陳新瑞，宋 玲，孫 雯，陳 鵬，劉沛凱，惠 強(qiáng)，李鑫鑫，吳 浩

(1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)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)

1 研究背景

我國有占全國總面積53.5%的季節(jié)凍土區(qū)，由于水利工程附近地基土含水率普遍偏高，所以在季節(jié)凍土區(qū)處于淺埋地下水地區(qū)的水工構(gòu)筑物更易發(fā)生凍害破壞[1-3]。在我國，位于淺埋地下水地區(qū)的水工構(gòu)筑物分布廣泛，如塔里木灌區(qū)等，當(dāng)?shù)叵滤裆钶^淺時(shí)，地下水可為地基土的凍脹補(bǔ)給所需水分，從而加強(qiáng)地基土的凍融作用，加劇對構(gòu)筑物的破壞[4]。隨著“中巴經(jīng)濟(jì)走廊”、“全面振興東北地區(qū)”和“一帶一路”等戰(zhàn)略的逐步深入，我國在多年凍土區(qū)和季節(jié)凍土區(qū)進(jìn)行了一系列重大工程的建設(shè)，開放系統(tǒng)下土體凍害問題將逐漸顯現(xiàn)，對我國的土木、交通、水利設(shè)施的凍害防護(hù)研究提出了新的要求[2]。

國內(nèi)外學(xué)者針對凍害破壞作用進(jìn)行了大量研究，其中對于凍脹問題的研究較為深入，對融沉問題的研究從20世紀(jì)50-60年代開始，雖具有較長的歷史，但發(fā)展仍然落后于凍脹理論[5-6]。因眾多研究人員通過凍融試驗(yàn)研究，得出含水率是影響地基土凍脹的最大因素，因此對開放系統(tǒng)下的凍融循環(huán)進(jìn)行研究，更具有現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值[7-10]。近年來，國內(nèi)外研究人員對開放系統(tǒng)條件下的凍融循環(huán)作用進(jìn)行了理論、室內(nèi)模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和野外觀測等試驗(yàn)研究[11-15]。

1.1 單向凍結(jié)研究現(xiàn)狀

Beskow[16]于1948年通過試驗(yàn)確定了在開放系統(tǒng)下毛細(xì)上升高度(capillary rise height)與土粒大小及地下水位的關(guān)系，地下水位愈低，凍脹速率愈小。Kinosita[10]于1979年證明初始地下水位越高，總凍脹量越大。Thomas等[14]于1995年通過有限元方法得出在開放系統(tǒng)下，土體產(chǎn)生的體積增量是遷移水體積的1.09倍。Bronfenbrener[13]于2009年將封閉與開放系統(tǒng)下土體凍結(jié)進(jìn)行對比得出，當(dāng)其他條件一樣時(shí)，后者土體凍脹效果比前者大。彭麗云等[17]于2009年對小圓柱試樣模型進(jìn)行開放系統(tǒng)下單向凍脹試驗(yàn)；Sheng等[8]于2014年和黃繼輝等[18]于2015年通過理論分析得出不同地下水水位對凍脹率的影響均大，并總結(jié)出了計(jì)算凍脹量的經(jīng)驗(yàn)公式[12]。胡坤等[19]于2011年對直徑10 cm的圓柱體黏土土柱進(jìn)行了開放條件下一維凍脹試驗(yàn)，得出地下水補(bǔ)給下的土體凍脹以外界水分補(bǔ)給形成的分凝凍脹為主導(dǎo)形式。盛岱超等[11]于2014年利用其所建立的凍脹數(shù)學(xué)模型對不同土的凍脹敏感性進(jìn)行分析，得出隨地下水位的上升，總凍脹量增大，但冰凍深度減小。王永濤等[2,20]于2016年對直徑10 cm的圓柱體黏土土柱進(jìn)行了開放條件不同溫度梯度的單向凍結(jié)試驗(yàn)，揭示了土樣在單向凍結(jié)過程中冷生構(gòu)造和含水率等動(dòng)態(tài)發(fā)展過程，得出在凍結(jié)完成后含水率在已凍區(qū)內(nèi)有所增加、未凍區(qū)內(nèi)有所減小。馬宏巖等[21]于2016年對直徑100 mm的圓柱體黏土土柱試件進(jìn)行了開放條件下的室內(nèi)單向凍結(jié)研究，得出水分補(bǔ)給越充分，土樣凍脹量越大。因此，地下水的補(bǔ)給程度是決定土體凍脹作用的重要影響因素。

