崔郁雪，楊忠年，時(shí) 偉 ，凌賢長(zhǎng),2，涂志斌

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)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(dá)56%[1]．我國(guó)是世界上第三大凍土國(guó)，中國(guó)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(jié)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(duì)地表的能量和水分平衡有顯著影響，我國(guó)季節(jié)性凍土的面積為5.137×106km2，占我國(guó)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(xué)性質(zhì)和工程特性與飽和土相比更為復(fù)雜，極易造成工程凍害問(wèn)題．在巖土工程實(shí)踐中，大多數(shù)問(wèn)題均屬于非飽和土力學(xué)的問(wèn)題，而太沙基經(jīng)典土力學(xué)已經(jīng)不能有效解決非飽和土的問(wèn)題，因此研究非飽和膨脹土對(duì)于實(shí)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(jié)性、裂隙性等不良特性，物理力學(xué)性質(zhì)極為復(fù)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(dǎo)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(qiáng)度和穩(wěn)定性，對(duì)處于季凍區(qū)的公路、鐵路、水利、邊坡等多種工程造成嚴(yán)重的破壞和經(jīng)濟(jì)損失[8-11]．

目前對(duì)凍融循環(huán)條件下非飽和膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)的研究已有很多．許雷等[7,12-13]以南陽(yáng)膨脹土為研究對(duì)象，探究了不同含水率、不同凍結(jié)溫度和不同凍融循環(huán)次數(shù)下膨脹土力學(xué)性質(zhì)的變化情況．Tang等[14]對(duì)經(jīng)歷了最多9次凍融循環(huán)的膨脹土進(jìn)行固結(jié)不排水(CU)三軸試驗(yàn)，探究了其應(yīng)力應(yīng)變、彈性模量、孔隙水壓力等力學(xué)參數(shù)的變化情況．Yang等[11]對(duì)重塑膨脹土進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，探究了單次凍融和多次凍融下試樣豎向位移和動(dòng)力參數(shù)的變化規(guī)律．盡管目前針對(duì)凍融循環(huán)下膨脹土力學(xué)特性的試驗(yàn)已有很多，但少有研究人員通過(guò)一維土柱模型對(duì)非飽和膨脹土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)．土柱試驗(yàn)在巖土工程、環(huán)境科學(xué)、生態(tài)保護(hù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是研究土體中水分遷移、溶質(zhì)運(yùn)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(jì)算非飽和土體滲透系數(shù)的新方法．Huang等[16]制作了2個(gè)長(zhǎng)度為12.5 m的土柱，通過(guò)水平放置并施以穩(wěn)定飽和水流的試驗(yàn)條件，探究土柱內(nèi)部溶質(zhì)運(yùn)移的情況．Muhammad等[17]進(jìn)行了一系列飽和黏土土柱的室內(nèi)試驗(yàn)，探究在低滲透介質(zhì)中溶質(zhì)運(yùn)移的情況．

由此可見，土柱試驗(yàn)可以很好地探究土體中水分遷移、溶質(zhì)運(yùn)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(yàn)尚待研究．實(shí)際上，凍融循環(huán)作用下的土體不僅涉及溫度場(chǎng)的問(wèn)題，在凍融過(guò)程中發(fā)生的凍脹融沉還會(huì)導(dǎo)致水分場(chǎng)和力學(xué)場(chǎng)的變化，因此土體的凍融往往是一個(gè)多場(chǎng)耦合的綜合性問(wèn)題[18-19]．研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際環(huán)境中土體的凍結(jié)是一維凍結(jié)問(wèn)題[20]，本文通過(guò)一維土柱模型，并在不同高程處安裝相應(yīng)傳感器，通過(guò)一維凍融試驗(yàn)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(shí)，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(xué)穩(wěn)定性和耐候性，可在試驗(yàn)過(guò)程中直觀看到土壤結(jié)構(gòu)的宏觀變化情況．使用一維土柱模擬土體的凍融循環(huán)過(guò)程，可對(duì)土體在單向凍融條件下物理力學(xué)特性的變化規(guī)律和影響機(jī)制進(jìn)行探究，更加貼合實(shí)際，具有重要的工程意義．

