重塑土冻融过程中水分迁移试验研究
赵 刚，陶夏新，刘 兵
(哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨，150090)
摘 要：为了定量研究重塑土中水分在冻融过程中的迁移，借助XT5405B型高低温冻融循环试验箱、DT615数字采集系统和T型热电偶等试验仪器，组成一套室内水分迁移试验装置。试验在几何尺寸、实验环境等相同的条件下，改变初始含水量或温度模式，研究单个因素对水分迁移的影响。通过试验观察裂缝现象、水分积聚现象、冻结后含冰不均匀现象等结果，对冻融过程中进行温度场以及冻融前后含水量的变化进行分析。研究结果表明：土样冻结后在试样中间会出现含水量明显增大的土层，出现的位置受初始含水量的影响不明显，受控温模式影响较明显；土中水的冻结温度与含水量有关；继续融化到设定位置后，在融冻界面处会出现水分积聚的土层，初始含水量越大，水分积聚现象越明显等。
关键词：重塑土；温度场；含水量；水分迁移
中图分类号：TU445 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2009)02-0519-07
Experimental research on water migration in remoulded soil during freezing and thawing process
ZHAO Gang, TAO Xia-xin, LIU Bing
(School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)
Abstract: In order to quantitatively research the water migration in remoulded soil during freezing and thawing process, a set of indoor test device was used, including high-low temperature XT5405B type freeze-thaw cycle test cases, DT615 digital sampled system and T-shape thermocouple. Initial water content and temperature mode with the same circumstance were changed to determine the influence on water migration of single factor. In the experiment, crack phenomenon, water accumulation and ice unevenly distribution were observed. Based on these phenomenon, the temperature field during freezing and thawing process and water content before and after frozen-thaw process were analysed. The results show that water content in the middle part of the soil sample increases evidently, the height is not sensitive to initial water content but influenced significantly by temperature mode. Freezing temperature of water is related to water content. Water accumulates on the ice surface during thawing process and it is more obvious with larger initial water content.
Key words: remoulded soil; temperature field; water content; water migration