1.2 融沉研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)50年代起，我國對開放系統(tǒng)下的融沉研究就已開始，一大批研究人員在崔托維奇融化沉降公式的基礎(chǔ)上開始研究土體的融化固結(jié)性質(zhì)[22]。周幼吾、程國棟和朱元林等學(xué)者等對融化固結(jié)理論和模型進(jìn)行了大量研究，并取得了一定成果[23]。童長江、程恩遠(yuǎn)及陳肖柏等通過室內(nèi)外試驗(yàn)研究，得出凍土的融沉與含水率密切相關(guān)[24]。張晨等[25]和陳湘生等[26]于1999年利用自制凍脹離心模擬裝置，完成了離心試驗(yàn)研究可靠性的探討。

綜上所述，目前針對開放系統(tǒng)下的黏土凍融全過程的研究較少，并且利用大尺寸模型進(jìn)行開放系統(tǒng)條件下單向凍融過程研究也較少。在試驗(yàn)研究方面，對于外界水補(bǔ)給的單向凍結(jié)試驗(yàn)，以往多采用室內(nèi)開放系統(tǒng)下的模型試驗(yàn)。基于此，本文以新疆某流域水電站引水渠附近黏土(含砂低液限黏土CLS)為研究對象，對大尺寸土樣模型進(jìn)行開放系統(tǒng)條件下的室內(nèi)單向凍融試驗(yàn)，研究其在不同地下水位下的凍結(jié)過程及相關(guān)凍結(jié)特性的變化，為淺埋地下水位下的工業(yè)與民用地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、公路橋涵地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、渠道工程抗凍脹設(shè)計(jì)和凍融循環(huán)機(jī)理等提供理論基礎(chǔ)與借鑒。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

2.1 凍融試驗(yàn)系統(tǒng)裝置

通過借鑒陳湘生等[26]、黃英豪等[27]學(xué)者研制的大尺寸土體凍融試驗(yàn)裝置，依據(jù)相似原理，設(shè)計(jì)了可在封閉和開放條件下進(jìn)行土體單向凍融試驗(yàn)的系統(tǒng)裝置，利用此裝置進(jìn)行凍融試驗(yàn)。

本凍融試驗(yàn)系統(tǒng)包括：試驗(yàn)箱體、制冷/熱系統(tǒng)、地下水補(bǔ)給系統(tǒng)、保溫隔熱系統(tǒng)、邊界溫度控制系統(tǒng)、量測系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等7部分，土體單向凍融試驗(yàn)系統(tǒng)裝置如圖1所示。

2.1.1 試驗(yàn)箱體 試驗(yàn)裝置的箱體結(jié)構(gòu)尺寸為100 cm×50 cm×150 cm(長×寬×高)。在豎直方向上將箱體內(nèi)部空間劃分為4層功能區(qū)(如圖1(b)所示)：第Ⅰ層為自箱底面起0～20 cm的地下水潛水模擬層；第Ⅱ?qū)?20～30 cm為由砂礫石、透水棉和鋼性濾網(wǎng)構(gòu)成的透水邊界層，起反濾層作用；第Ⅲ層30～110 cm為試驗(yàn)土樣層；第Ⅳ層110～150 cm為冷/熱氣體循環(huán)流動(dòng)層。保溫隔熱系統(tǒng)由箱體內(nèi)側(cè)5 cm厚和外側(cè)10 cm厚的V0級(jí)橡塑保溫板構(gòu)成，以提供良好的保溫與隔熱性能，保證制冷/熱效果。凍融試驗(yàn)前，將該裝置進(jìn)行密封，并利用溫度傳感器對其保溫性能進(jìn)行了測定，測定結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，箱體內(nèi)、外溫度變化規(guī)律相似，箱外平均溫差的最大值為4.02℃，而箱內(nèi)平均溫差的最大值為1.36℃，箱體內(nèi)部溫度變化不大，說明該裝置內(nèi)部具有較好的保溫性能，其受外界溫度影響的情況較小，不會(huì)對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