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 土樣的制備

本試驗(yàn)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(jìn)行烘干、碾碎、過(guò)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(rùn)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(shí)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(yàn)通過(guò)溫濕度一體傳感器、土壓力傳感器、應(yīng)變式微型滲壓計(jì)和直線位移傳感器(圖1)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中溫濕度、土壓力、孔隙水壓力和豎向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)．試驗(yàn)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(dǎo)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(shè)，在距離柱底50 mm和350 mm的位置處分別設(shè)置有兩個(gè)大小不同的鉆孔．其中較小的一個(gè)直徑為10 mm，用于埋設(shè)土壓力傳感器和應(yīng)變式微型滲壓計(jì)；較大的一個(gè)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(gè)板面上設(shè)置有4排5列共20個(gè)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(dǎo)桿通過(guò)攻絲連接，從而間接測(cè)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(shí)，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(jìn)行分層制樣，層厚取為2 mm，層與層交界處進(jìn)行刮毛處理，如圖2(a)所示．當(dāng)高度達(dá)到60 mm時(shí)，按照土壓力傳感器、應(yīng)變式微型滲壓計(jì)和直線位移傳感器導(dǎo)向桿的尺寸挖出一組深度為10 mm的凹槽進(jìn)行第一組傳感器和導(dǎo)向桿的埋設(shè)(圖2(b))，然后繼續(xù)進(jìn)行分層壓實(shí)，當(dāng)土體高度達(dá)到360 mm時(shí)，挖出第二組凹槽進(jìn)行第二組傳感器和導(dǎo)向桿的埋設(shè)，然后繼續(xù)壓實(shí)土體達(dá)到預(yù)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(dǎo)桿與直線位移傳感器通過(guò)活動(dòng)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(guò)土體對(duì)導(dǎo)向桿作用產(chǎn)生的豎向位移間接監(jiān)測(cè)凍融循環(huán)下土體豎向脹縮位移的變化情況．然后在兩個(gè)直徑40 mm的預(yù)留孔處進(jìn)行溫濕度一體傳感器的安裝，注意安裝時(shí)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(guò)485轉(zhuǎn)換器與電腦連接進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)的采集．最后，將柱頂開口處用保鮮膜進(jìn)行密封防止柱體內(nèi)水分的蒸發(fā)．此時(shí)，土柱各個(gè)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(yīng)變式微型滲壓計(jì)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(yīng)變式微型滲壓計(jì)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(yàn)方案

本試驗(yàn)使用自制工程熱物理試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)一維土柱進(jìn)行凍融循環(huán)的系統(tǒng)試驗(yàn)．該設(shè)備為一個(gè)絕熱、保溫、保濕、高溫與低溫交變濕熱試驗(yàn)室，可滿足試驗(yàn)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(duì)柱體底部和四周進(jìn)行兩層包裹．然后將包裹完成的土柱放入工程熱物理試驗(yàn)系統(tǒng)中，靜置24 h后進(jìn)行3次凍融循環(huán)．考慮我國(guó)冬季最低氣溫的變化情況，本試驗(yàn)確定-10 ℃和-20 ℃兩個(gè)典型溫度為試驗(yàn)溫度．同時(shí)在土柱中安置了溫度傳感器，試驗(yàn)前已通過(guò)預(yù)試驗(yàn)獲得土柱中不同深度溫度場(chǎng)在各階段達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間，并據(jù)此確定了試驗(yàn)過(guò)程中的凍結(jié)和融化時(shí)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(jié)果與分析

