深度對孔隙水壓力的影響

對比整個凍融過程P1、P2的變化情況可以發(fā)現(xiàn)，P1的變化波動與P2相比更為劇烈．這是因為一維凍融時，淺層土體受溫度影響更為劇烈，因此溫度梯度相對較大，溫度變化速率更快，因此土體結構受到的擾動更為劇烈，孔隙水壓力變化波動更大．另外一維凍結時，上層土體凍結過程產(chǎn)生的凍脹力及自重應力作用于下層土體，因此P2波動變化較緩．

2.5 位移變化及分析

當經(jīng)歷凍融循環(huán)的土體達到土中水的凍結點時，便逐漸形成冰晶體，導致土體體積增大，即凍脹的發(fā)生．此時從宏觀層面上可以發(fā)現(xiàn)土體在縱向產(chǎn)生位移(圖9)，對土體強度和穩(wěn)定性造成影響，當位移超過一定的限值就會對工程造成安全隱患[38-39]．本試驗通過直線位移傳感器對位移數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，整個凍融循環(huán)過程中的位移-時間曲線如圖12所示，其中位移為正表示隆起，位移為負表示沉降．

圖12 整個凍融過程中土柱位移-時間曲線Fig.12 The displacement-time curve of the soil column during the whole freeze-thaw process

(1)單次凍融對位移的影響

在凍融作用下，非飽和膨脹土的脹縮變形主要由以下幾個部分組成：土體中的水分發(fā)生相態(tài)的轉(zhuǎn)變，不同相態(tài)的體積差造成土體的脹縮變形；凍結時，未凍水轉(zhuǎn)化成冰晶體，土顆粒失水收縮，融化時冰晶體又轉(zhuǎn)化為未凍水，土顆粒吸水膨脹；土顆粒本身及土中的礦物成分受溫度的影響發(fā)生熱脹冷縮．三者的共同作用造成豎向位移的變化，其中水分相態(tài)的轉(zhuǎn)變對位移的影響最大，土顆粒及礦物成分的熱脹冷縮帶來的影響最?。?/p>

以FT=1為例，在凍結的第一個階段(F1)，兩個位置的土體中的水分依次發(fā)生凍結，未凍水轉(zhuǎn)化為冰晶體造成土體發(fā)生凍脹，位移增加．由圖8可知，F(xiàn)1階段結束后未凍水含量并未降到最低，當進入凍結第二階段時，部分自由水和距離土顆粒表面較遠的弱結合水進一步向冰晶體轉(zhuǎn)換，因此F2階段位移進一步增加．融化時，冰晶體融化成水體積減小，位移減小．整個凍融過程土顆粒及礦物成分造成的脹縮變形可忽略不計．

不管是位移的增大還是減小階段，豎向位移的變化情況始終以波浪形發(fā)生變化．這是因為一維土柱模型內(nèi)側(cè)和土體之間為直接接觸狀態(tài)，在位移變形時產(chǎn)生了摩擦阻力，限制了土體的豎向位移變形．

(2)多次凍融對位移的影響

觀察整個凍融過程的位移-時間曲線可以發(fā)現(xiàn)，不同深度的土體在第一次凍融過程中位移的變化幅度最大．這是因為凍融之前的土體結構處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，在凍融的作用下，土體的凍脹融沉和水分遷移使得原有的孔隙結構發(fā)生破壞、土顆粒之間的連結作用發(fā)生改變，因此位移變化幅度較大．經(jīng)歷第一次凍融循環(huán)后土體的穩(wěn)態(tài)結構已經(jīng)發(fā)生破壞，土體內(nèi)部形成一定數(shù)量的“水分遷移通道”，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸趨于穩(wěn)定，位移變化幅值也逐步減小．

FT=1時，土柱因凍脹產(chǎn)生的位移約為6 mm，而融沉產(chǎn)生的位移為-4 mm，凍脹大于融沉．隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍脹位移逐漸小于融沉位移．剛開始凍融時，膨脹土土顆粒之間的粘聚力較大，具有較好的抵抗凍融變形的能力，因此第一次凍融循環(huán)時凍脹位移大于融沉位移．多次凍融后冰晶體融化造成土顆粒及孔隙重新分布，土體結構發(fā)生破壞，粘聚力減弱，土體抵抗變形能力降低，在上層土體自重的作用下進一步沉降變形，同時非飽和膨脹土中存在吸力促進土體產(chǎn)生固結，因此整個凍融過程中融沉位移逐漸大于凍結位移，這與王建平等的研究結果相同[20]．

(3)深度對位移的影響

當FT=1時，淺層土體(D1)的位移變化幅值明顯大于深層土體(D2)．研究發(fā)現(xiàn)，土體表面的凍脹量是下層凍結區(qū)各土層產(chǎn)生的凍脹量總和，而土體表面的隆起量是凍結區(qū)凍脹量及未凍結區(qū)固結的總和．淺層土體下部土體較多，產(chǎn)生的凍脹量與固結量較大，因此位移變化較大，深層土體反之．隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體結構發(fā)生破壞并逐漸達到一個新的穩(wěn)定結構，不同深度處位移差距減小．

3 結 論

本文通過自制一維土柱模型對非飽和膨脹土進行凍融循環(huán)試驗，通過在2個不同深度處埋設溫濕度一體傳感器、土壓力傳感器、應變式微型滲壓計和直線位移傳感器對不同深度的溫濕度、土壓力、孔隙水壓力和豎向位移的變化情況進行實時監(jiān)測并對這些參數(shù)的變化情況進行的規(guī)律分析，得到以下幾個結論：

(1)一般情況下，土體的凍結過程可分為過冷、跳躍、恒定、遞降和穩(wěn)定5個階段．從過冷點開始，土體中的水開始形成冰晶，到凍結點之后冰晶穩(wěn)定發(fā)展，本試驗中所用非飽和膨脹土的凍結溫度為-1.33℃．而土體的融化過程中并無明顯的過熱或突變現(xiàn)象．

(2)在凍結過程中，未凍水含量的變化存在一個明顯的轉(zhuǎn)折點，發(fā)生時間與凍結點相對應，整個凍結過程始終有未凍水存在．隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，未凍水含量有降低趨勢．由于毛細作用和凍結緣對自由水的吸引，在凍結過程中淺層土體的未凍水含量總是比深層的低．

(3)溫度場和水分場的變化使土體孔隙結構發(fā)生變化，進而使土體內(nèi)部的應力狀態(tài)發(fā)生改變，這是土壓力和孔隙水壓力變化的根本原因．

(4)整個凍融過程中，豎向位移以波浪形發(fā)生變化．FT=1時，土體的凍脹量大于融沉量．隨著凍融的進行，土體的凍脹融沉和水分遷移使得原有的孔隙結構發(fā)生破壞、土顆粒之間的連結作用發(fā)生改變，粘聚力和摩擦力減弱，土體抵抗沉降的能力降低，沉降量逐漸大于凍脹量，多次凍融后土體相對于初始狀態(tài)表現(xiàn)為整體下沉．