2.1.2 制冷/熱系統(tǒng) 制冷/熱系統(tǒng)采用半導(dǎo)體(Peltier)制冷/熱技術(shù)，由40塊單塊功率為72 W的半導(dǎo)體模塊組成冷/熱交換面板，冷/熱端面的輸出溫度分別可達(dá)-35℃和30℃，輸出功率為2 880 W。冷/熱交換面板位于該凍融試驗(yàn)裝置箱體的正上方，與試驗(yàn)土體表面平行，熱傳遞方向與箱體側(cè)面平行，可向下方土體不斷輸送冷/熱空氣，傳遞冷/熱能，使土體從表層開始受熱后再不斷地向土體內(nèi)部產(chǎn)生降溫或升溫效果，可模擬大氣溫度變化對地表的作用方式，實(shí)現(xiàn)單向凍融目的。

2.1.3 地下水補(bǔ)給系統(tǒng) 地下水補(bǔ)給系統(tǒng)基于虹吸原理，由平衡瓶、接滲瓶和改進(jìn)型馬里奧特瓶(Mariotte bottle)組成。本試驗(yàn)用于模擬的地下水和拌制土樣的水均為蒸餾水，以保證試驗(yàn)土體的原始凍脹性。

2.1.4 量測系統(tǒng)的構(gòu)成 量測系統(tǒng)包括傳感器及其配套的數(shù)據(jù)采集設(shè)備；傳感器有熱敏電阻式溫度傳感器、FD水分溫度監(jiān)測儀和凍融量測量裝置等。

(1)溫度量測：采用DLOG的DL50-E8T溫度記錄儀進(jìn)行溫度的測量和采集，其測溫范圍在-50～110℃，測溫精度為±0.3～±0.5℃。

(2)含水率量測：基于FD原理的Insentek ET-100土壤水分溫度監(jiān)測儀，溫度測量范圍在-20～60℃，測量精度為±0.5℃；土壤水分(體積含水率)測量范圍在干土～水分飽和土，測量精度為±2.5%。

(3)凍融量量測：采用電子百分表，量程-50～50 mm，精度為±0.02 mm。

2.1.5 量測系統(tǒng)的布置 量測系統(tǒng)的測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 量測系統(tǒng)測點(diǎn)布置正視圖(單位：mm)

建立以土體底面為XOY平面，且底面的形心為坐標(biāo)原點(diǎn)，豎直向上為Z軸的笛卡爾坐標(biāo)系，將距土體底部的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、G、H、I平面。在XOY平面方向，溫度傳感器布置在圖中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)測點(diǎn)處；凍脹/融沉量測量裝置布置在1、2、3、4測點(diǎn)處；水分傳感器布置在5測點(diǎn)處。在縱向上，溫度和水分傳感器分別位于A、B、C、D、E、F、G、H、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(diǎn)共81個(gè)、含水率測點(diǎn)共8個(gè)，凍脹/融沉量測點(diǎn)共4個(gè)。

2.2 試驗(yàn)土樣

2.2.1 土樣的基本物理指標(biāo) 本試驗(yàn)選取新疆某流域水電站引水渠附近凍脹性敏感的粉質(zhì)黏土作為試驗(yàn)用土，通過水篩法等常規(guī)土工試驗(yàn)測得該土質(zhì)基本物理指標(biāo)，見表1。

表1 試驗(yàn)黏土土樣的基本物理性質(zhì)

根據(jù)我國《土工試驗(yàn)規(guī)程(SL237-1999)》等相關(guān)規(guī)范對土的分類，將該重塑土樣定名為含砂低液限粘土(CLS)，屬凍脹敏感性土。