2.1 溫度變化及分析

溫度是影響凍土強(qiáng)度的一個(gè)重要因素，土體的溫度變化往往會(huì)導(dǎo)致土體中水分發(fā)生變化，從而導(dǎo)致土體內(nèi)應(yīng)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(jié)溫度可以判定土體是否處于凍結(jié)狀態(tài)，同時(shí)也是確定寒區(qū)凍結(jié)深度和人工凍土凍結(jié)壁厚度的依據(jù)[2,22]．本試驗(yàn)通過(guò)埋設(shè)在土柱不同深度處的2個(gè)溫濕度一體傳感器對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到了整個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程中非飽和膨脹土不同深度的溫度-時(shí)間曲線，如圖4所示．從圖中可以看出，當(dāng)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(jié)時(shí)間的繼續(xù)進(jìn)行，土柱溫度繼續(xù)降低，降低速度較跳躍點(diǎn)之前變慢并逐漸趨于穩(wěn)定．整個(gè)凍結(jié)階段土柱不同位置處溫度均高于此階段的設(shè)定溫度(-10 ℃)．當(dāng)溫度降低到-20 ℃時(shí)，溫度首先快速降低然后趨于平緩，并無(wú)明顯拐點(diǎn)出現(xiàn)，整個(gè)過(guò)程中土柱的溫度始終高于-20 ℃．融化階段，工程熱物理試驗(yàn)系統(tǒng)溫度上升到30 ℃，土柱的溫度迅速上升，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)溫度高點(diǎn)，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(gè)凍融過(guò)程中土柱溫度-時(shí)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(gè)凍結(jié)過(guò)程可分為過(guò)冷、跳躍、恒定、遞降4個(gè)階段(圖5)[23]．在凍結(jié)的第一個(gè)階段(F1)，土體溫度首先快速降低進(jìn)入過(guò)冷階段．該階段中土體中的水分還未發(fā)生凍結(jié)，孔隙水處于一個(gè)亞穩(wěn)狀態(tài)，土柱中無(wú)冰晶體出現(xiàn)[24]．隨著時(shí)間的增加，溫度-時(shí)間曲線出現(xiàn)一個(gè)低值點(diǎn)，即過(guò)冷點(diǎn)．此時(shí)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(dǎo)致土柱內(nèi)溫度小幅跳躍升高，達(dá)到凍結(jié)點(diǎn)．從圖中可以得到非飽和膨脹土的凍結(jié)溫度為-1.33 ℃．凍結(jié)點(diǎn)過(guò)后，自由水發(fā)生凍結(jié)，冰晶穩(wěn)定生長(zhǎng)，溫度保持小范圍穩(wěn)定，凍結(jié)過(guò)程進(jìn)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?yàn)門W1處距離土層表面的距離很近，受溫度影響大，因此在凍結(jié)的情況下土體降溫速率較快，開始凍結(jié)后溫度持續(xù)降低，并無(wú)明顯恒定階段．隨后結(jié)合水開始凍結(jié)，進(jìn)入遞降階段，土水體系逐步凍結(jié)．融化時(shí)，隨著時(shí)間的增加，土體溫度迅速增加，并無(wú)明顯的過(guò)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(duì)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?yàn)樵诮禍貢r(shí)淺層土體受溫度影響大、先發(fā)生凍結(jié)，隨著溫度的一維傳導(dǎo)，深層土體也開始受負(fù)溫的影響，而在傳導(dǎo)時(shí)會(huì)發(fā)生能量的損耗，因此達(dá)到穩(wěn)定時(shí)TW1溫度比TW2略高一些．融化過(guò)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(shí)際工程中，土體表面因工程建設(shè)及其他人為因素作用下，地表對(duì)于太陽(yáng)輻射熱量的吸收和蒸發(fā)散熱的不平衡也會(huì)導(dǎo)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(qiáng)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(jié)，即土體在凍融過(guò)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(qiáng)度、泊松比、模量等物理力學(xué)性質(zhì)，從而對(duì)工程穩(wěn)定性和環(huán)境等造成顯著影響[2,30,31]．本試驗(yàn)通過(guò)溫濕度一體傳感器對(duì)未凍水含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將整個(gè)凍融過(guò)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(duì)未凍水含量影響顯著．凍結(jié)開始時(shí)含水率小幅降低，隨后出現(xiàn)一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，該拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間與溫度的跳躍點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)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(jié)階段的50%．融化時(shí)，溫度升高50 ℃達(dá)到30 ℃，含水率迅速增加并逐漸趨于初始含水率．對(duì)比整個(gè)凍融過(guò)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(shí)，含水率變化范圍分別為21%～34%、18%～33%、17%～32%，3次凍融結(jié)束后大約損耗了2%的水分．