我国季节冻土分布广泛，面积约为513.7×104 km2，约占全国陆地面积的53.5%。由于许多地区冻结主要发生在距地表2~3 m的深度范围内，因而主要发生非饱和土的冻融问题。在季节冻土区，许多工程危害与冻融过程中土中水分的迁移有密切关系。国内外许多研究者对土中水分的迁移机理进行了研究，但至今尚未形成一致的认识，没有一个被广泛接受的模型。由于冬季温度降低，土中的水分向上层迁移，使上层土体中水分充分富集，形成冰晶或冰夹层，冬季路基边坡又被雪所覆盖；进入春季，坡面冻土由表及里逐渐融化，冻结面逐步下降，土中的水分(主要来源于土体中冰的融化与破面及其上方融化的积雪)逐渐向下渗透。由于冻结土层不透水，所以，上层土中渗透下来的水分在冻结面上方积聚，使冻结面上方的土体达到饱和或含水量较高，导致水分聚集层处土体的抗剪强度及摩擦力下降。未融化的冻结土层成为近似单一坡度的平面滑床，在一定条件下，将沿水分聚集层的下边缘发生浅层滑塌破坏[1-4]。20世纪80年代，美军寒区研究与工程实验室(US Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory，简称CRREL)，进行了一系列室内试验，探索冻土中水分迁移的机理。
Konrad等[5-6]通过进行不同温度梯度下冻土中水分迁移试验得出了水分迁移通量与温度梯度T成正比的结论：
。
其中：参数S和P称为分凝势(Segregation potential)，它与具体的试验条件和土的冻结速度、土中含水量等因素有关。这一参数的复杂性使得其应用受到很大 限制。
自20世纪70年代以来，陈肖柏等[7]对土冻结特性、冻结条件下的水分迁移、成冰作用及冻胀、盐分迁移及盐胀等问题进行了大量的室内实验研究。结果表明，冻土中的水分迁移与冻结过程中的土水势梯度有关，该梯度主要取决于土体的性质、边界条件、冻结速度和冻胀速度等。
人们通过室内试验模拟室外冻融过程，研究冻融过程中水分的迁移。研究系统主要分为开放系统和封闭系统：开放系统用于模拟有地下水补给的情况，封闭系统用于模拟地下水埋得比较深的情况。一般采取恒温单向冻结[8]，也有的采用正弦和直线控温冻结[9]。试验研究结果表明[10-11]，非饱和土冻融中水分迁移的推动力主要包括土中含水量的梯度(土水势梯度)和温度梯度，对这两者既可以相互独立考虑，也可以一起考虑。
为了使问题充分简化，本文实验的主要目标设计为：研究单向冻结模式在不同温度梯度下，不同结构的土、不同含水量的粉质黏土中水分迁移发展、变化规律，以及主要试验因素对土中水分迁移的影响。
1 实 验
1.1 试验仪器
所采用的试验装置主要由XT5405型高低温冻融循环试验箱、DT615数字采集系统、TYPE T热电偶、电热鼓风干燥箱和电子天平等试验仪器组成，如图1所示。其中：
图1 试验装置示意图
Fig.1 Sketch map of test equipment
a. 由于取土器限制，原状土试样筒采用有机玻璃制成，外径为120 mm，内径为100 mm(壁厚为10 mm)，高度为180 mm；沿试样筒壁一侧的竖直线上，自底部向上150 mm的高度内，每隔15 mm钻孔径为2 mm的圆形小孔，用于安插测量试样温度的热电偶。
重塑土试样筒采用有机玻璃制成，外径为130 mm，内径为100 mm(壁厚为15 mm)，高度为350 mm；沿试样筒壁一侧的竖直线上，自顶部向下300 mm高度内，每隔20 mm钻孔径为3 mm的圆形小孔，用于安插测量试样温度的热电偶。
采用不同的尺寸是为了不受取土器的限制，采用更大的重塑土样，使水分迁移更充分，便于掌握水分迁移规律。
b. 顶板由轻质高强并且导热性能良好的合金材料制成，且主截面为圆形，其外径为96 mm。顶板内部留有单向流通孔道，可以保证冷冻液在顶板内循环制冷；在靠顶板边部设有冷冻液的循环进出口。
c. 底板是直径为100 mm的圆柱形，用于承载试样，并起隔热边界的作用。对所采用的木质，要求具有良好的隔热性能和抗腐蚀性能。
d. 本试验所使用的保温材料为专业制冷普遍采用的特种有机材料，不仅保温性能良好，而且在一定的低温范围内具有较好的抗低温硬化变形性能。单层保温材料外面有胶体，可以把2层很好地粘在一起。单层保温材料的厚度为40 mm。
本试验所采用的冻融循环箱为Xutemp的XT5405B系列土工冻胀实验箱，具有正弦、线性(包括恒温)规律的复合编程能力，适用于-40~60 ℃(冻)土的冻融循环试验等。