2.2.2 土樣制備及裝樣 試驗(yàn)土體全部采用重塑土樣，試驗(yàn)前將土樣經(jīng)風(fēng)干、碾散、過篩、勻土和分樣等處理，按設(shè)計(jì)質(zhì)量含水率17%加水備樣，充分拌勻并悶料一晝夜制備試樣。將制備好的土樣按分層擊實(shí)法進(jìn)行裝樣，每次裝入箱體土層厚度為10 cm，裝樣后土體總高度80 cm，箱內(nèi)土體干密度為1.61 g/cm3，質(zhì)量含水率為16.67%～16.93%，可能由于人工擊實(shí)和拌土的不均勻性，致使含水率分布略微不均勻，但對試驗(yàn)影響不大。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

為研究試驗(yàn)黏土土樣在不同地下水水位補(bǔ)給的情況下單向凍融的過程與特性，探討土樣溫度、含水率、凍脹量、融沉量等物理量的變化規(guī)律，試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別在地下水埋深為80 cm(代表深埋地下水)和40 cm(代表淺埋地下水)，將冷/熱交換面板端凍結(jié)，融沉溫度設(shè)為-15℃和+15℃且保持恒定，進(jìn)行單向凍融試驗(yàn)。試驗(yàn)全過程包括：土樣物理性質(zhì)測定、土樣制備、裝樣、水分自然重分布、凍結(jié)前進(jìn)行地下水補(bǔ)給土體和開放條件下土體凍融。

表2 試驗(yàn)黏土土樣室內(nèi)凍融試驗(yàn)條件

3 凍結(jié)結(jié)果與分析

為便于描述，現(xiàn)規(guī)定地下水位埋深為80和40 cm的單向凍融試驗(yàn)簡述為埋深80 cm和埋深40 cm。

3.1 溫度變化過程

圖4為地下水位埋深為80和40 cm下，土樣在單向凍結(jié)過程中溫度隨時(shí)間的變化。由圖4可知，土體上部的冷/熱氣體循環(huán)流動(dòng)層(即箱體第Ⅳ層)的溫度均在30 h后達(dá)到設(shè)定的-15℃左右，并保持穩(wěn)定；地表(Z=80 cm)溫度在24 h左右穩(wěn)定在-10℃左右。地下水位埋深80 cm其土層Z=75 cm、Z=65 cm和Z=55 cm 到達(dá)0℃的時(shí)間分別為4、35和80.5 h，凍結(jié)持續(xù)的總時(shí)長為384 h；地下水位埋深40 cm其土層Z=75 cm、Z=65 cm和Z=55 cm 到達(dá)0℃的時(shí)間分別為6.8、76和165 h，凍結(jié)持續(xù)的總時(shí)長為410 h；埋深80 cm和埋深40 cm凍結(jié)深度均為25 cm。則說明埋深40 cm的降溫速率小于埋深80 cm。究其原因是土體凍前初始含水率的不同，直接影響土體的熱交換效率，而埋深40 cm的含水量明顯高于埋深80 cm。

由圖4中可知，在80～45 cm土層，埋深80 cm和埋深40 cm的溫度梯度隨著深度的增加而變小；在45～0 cm土層，埋深80 cm和埋深40 cm的溫度梯度均較穩(wěn)定，但埋深40 cm的溫度梯度明顯較小且更加穩(wěn)定。與埋深為80 cm的相比，埋深40 cm由于地下水埋深淺，所以40～0 cm內(nèi)土壤接近飽和，80～40 cm土壤含水率較埋深80 cm的高。究其原因，一方面是由于土層中原有的溫度熱阻對負(fù)溫作用效果的互抵；另一方面是埋深40 cm地下水埋深越淺，則土體的初始含水率越高，水分越多則水相變轉(zhuǎn)換過程中放熱作用越強(qiáng)，并與負(fù)溫作用進(jìn)行了互抵，從而影響溫度的變化速率與溫度梯度的大小。