圖6 整個(gè)凍融過(guò)程中土柱含水率-時(shí)間曲線Fig.6 Soil column moisture content-time curve during the entire freeze-thaw process

(1)單次凍融對(duì)含水率的影響

受土顆粒表面能的影響，土壤中的毛細(xì)水、弱結(jié)合水、強(qiáng)結(jié)合水均受到土顆粒表面靜電引力場(chǎng)的作用，且隨距離越小，受到的分子引力越大，凍結(jié)溫度就越低(圖7)．毛細(xì)水的凍結(jié)點(diǎn)最高，但也略低于0 ℃；弱結(jié)合水在-0.5 ℃時(shí)外層開始發(fā)生凍結(jié)，-30～-20 ℃時(shí)才能全部?jī)鼋Y(jié)；強(qiáng)結(jié)合水凍結(jié)溫度最低，在-78 ℃時(shí)仍不凍結(jié)[32]．以FT=1為例．剛開始凍結(jié)時(shí)，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(dá)凍結(jié)點(diǎn)之后，土柱內(nèi)的自由水開始大量?jī)鼋Y(jié)成冰晶體，含水率快速減少．隨著凍結(jié)時(shí)間的增加，自由水逐步凍結(jié)完成，固態(tài)冰阻礙了土柱中水分的運(yùn)移，未凍水含量降低速度變緩，從快速結(jié)晶階段變?yōu)榫徛Y(jié)晶階段．當(dāng)凍結(jié)進(jìn)入到F2階段時(shí)，溫度與F1階段相比更低，此時(shí)，在第一凍結(jié)階段未凍結(jié)的部分自由水和距離土顆粒表面較遠(yuǎn)的弱結(jié)合水進(jìn)一步向冰晶體轉(zhuǎn)換，含水率進(jìn)一步降低．對(duì)比兩個(gè)不同凍結(jié)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(shí)，土體溫度迅速增加，未凍水含量也迅速增加，并無(wú)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(duì)含水率的影響

未經(jīng)凍融時(shí)，土顆粒和水分分布較為均勻，土體結(jié)構(gòu)處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)．第一次凍結(jié)后，土顆粒首先凍結(jié)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(jié)構(gòu)被破壞，如圖8所示．新形成的冰晶體、未凍水和土顆粒通過(guò)空間排列組合形成一種新的凍土結(jié)構(gòu)．融化時(shí)，冰晶體受熱轉(zhuǎn)化成水，對(duì)新產(chǎn)生的較大孔隙進(jìn)行填充，融化完成后土體重新恢復(fù)到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)．當(dāng)進(jìn)行第二次凍融時(shí)，由于結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，因此在凍結(jié)時(shí)更多的水分轉(zhuǎn)變成了冰晶體，導(dǎo)致第二次凍結(jié)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(jié)構(gòu)進(jìn)一步遭到破壞，第三次凍結(jié)后未凍水的含量比第二次低1%左右．在凍結(jié)過(guò)程中始終存在一定含量的未凍水，這是因?yàn)榕蛎浲恋耐令w粒非常小，比表面積大，因此顆粒外層不易凍結(jié)的強(qiáng)結(jié)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(guò)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(duì)土水結(jié)構(gòu)的影響Fig.8 The influence of repeated freezing and thawing on soil-water structure