各温区的温度范围为：箱体，-35~40 ℃；热源循环泵，-40~60 ℃；冷源循环泵，-40~60 ℃。动态恒温控制系统在整个量程范围内精确控制，箱体的温度最佳波动达到0.2 ℃，底板和顶板的温度最佳波动达到0.1 ℃；数字显示设置温度和实际温度的设置、显示分辨率均为0.1 ℃。试验箱的3端(箱体、顶板、底板)温度不但可以通过控制显示面板设置、调控，而且可以由另外一个软件三端多参数设置来模拟正弦、直线和恒温这3种复杂的温度变化过程，同时，显示温度模拟曲线与实际运行温度曲线的对比结果。
试验箱同时装备了风冷和水冷冷却系统，还具有先进的超温保护和温度传感异常保护及断电保护记忆等功能，充分保证了试验工作的连续性和稳定性。
通过试验箱的观察窗口可以随时观测内部土样的变化、制冷系统的工作情况。
其他试验仪器包括：数据采集读数系统(为澳大利亚产的DATATAKER-DT615)；温度测量部件(为标准的Type-T热电偶)；测量含水量仪器(天津市天宇实验仪器有限公司生产)；电子天平(沈阳龙腾电子有限公司生产)。
1.2 试验方案
温度梯度和初始含水量是影响土中水分在冻融过程中迁移的2个主要因素[12-14]。本文试验研究的重点设定如下：
a. 对相同含水量的土样，采取不同温度梯度检测土中水分的迁移结果。
b. 在设定相同温度梯度下，对不同初始含水量的土样进行水分迁移试验；
c. 对初始含水量均匀的土样，在土样完全冻结、再从上到下融化到设定位置后2个不同阶段，分别测试土中含水量的变化。
d. 研究融化到设定位置后，冻结面上水分聚集层的位置及其含水量。
试验条件如表1所示。
表1 扰动粉质黏土水分迁移试验条件
Table 1 Test conditions for water migration in reshaped soil samples
本重塑土试验分5组来完成，共选用10个试样，设置3种温度模式，采用5种初始含水量进行水分迁移试验。
1.3 试验方法与步骤
1.3.1 试样的制备
采用的重塑土为扰动的粉质黏土，按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)规定制备重塑土样。
1.3.2 试验步骤
a. 安装试样，保证试样只能单向冻结或融化。
b. 试验温度控制。冻结前需要恒温的试验，调节箱体温度为5 ℃，恒温8 h，使试样内温度达到均匀 (5 ℃)。冻结和融化时，冻融循环试验箱箱体控制温度调为1 ℃，以减少侧向散热；底板温度也统一控制在1 ℃，保证试样只从顶端冻结或融化；控制顶板的温度变化，使得试样从上向下冻结或从上向下融化。冻结和融化时重塑土试样控温如表1所示。
c. 冻结试验。在试验开始前，在试样筒周围裹上保温材料。给试样顶端施加恒定的负温条件，进行冻结，并测试土样不同深度的温度。冻结到底后，若需测试冻结后的含水量，则停止试验，取出分层测量含水量，否则，停止冻结，继续进行融化试验。
d. 融化试验。冻结到底后，调节顶板温度为所需恒定温度，箱体和底板温度保持不变，进行单向融化并测试土样不同深度的温度，待融化达到设定深度时，停止融化，取出分层测量含水量。
e. 数据采集。用DataTaker615每隔1 min自动采集1次各测点温度。
f. 取出试样后，把试样分割成厚度为2 cm的切片，用烘干法测试含水量。
2 试验结果分析
考虑不同温度模式、不同含水量对冻融过程中水分迁移的影响，对重塑土进行10组试样的试验，对试验现象和试验数据进行分析和讨论。
2.1 重塑土试样的水分迁移试验
重塑土试验分5组来完成：第1组用于研究恒温过程对试样温度场的影响；第2~4组用于研究相同控温模式(冻结温度为-12 ℃，融化温度为12 ℃)下，不同初始含水量对重塑土试样中水分迁移的影响；第4组和第5组用于研究相同初始含水量(18.7%)下，不同控温模式对重塑土试样中水分迁移的影响。
2.1.1 裂缝现象和水分积聚现象
在重塑土试验中，试样表面出现了裂缝，但裂缝没有原状土的明显，如图4所示。裂缝产生的原因与原状土的类似，即：试验开始后，从试样顶端开始降温，试样不同深度的温度变化存在差异，使得体积不均匀收缩；当冷却强度足够大，土柱表面产生的最大应力超过土的极限强度时，就会出现裂缝[15]。冻融后，切开土柱发现，试样上端土体成团块状，并且沿深度方向团块由小变大，团块之间强度很小，稍加扰动就会裂开。产生这种现象的原因是：冻融后，在横向和竖向裂缝综合作用下，原来为整体状的土体被裂缝“切割”成团块状。由于裂缝随深度方向减少，团块随深度由小逐渐变大。此外，还观察到水分积聚现象。