圖5為地下水位埋深80 cm和40 cm，土樣在凍結(jié)過程中不同土層溫度為0℃時(shí)的三維溫度場圖。由圖5可知，地下水位埋深80 cm的75、65和55 cm土層的平均溫度分別在4、35和80.5 h時(shí)刻到達(dá)0℃，地下水位埋深40 cm的75、65和55 cm土層的平均溫度分別在6.8、76和165 h時(shí)刻達(dá)到0℃。土樣75、65和55 cm各土層在不同時(shí)刻的溫度等值線其疏密度、間距大小和彎曲程度等均有不同的變化，但同一深度土層平面內(nèi)各測點(diǎn)溫差平均值均在0.6℃以內(nèi)。并由圖4和5可知，對于埋深80 cm，其不同深度土層平面內(nèi)的測點(diǎn)溫度分布規(guī)律相同，其各測點(diǎn)溫度值的變化趨勢從高至低為測點(diǎn)2、6、1、8、7、9、4、5、3；對于埋深40 cm，其不同深度土層平面內(nèi)的測點(diǎn)溫度分布規(guī)律相同，其各測點(diǎn)溫度值的變化趨勢從高至低為測點(diǎn)8、4、7、1、5、9、3、6、2。由以上分析可得出，在單向凍結(jié)過程中不同深度土層平面內(nèi)的溫度分布不均，但相同深度土層平面內(nèi)的溫度差相差不大。造成此現(xiàn)象的原因，一是由于土體本身為各向異性的彈塑性體；二是由于人工拌土與擊實(shí)所造成的二次差異性，致使土體內(nèi)部儲(chǔ)水通道分布的各向異性，使得相同土層含水率分布不均，影響溫度的傳導(dǎo)。

圖4 兩種地下水位埋深凍結(jié)過程中箱體不同高度處溫度隨時(shí)間的變化

圖5 兩種地下水埋深凍結(jié)過程中不同土層的溫度場

3.2 凍結(jié)過程含水率變化

圖6為地下水埋深80和40 cm，單向凍結(jié)過程中土樣含水率的變化。為了真實(shí)地模擬自然條件，在裝樣完成后，讓土體中的水分在重力和基質(zhì)吸力的共同作用下進(jìn)行了78 h的水分遷移(重分布)；之后，在凍結(jié)前利用補(bǔ)給系統(tǒng)模擬地下水對土體的補(bǔ)給，分別對埋深80和40 cm的土樣進(jìn)行了96和83 h的恒壓補(bǔ)水。其補(bǔ)給結(jié)果如圖6(a)和6(b)中凍結(jié)前含水率變化曲線所示。

由圖6可知，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)的含水量均大于凍前初始含水量，未凍區(qū)的含水量均小于凍前初始含水量；但在緩慢變化階段，已凍區(qū)和未凍區(qū)的含水量均大于凍前初始含水量。埋深80和40 cm其凍結(jié)鋒面穩(wěn)定的時(shí)間分別為80.5和165 h，由于在淺埋地下水下，土體得到充分的水分補(bǔ)給，其含水率高于深埋地下水土體；含水量越大，其擁有的總體內(nèi)能越高，對水相變成冰的阻礙作用越大，因而對凍結(jié)鋒面的遷移阻礙越強(qiáng)，凍結(jié)鋒面的移動(dòng)速率越慢，可為水分遷移提供更多的有效時(shí)間和空間，所以最終含水量越多。

如圖6所示，地下水埋深為80和40 cm時(shí)，凍結(jié)完成后含水率變化最大的點(diǎn)均位于Z=55 cm(F層)處，也為凍結(jié)鋒面穩(wěn)定后到達(dá)的最深處(即為凍深最大處)，水分在此處大量聚集成冰晶體形成凍結(jié)緣區(qū)(最暖端厚層冰透鏡體構(gòu)造帶)。

比較圖6(a)和6(b)可知，凍結(jié)完成后，淺埋地下水(埋深40 cm)的已凍區(qū)和未凍區(qū)的含水率均比埋深80 cm高，且淺埋地下水的未凍區(qū)含水率變化不大；埋深40和80 cm含水率最大增長分別為2.26%和1.57%，淺埋地下水增長明顯大于深埋地下水增長，由于埋深40 cm的未凍區(qū)大部分位于地下水水位以下，土體補(bǔ)給路徑縮短，可被充分補(bǔ)給。