(3)深度對(duì)含水率的影響

對(duì)比TW1和TW2曲線可以發(fā)現(xiàn)，在凍結(jié)過(guò)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?yàn)樵谝痪S凍融過(guò)程中，負(fù)溫首先到達(dá)淺層土體并發(fā)生凍結(jié)，在毛細(xì)作用和凍結(jié)區(qū)吸引力的影響下，深層未凍結(jié)水分逐漸上升，使凍結(jié)區(qū)得到水分的補(bǔ)給，深層易凍結(jié)的自由水減少．隨著冷端溫度的垂直向下深入，凍結(jié)區(qū)逐步向下移動(dòng)(圖9)．同時(shí)深層土體受負(fù)溫影響時(shí)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(gè)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(guò)程中土體可以分為主動(dòng)區(qū)和被動(dòng)區(qū)，其中被動(dòng)區(qū)主要進(jìn)行熱傳導(dǎo)，而主動(dòng)區(qū)是冰透鏡發(fā)展的熱傳導(dǎo)、流體流動(dòng)和應(yīng)力發(fā)展的耦合過(guò)程[33]，因此整個(gè)凍融過(guò)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(jié)過(guò)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(jié)時(shí)發(fā)生遷移并產(chǎn)生冰晶體從而產(chǎn)生凍脹，融化時(shí)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(duì)土體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)有顯著影響[34-35]．整個(gè)凍融過(guò)程中土壓力的變化情況如圖10所示．

圖10 整個(gè)凍融過(guò)程中土柱土壓力-時(shí)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(duì)土壓力的影響

以FT=1為例，在凍結(jié)第一階段，溫度降到-10 ℃，孔隙中的水分逐漸凍結(jié)成冰體積膨脹并對(duì)顆粒之間的孔隙進(jìn)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(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土中的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，作用于一定面積水平面上的總應(yīng)力會(huì)增大，其中E1增長(zhǎng)了0.4 kPa，E2增長(zhǎng)了1.4 kPa．隨著凍結(jié)溫度的繼續(xù)降低和凍結(jié)時(shí)間的增加，冰晶逐漸將土顆粒包圍，此時(shí)土顆粒變成了獨(dú)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(shí)，溫度迅速升高，冰晶體融化，土顆粒接觸面積增加，同時(shí)土顆粒吸收自由水和受熱也會(huì)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?jí)毫Γ?/p>

(2)多次凍融對(duì)土壓力的影響

FT=1、2、3時(shí)，土壓力變化幅值分別為3.3%、1.8%、1.4%，呈遞減趨勢(shì)．這是因?yàn)橥翂毫Φ拇笮∨c土顆粒骨架直接相關(guān)：未凍融時(shí)，土體結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，土顆粒之間的接觸點(diǎn)較多，力的傳導(dǎo)較均勻．開始凍融后，土顆粒發(fā)生重分布，土體結(jié)構(gòu)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(fù)凍融的影響下土壓力變化的幅值逐漸變?。诙蝺鋈诤偷谌蝺鋈谠趧傞_始凍結(jié)時(shí)土壓力出現(xiàn)了與第一次凍融不同的變化情況，這是因?yàn)榻?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(diǎn)，凍結(jié)過(guò)程中冰晶體更易發(fā)生凍結(jié)且優(yōu)先對(duì)大孔隙和裂隙處進(jìn)行填充，從而導(dǎo)致土壓力降低．

(3)深度對(duì)土壓力的影響

一維凍融時(shí)，土柱由淺到深依次受溫度影響．凍結(jié)時(shí)，表層土體(E1)開始發(fā)生凍結(jié)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(duì)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(shí)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(shí)，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(diǎn)增多，作用力增加，但在自重應(yīng)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(jié)時(shí)冰晶體優(yōu)先對(duì)大孔隙和裂隙進(jìn)行填充，產(chǎn)生的凍脹力對(duì)其他土顆粒造成擠壓，使得剛凍融時(shí)淺層土的土壓力比深層的大．當(dāng)凍結(jié)進(jìn)入第二階段(F2)，土柱深處也發(fā)生凍結(jié)，土顆粒逐漸被冰晶體包圍，土顆粒之間的作用力減小．此時(shí)凍脹力依舊存在但變得很小，土體的自重應(yīng)力占主導(dǎo)作用，因此凍結(jié)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(guò)程中因相變會(huì)導(dǎo)致毛管勢(shì)和吸附勢(shì)發(fā)生顯著變化，固體基質(zhì)在凍融過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生變形，二者的共同作用是凍融過(guò)程中非飽和土孔隙水壓力變化的主要原因．孔隙水壓力對(duì)研究?jī)鐾镣嘶?、凍脹融沉等現(xiàn)象的機(jī)理具有重要意義[36-37]．整個(gè)凍融過(guò)程中孔隙水壓力的變化情況如圖11所示．