2.1.2 冻结后含冰不均匀现象
试样完全冻结后，取出并切开试样，发现试样上部的含冰量多，下部的少。同时，试样上部其含冰量呈不均匀分布，试样上部含冰量多，下部少。其原因是：在冻结过程中，下部土层的水分向上部迁移。
一般地，土层中所含冰晶与冻结锋面在该土层的停留时间及该土层在冻结过程中的温度梯度有关。冻结锋面的前进速度与该土层的含水量和顶板温度有关，即土层的含水量越大，冻结时顶板温度越高，冻结锋面在该土层的前进速度越小。含水量越大，顶板温度越高，温度梯度越大，温度梯度随深度增加而减小。试样上部含冰量不均匀的原因是：当土体开始冻结时，由于顶板温度从正温降低到负温需要一定时间，所以，冻结锋面在第1层土层中停留的时间较长，该层温度梯度又很大，第2层的水分有足够时间迁移到第1层并且冻结成冰。由于第2层土层水分上移，使该土层的水分减少，含水量降低，冻结锋面停留的时间短，该层温度梯度比较大，第3层土层的水分来不及补充，所以，第2层土层冻结后含冰量较小。第3层土层水分没有足够时间向上迁移，含水量较大，冻结锋面在该层停留的时间较长，温度梯度小，补给的水分多，含冰量大。其余层水的迁移依此类推。
2.2 试样冻融过程中温度场分析
2.2.1 试样中心线各点温度的变化规律
试样8和9的控温模式如表1所示。冻结前，试样8温度为室温(约为24 ℃)，试样9恒温到5 ℃。图2所示为试样8中心线各点温度随时间的变化关系(其中，s为从土样顶面向下量取的距离)。可见：
s/cm: 1—2; 2—6; 3—10; 4—14; 5—18; 6—20; 7—22; 8—26
图2 试样8温度随时间变化曲线
Fig.2 Temperature-time curves of the 8th sample
a. 在冻融过程中，重塑土试样中温度随时间变化曲线与和原状土中的一样，也可以分为4个阶段。温度缓慢降低阶段所需时间随距顶板的距离s增大而 增加。
b. 在融化过程中，试样上面点的温度为正值时，下面点的温度还在降低。其原因是：试样在冻结过程中储藏了一定的冷量，在融化过程中，土柱中的部分冷量和上面传来的热量相抵消，剩余部分继续向下传播，使下部土中各点的温度继续降低。
c. 没有经过恒温过程的试样比经过恒温过程的试样温度降低得快。
2.2.2 相同温度模式下，不同初始含水量试样中心线各点温度变化规律
在相同温度模式(-12 ℃)下，试样11(29.20%)的中心线各点温度随时间的变化关系如图3所示。
s/cm: 1—2; 2—6; 3—10; 4—14; 5—18; 6—20; 7—22; 8—26
图3 试样11中各点温度随时间变化曲线
Fig.3 Temperature-time curves of the 11th sample
从图3可以看出：在相同温度模式下，含水量越高的试样中，中心各点稳定阶段的温度(土中水的冻结温度)越低；土中水的冻结温度与含水量有关，含水量越大，冻结温度越低；在相同温度模式下，含水量越高，完全冻结历时越长。从开始冻结到完全冻结，试样11、试样13和试样15分别历时约4 200，3 200和2 900 min。
2.2.3 不同温度模式下，相同含水量的试样中心线各点温度变化规律
在含水量相同(18.70%)时，试样17(顶板温度为-16 ℃)中心各点的温度随时间的变化关系如图4所示。
s/cm: 1—2; 2—6; 3—10; 4—14; 5—18; 6—20; 7—22; 8—26
图4 试样17中各点温度随时间变化曲线
Fig.4 Temperature-time curves of the 17th sample
从图4可以看出：相同含水量的试样在不同温度模式下冻结，对应中心线各点土中水的冻结温度不同，顶板温度越低，则该温度越低；对于同一试样，距离试样顶端s越近，土中水的冻结温度变化越明显，反之，则越不明显；含水量相同试样在不同顶板温度下开始冻结到完全冻结历时不同，顶板温度越低，历时越短，试样15历时大约2 800 min，试样17历时大约2 200 min。
2.2.4 试样温度梯度随时间变化规律分析
根据试验测得的各点温度，计算出各个时刻相邻2个测点的温度梯度。图5所示为试样15的温度梯度随时间的变化关系。可见：
a. 试样中的温度梯度在冻结刚开始时变化比较大，距试样顶部距离s越小，变化越大，反之越小。随着时间的增加，温度梯度逐渐趋近1个固定值，该值基本上距试样顶部越近，温度梯度越大，反之越小。当进入融化阶段时，温度梯度变化又增大。