3.3 凍結(jié)鋒面變化過程

如圖7所示，分別表示埋深80和40 cm的凍結(jié)鋒面位置隨凍結(jié)時(shí)間的遷移過程?？梢妰鼋Y(jié)鋒面的遷移可分為兩個(gè)階段，第1階段為凍結(jié)鋒面的快速遷移階段；第2階段為凍結(jié)鋒面穩(wěn)定不變階段。由圖7可知凍結(jié)鋒面遷移的兩個(gè)階段變化與溫度變化保持一致；埋深80和40 cm的第1階段分別為0～80.5 h和0～165 h；第2階段分別為80.5～384 h和165～410 h。

對比圖7(a)和7(b)可知，埋深80 cm的第1階段凍結(jié)鋒面曲線斜率大于埋深40 cm第1階段曲線斜率，且埋深80 cm的第1階段持續(xù)時(shí)間較短，所以埋深80 cm的凍結(jié)鋒面遷移速率比埋深40 cm快；埋深40 cm的第2階段持續(xù)時(shí)間也比埋深80 cm持續(xù)時(shí)間長。其原因?yàn)闇\埋地下水初始含水率較高，對水相變的抑制作用較大，從而使得冰透鏡體形成較緩，凍結(jié)鋒面的遷移速率較小；且當(dāng)凍結(jié)鋒面穩(wěn)定后，淺埋地下水為其凍結(jié)緣區(qū)進(jìn)行水分補(bǔ)給的通道比深埋地下水的短，所以淺埋地下水對凍結(jié)緣區(qū)的補(bǔ)給更加充足，至凍脹達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

3.4 凍脹量變化過程

圖8(a)、8(b)分別表示地下水埋深為80和40 cm下，土樣單向凍結(jié)過程中土樣凍脹總量的4個(gè)測點(diǎn)值隨時(shí)間變化的發(fā)展規(guī)律。根據(jù)圖中凍脹總量變化的曲線形態(tài)，不同埋深地下水(80和40 cm)的土樣在單向凍結(jié)過程中，其凍脹總量的變化曲線可劃分為兩個(gè)階段，第1階段為凍脹總量緩慢增長期，第2階段為凍脹總量擬線性增長期。第1階段：如圖8(a)、8(b)所示，埋深80 cm為0～35 h階段，埋深40 cm為0～48 h階段；此階段凍脹總量曲線斜率很小，說明凍脹速率小，凍脹量的發(fā)展較慢。第2階段：如圖8(a)、8(b)所示，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，其斜率明顯大于第1階段，凍脹速率較大，凍脹量的發(fā)展較快。

通過圖8(a)、8(b)兩圖對比可知，埋深80和40 cm的第1階段和第2階段凍脹總量曲線斜率平均值分別為0.0122與0.0139和0.0466與0.0466；埋深80 cm的第1階段持續(xù)時(shí)間比埋深40 cm的短，第2階段持續(xù)時(shí)間也比埋深40 cm的短?？傻贸觯瑴\埋深地下水具有延緩凍脹的作用；且有助于凍脹的持續(xù)發(fā)展。

由圖8可知，對于凍脹量的4個(gè)測點(diǎn)1、2、3和4，埋深80 cm的凍脹總量終值分別為15.24、16.47、13.44和13.8 mm，埋深40 cm的凍脹總量終值分別為16.52、14.84、15.34和17.79 mm。將凍脹總量的變化(圖8)與凍結(jié)過程中溫度(圖4)、含水率(圖6)和凍結(jié)鋒面(圖7)的變化情況進(jìn)行聯(lián)合分析，可知凍脹總量測點(diǎn)值從大至小的順序與其溫度值從大至小的順序保持一致，即埋深80 cm均為2>1>4>3，埋深40 cm均為4>1>3>2；且凍脹量變化的第1階段和第2階段與凍結(jié)鋒面和含水率變化的階段保持一致，含水率越大，則形成的孔隙冰體積越大，所以在溫度和含水率的共同影響作用下，形成本試驗(yàn)中凍脹總量的增長規(guī)律和土樣不同測點(diǎn)的不均勻凍脹。