圖11 整個(gè)凍融過(guò)程中土柱孔隙水壓力-時(shí)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(duì)孔隙水壓力的影響

以FT=1為例．在凍結(jié)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?yàn)闇囟韧蝗唤档?，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(dǎo)的滯后性，P2比P1降低量略?。_(dá)到凍結(jié)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(dāng)進(jìn)入第二個(gè)凍結(jié)階段時(shí)，溫度降低到一個(gè)更低的溫度，部分自由水和弱結(jié)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(jié)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(shì)．但P2在快速上升后又出現(xiàn)了一小段降低的情況，這是因?yàn)樵谝痪S融化的影響下上層土體先發(fā)生融化，對(duì)下層產(chǎn)生的凍脹力降低，孔隙水壓力降低．

(2)多次凍融對(duì)孔隙水壓力的影響

觀察整個(gè)凍融過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，初次凍融時(shí)不同深度處的孔隙水壓力隨溫度的降低均呈降低趨勢(shì)，而多次凍融時(shí)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(shì)．這是因?yàn)槌醮蝺鋈跁r(shí)，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(shí)，前一次的凍融完成后仍存在部分未融化的冰晶體，當(dāng)再次開始降溫，土體溫度低于凍結(jié)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(duì)孔隙水壓力的影響，可以發(fā)現(xiàn)第一次凍融時(shí)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(shí)，孔隙水壓力變化幅值約為-3.8～1.3 kPa；FT=2時(shí)，變化幅值為-2～1 kPa；FT=3時(shí)，變化幅值為-3～-0.5 kPa．這是因?yàn)榭紫端畨毫Φ拇笮∨c孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，第一次凍融之前土體內(nèi)部孔隙處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，尚未形成有效通道，具有良好的持水性能．當(dāng)開始第一次凍融時(shí)，水分變化主要以原位相變?yōu)橹鳎虼丝紫端畨毫ψ兓容^大．隨著凍融的進(jìn)行，土體的孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞，土體內(nèi)部逐漸形成細(xì)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(duì)孔隙水壓力的影響

對(duì)比整個(gè)凍融過(guò)程P1、P2的變化情況可以發(fā)現(xiàn)，P1的變化波動(dòng)與P2相比更為劇烈．這是因?yàn)橐痪S凍融時(shí)，淺層土體受溫度影響更為劇烈，因此溫度梯度相對(duì)較大，溫度變化速率更快，因此土體結(jié)構(gòu)受到的擾動(dòng)更為劇烈，孔隙水壓力變化波動(dòng)更大．另外一維凍結(jié)時(shí)，上層土體凍結(jié)過(guò)程產(chǎn)生的凍脹力及自重應(yīng)力作用于下層土體，因此P2波動(dòng)變化較緩．

2.5 位移變化及分析

當(dāng)經(jīng)歷凍融循環(huán)的土體達(dá)到土中水的凍結(jié)點(diǎn)時(shí)，便逐漸形成冰晶體，導(dǎo)致土體體積增大，即凍脹的發(fā)生．此時(shí)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(duì)土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性造成影響，當(dāng)位移超過(guò)一定的限值就會(huì)對(duì)工程造成安全隱患[38-39]．本試驗(yàn)通過(guò)直線位移傳感器對(duì)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，整個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程中的位移-時(shí)間曲線如圖12所示，其中位移為正表示隆起，位移為負(fù)表示沉降．