b. 在相同顶板温度下，含水量高的试样其稳定温度梯度比含水量低的试样的稳定温度梯度大。
c. 在含水量相同的试样中，顶板温度低的稳定温度梯度大，反之，稳定温度梯度小。
s/cm: 1—2~6; 2—6~10; 3—10~16; 4—16~18; 5—18~20; 6—20~24; 7—24~26
图5 试样15内温度梯度随时间变化的曲线
Fig.5 Temperature gradient-time curves of the 15th sample
2.3 试样冻融前后含水量的变化
2.3.1 在相同温度模式下，不同初始含水量对试样中水分迁移的影响
为了研究初始含水量对试样中水分迁移的影响，分析第2~4组试验，每组有2个相同的试样：一个用于冻结后测试含水量，另一个用于测试冻结到底然后融化到设定位置的含水量。3组的含水量沿深度方向的分布曲线如图6所示。从图6可以看出：
1—融化到18 cm时的含水量；2—冻结后含水量；3—初始含水量
图6 第4组含水量沿深度方向的分布
Fig.6 Water contents of the 4th group along direction of depth
a. 冻结后试样上部土层的含水量增加，下部减少，并且在顶面土层出现一个较大值，在中部出现一个含水量增加较大的土层。3组试验的含水量变化趋势相同，只是增加的含量不一样。在土层12~15 cm处含水量增大；随初始含水量增大，该土层冻结后含水量增加，初始含水量对冻结过程中出现含水量增大土层的位置影响不明显。含水量在上部土层的变化是有波动的，在下部土层的减小基本上是线性的。
b. 融化到设定位置时，3个试样含水量的分布趋势相同。上面土层的含水量减小，在融冻界面以上几厘米处，含水量很大。融冻界面以下土层呈冻结状态，含水量不发生迁移。
c. 在冻结过程中，试样中上部土层中出现较大的含水量，而在融化过程中会在水分聚集层处出现更大的含水量，即融化过程中水分迁移比冻结过程中水分迁移量大。
d. 冻结后与融化到设定位置处下部未融土层的含水量相差很小，基本上相同，说明2个试样在冻结过程中水分迁移量相同，这也说明试验操作正确，试验仪器精度可靠。
2.3.2 相同初始含水量下，不同温度模式对试样中水分迁移的影响
第5组初始含水量为18.7%，冻结时顶板温度为-16 ℃，融化时顶板温度为16 ℃。图7所示为该组的含水量沿深度方向的分布曲线。
1—融化到18 cm时的含水量；2—冻结后含水量；3—初始含水量
图7 第5组含水量沿深度方向的分布
Fig.7 Water contents of the 5th group along direction of depth
对比图6和图7可以发现，冻结时顶板温度越低，水分迁移量越小。试样在冻结过程中有明显的含水量增大的土层，该土层到试样顶端的距离随顶板温度的降低而增大，该层的最大含水量随顶板温度的降低变化不大。由图6可见，试样在14 cm处，最大含水量为19.05%；而由图7可知，试样在16 cm处，最大含水量为19.04%。融化到设定位置时，水分积聚层的含水量随顶板温度的降低而减小。图6中，试样水分积聚层的含水量为19.41%，图7中试样水分积聚层的含水量为19.18%。
3 结 论
a. 重塑土试样存在裂缝现象和水分积聚现象，并且冻结后存在含冰量不均匀现象，含冰量隔层增加。
b. 在温度模式相同下，含水量越高，试样内中心各点的稳定阶段的温度越低。土中水的冻结温度与含水量有关，含水量越大，冻结温度越低。
c. 冻结后试样上部土层的含水量增加，下部减少，并且在顶面土层出现1个较大值，在中部出现1个含水量增加比较快的土层。
d. 冻结过程使上面土层中的含水量增大，融化过程会在水分聚集层处出现很大的含水量。
参考文献：
[1] 许姗姗, 高 伟. 寒区公路路堑边坡抗冻融稳定性分析[J]. 低温建筑技术, 2006, 110(2): 10-12.
XU Shan-shan, GAO Wei. Anti-freezing and thawing stability analysis about road cutting and slope in cold area[J]. Low Temperature Construction Technology, 2006, 110(2): 10-12.