4 融沉結(jié)果與分析

4.1 溫度變化過程

圖9為地下水位埋深為80和40 cm下，土樣在凍結(jié)完成后進(jìn)行融沉?xí)r溫度隨時(shí)間的變化過程。由圖9可知，地下水位埋深分別為80和40 cm時(shí)，融沉前期，55～80 cm土層溫度上升迅速，溫度變化速率大，且溫度梯度較大，55～0 cm土層溫度上升緩慢，溫度變化速率很小，且溫度梯度較??；融沉后期，各土層溫度最終穩(wěn)定，直到融沉不再發(fā)展。埋深80 cm時(shí)，土層Z=75 cm、Z=65 cm和Z=55 cm處到達(dá)0℃的時(shí)間分別為12、21和36 h，融沉持續(xù)的總時(shí)間為96 h；埋深40 cm時(shí)，土層Z=75 cm、Z=65 cm和Z=55 cm 到達(dá)0℃的時(shí)間分別為15、26和44 h，融沉持續(xù)的總時(shí)間為112 h。說明埋深40 cm的升溫速率低于埋深80cm。究其原因是因?yàn)闇囟葘θ诔恋挠绊懼饕憩F(xiàn)在土體中水分的含量，而埋深40 cm的含水量和含冰量明顯多于埋深80 cm。

由圖9還可看出，在80～45 cm土層，埋深80和40 cm的溫度梯度隨著時(shí)間的變化很大；在45～0 cm土層，埋深80和40 cm的溫度梯度均較穩(wěn)定，但埋深40 cm的溫度梯度明顯較小且更加穩(wěn)定。

圖6 兩種地下水埋深土樣單向凍結(jié)過程中不同凍結(jié)時(shí)間含水率的變化

圖7 兩種地下水位埋深凍結(jié)鋒面位置隨凍結(jié)時(shí)間的遷移過程

圖8 兩種地下水位埋深土樣單向凍結(jié)過程中各測點(diǎn)土樣凍脹量隨時(shí)間的變化

圖9 兩種地下水位埋深融沉過程中溫度隨時(shí)間的變化

圖10為地下水位埋深80和40 cm，土樣在融沉過程中不同土層的三維溫度場圖。由圖10可知，埋深80 cm的75、65和55 cm土層的平均溫度分別在12、22和36 h地下水位埋深時(shí)到達(dá)0℃，埋深40 cm的75、65和55 cm土層的平均溫度分別在15、26和44 h達(dá)到0℃,土樣75、65和55 cm各土層在不同時(shí)刻的溫度等值線疏密度、間距大小和彎曲程度等均變化不同，但同一深度土層平面內(nèi)各測點(diǎn)溫差平均值均在0.5℃以內(nèi)。并由圖9與10可知，對于埋深80 cm，其不同深度土層平面內(nèi)的測點(diǎn)溫度分布規(guī)律相同，各測點(diǎn)溫度值的變化趨勢從高至低分別為測點(diǎn)8、3、4、6、7、1、9、2、5；對于埋深40cm，其不同深度土層平面內(nèi)的測點(diǎn)溫度分布規(guī)律也相同，各測點(diǎn)溫度值的變化趨勢從高至低分別為測點(diǎn)7、2、8、3、6、1、9、5、4。由上可得出，在融沉過程中不同深度土層平面內(nèi)的溫度分布不均，但相同深度土層平面內(nèi)的溫度差相差不大，與單向凍結(jié)過程中溫度變化規(guī)律相似。造成此現(xiàn)象的原因有3點(diǎn)：(1)土體本身為各向異性的彈塑性體；(2)人工拌土與擊實(shí)所造成的二次差異性，致使含水率分布略微不均勻；(3)已凍區(qū)中的冰晶體等改變了土體原始的均一性，導(dǎo)致土層各點(diǎn)導(dǎo)熱系數(shù)差別較大。