圖12 整個(gè)凍融過(guò)程中土柱位移-時(shí)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(duì)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(gè)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(jié)時(shí)，未凍水轉(zhuǎn)化成冰晶體，土顆粒失水收縮，融化時(shí)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(duì)位移的影響最大，土顆粒及礦物成分的熱脹冷縮帶來(lái)的影響最?。?/p>

以FT=1為例，在凍結(jié)的第一個(gè)階段(F1)，兩個(gè)位置的土體中的水分依次發(fā)生凍結(jié)，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(jié)束后未凍水含量并未降到最低，當(dāng)進(jìn)入凍結(jié)第二階段時(shí)，部分自由水和距離土顆粒表面較遠(yuǎn)的弱結(jié)合水進(jìn)一步向冰晶體轉(zhuǎn)換，因此F2階段位移進(jìn)一步增加．融化時(shí)，冰晶體融化成水體積減小，位移減小．整個(gè)凍融過(guò)程土顆粒及礦物成分造成的脹縮變形可忽略不計(jì)．

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?yàn)橐痪S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(shí)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(duì)位移的影響

觀察整個(gè)凍融過(guò)程的位移-時(shí)間曲線可以發(fā)現(xiàn)，不同深度的土體在第一次凍融過(guò)程中位移的變化幅度最大．這是因?yàn)閮鋈谥暗耐馏w結(jié)構(gòu)處于一個(gè)相對(duì)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(jié)構(gòu)發(fā)生破壞、土顆粒之間的連結(jié)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(jié)構(gòu)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?。?/p>

FT=1時(shí)，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(shí)，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(shí)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(jié)構(gòu)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(jìn)一步沉降變形，同時(shí)非飽和膨脹土中存在吸力促進(jìn)土體產(chǎn)生固結(jié)，因此整個(gè)凍融過(guò)程中融沉位移逐漸大于凍結(jié)位移，這與王建平等的研究結(jié)果相同[20]．

(3)深度對(duì)位移的影響

當(dāng)FT=1時(shí)，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(jié)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(jié)區(qū)凍脹量及未凍結(jié)區(qū)固結(jié)的總和．淺層土體下部土體較多，產(chǎn)生的凍脹量與固結(jié)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(jié)構(gòu)發(fā)生破壞并逐漸達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，不同深度處位移差距減?。?/p>

3 結(jié) 論

本文通過(guò)自制一維土柱模型對(duì)非飽和膨脹土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，通過(guò)在2個(gè)不同深度處埋設(shè)溫濕度一體傳感器、土壓力傳感器、應(yīng)變式微型滲壓計(jì)和直線位移傳感器對(duì)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并對(duì)這些參數(shù)的變化情況進(jìn)行的規(guī)律分析，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

(1)一般情況下，土體的凍結(jié)過(guò)程可分為過(guò)冷、跳躍、恒定、遞降和穩(wěn)定5個(gè)階段．從過(guò)冷點(diǎn)開始，土體中的水開始形成冰晶，到凍結(jié)點(diǎn)之后冰晶穩(wěn)定發(fā)展，本試驗(yàn)中所用非飽和膨脹土的凍結(jié)溫度為-1.33℃．而土體的融化過(guò)程中并無(wú)明顯的過(guò)熱或突變現(xiàn)象．

(2)在凍結(jié)過(guò)程中，未凍水含量的變化存在一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，發(fā)生時(shí)間與凍結(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，整個(gè)凍結(jié)過(guò)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(shì)．由于毛細(xì)作用和凍結(jié)緣對(duì)自由水的吸引，在凍結(jié)過(guò)程中淺層土體的未凍水含量總是比深層的低．

(3)溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)的變化使土體孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而使土體內(nèi)部的應(yīng)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(gè)凍融過(guò)程中，豎向位移以波浪形發(fā)生變化．FT=1時(shí)，土體的凍脹量大于融沉量．隨著凍融的進(jìn)行，土體的凍脹融沉和水分遷移使得原有的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞、土顆粒之間的連結(jié)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(duì)于初始狀態(tài)表現(xiàn)為整體下沉．