[2] 武 鹤, 高 伟, 王国峰, 等. 寒区公路土质路堑边坡滑塌原因及其防治[J]. 自然灾害学报, 2006, 15(3): 66-70.
WU He, GAO Wei, WANG Guo-feng, et al. Slump reasons of road cutting and slope and prevention in cold area[J]. Disaster Journal, 2006, 15(3): 66-70.
[3] 陈玉超. 冻融环境下岩土边坡稳定性研究初探[D]. 西安: 西安科技大学土木工程学院, 2006: 3-20.
CHEN Yu-chao. Research study on stability of geotechnical and slope under freezing and thawing[D]. Xi’an: School of Civil Engineering, Xi’an Science and Technology University, 2006: 3-20.
[4] 吴玮江. 季节性冻融作用与斜坡整体变形破坏[J]. 中国地质灾害与防治学报, 1996, 7(4): 59-64.
WU Wei-jiang. Seasonal freezing and thawing & slope deformation[J]. China Geological Disasters and Prevention Journal, 1996, 7(4): 59-64.
[5] Konrad J M, Morgenstern N R. The segregation potential of a freezing soil[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1981, 18(4) 482-491.
[6] 郑秀清, 樊贵盛, 邢述彦. 水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动[M]. 北京: 地质出版社, 2002: 3-25.
ZHENG Xiu-qing, FAN Gui-sheng, XING Shu-yan. Water movement in the soil of seasonal unsaturated freezing and thawing[M]. Beijing: Geological Press, 2002: 3-25.
[7] 陈肖柏, 王雅卿, 刘建坤, 等. 土的冻结作用与地基[M]. 北京: 科学出版社, 2006: 3-60.
CHEN Xiao-bai, WANG Ya-qing, LIU Jian-kun, et al. Soil frozen and base[M]. Beijing: Science Press, 2006: 3-60.
[8] 徐学祖, 邓友生. 冻土中水分迁移的试验研究[M]. 北京: 科学出版社, 1991: 2-40.
XU Xue-zu, DENG You-sheng. Experimental research on water migration in frozen soil[M]. Beijing: Science Press, 1991: 2-40
[9] 于琳琳. 不同人工冻结条件下土的冻胀试验研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学土木工程学院, 2006: 9-10.
YU Lin-lin. Experimental study on soil freeze and expansion under artificial freezing[D]. Harbin: School of Civil Engineering, Harbin Industry and Technology University, 2006: 9-10.
[10] Li N, Chen B, Chen F X, et al. The coupled heat-moisture-mechanic model of the frozen soil[J]. Cold Regions Science and Technology, 2000, 31(3): 199-205.
[11] Dinulescu H A, Ecker E R G. Analysis of the one-dimensional moisture migration caused by temperature gradients in a porous medium[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1980, 23(8): 1069-1078.
[12] Prat M. Analysis of experiments of moisture migration caused by temperature differences in unsaturated porous medium by means of two-dimensional numerical simulation[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1986, 29(7): 1033-1039.
[13] Philip J R, De Veries D A. Moisture movement in porous material under temperature gradient[J]. Trans Am Geophys Union, 1957, 38(2): 222-232.
[14] 谷宪明, 王海波, 梁士忠, 等. 季冻区路基水分迁移数值模拟分析[J]. 公路交通科技, 2007(9): 51-55.
GU Xian-ming, WANG Hai-bo, LIANG Shi-zhong, et al. Numerical simulation analysis on road base water migration in cold area[J]. Road Communication Technology, 2007(9): 51-55.
[15] 徐学祖, 王家澄, 张立新. 冻土物理学[M]. 北京: 科学出版社, 2001: 5-30.
XU Xue-zu, WANG Jia-cheng, ZHANG Li-xin. Frozen soil physics[M]. Beijing: Science Press, 2001: 5-30.
收稿日期：2009-01-16；修回日期：2009-02-18
基金项目：黑龙江省科技计划攻关项目(GC07A604)
通信作者：赵 刚(1970-)，男，黑龙江哈尔滨人，高级工程师，从事土木工程研究；电话：13936132381；E-mail: zhaogang_2004@163.com