圖10 兩種地下水位埋深融沉過程中不同土層的溫度場

對比圖4與9可知，溫度在凍結(jié)和融沉過程中的變化速率不同，所歷經(jīng)時(shí)長也不同，融沉總時(shí)長大約占凍結(jié)總時(shí)長的1/4；在凍結(jié)和融沉過程中均表現(xiàn)出距離制冷/熱板越近的土層溫度變化速率越大且溫度梯度越大；地下水埋深越淺，凍結(jié)和融沉的時(shí)長均越長，即地下水水位對凍結(jié)和融沉作用有延緩作用。

4.2 含水率變化過程

圖11為地下水位埋深80和40 cm時(shí)，土樣進(jìn)行融沉過程中含水率的變化。由圖11可知，土體在融沉過程中，已凍區(qū)內(nèi)分凝冰等已凍水隨著熱流自地表向凍結(jié)緣區(qū)傳遞而自上而下融化，因此，含水率自地表至凍結(jié)緣區(qū)隨融沉的不斷進(jìn)行而變化，即土層H、G、F的含水率依次增長。

圖11 兩種地下水位埋深融沉過程中含水率變化

在土體融沉過程中，冰晶體融化后的融化水和地下水在重力、毛細(xì)力等作用下，毛細(xì)水和薄膜水等進(jìn)行了向上和向下的水分運(yùn)移。地下水埋深80 cm，80～55 cm的土體含水率先迅速增長之后向下進(jìn)行了少量遷移，55～0 cm的土體含水率隨著融沉的發(fā)展而緩慢增加；地下水埋深40 cm，80～45 cm的土體含水率先迅速增加之后減少，45～0 cm的土體由于位于地下水水位以下，所以其含水率保持不變。如圖11所示，地下水埋深為80和40 cm時(shí)，融沉完成后含水率變化量最大的點(diǎn)均位于55 cm(F層)，即凍結(jié)緣區(qū)的含水量變化最大。由此可知，已凍區(qū)的已凍水融化成為的未凍水在此處聚集。這是由于，由第3.4小節(jié)可知，80～55 cm土體為已凍區(qū)且土體孔隙內(nèi)部已有大量冰透鏡體形成冷生構(gòu)造，并在55cm處形成了厚層冰透鏡體構(gòu)造帶(凍結(jié)緣構(gòu)造帶為整體構(gòu)造帶)，而此構(gòu)造帶為天然的阻隔帶，切斷了大部分水分的遷移通道。

對比圖11(a)和11(b)可知，融沉完成后，地下水埋深40 cm的各層土體的含水率均大于埋深80 cm，且其未凍區(qū)的含水率變化不大；埋深40和80 cm的含水率最大增長分別為2.28%和1.92%，淺埋地下水的增長明顯大于深埋地下水的增長。

4.3 融沉量變化過程

圖12為地下水埋深80和40 cm下，土體經(jīng)歷單向凍結(jié)后，進(jìn)行自然融解過程中融沉總量的4個(gè)測點(diǎn)值隨時(shí)間的變化過程。根據(jù)圖中融沉總量變化的曲線形態(tài)，不同埋深地下水(80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(gè)階段，第1階段為融沉預(yù)備期，融沉總量為0，第2階段為融沉總量擬線性增長期，融沉速率較大；第3階段為融沉總量緩慢增長期，融沉量主要集中在第2階段。

圖12 兩種地下水位埋深土樣自然融解過程中各測點(diǎn)土樣融沉量隨時(shí)間的變化

通過圖12(a)、12(b)兩圖對比可知，埋深80和40 cm的第1階段和第2階段融沉總量曲線斜率平均值分別為0.0122與0.0139和0.0466與0.0466；埋深40 cm的第3階段持續(xù)時(shí)間比埋深80 cm的長，埋深40 cm和埋深80 cm的第1階段和第2階段持續(xù)時(shí)間接近。則說明，淺埋地下水對凍結(jié)土體的融沉作用具有延緩作用；且有助于融沉的持續(xù)發(fā)展，這是因?yàn)榈叵滤裆钤綔\，土體的飽和度越大，則土顆粒間孔隙被水充填的越充分，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重組所受抑制越大，土體不易進(jìn)行沉降。

由圖12可知，對于融沉量的4個(gè)測點(diǎn)1、2、3和4，埋深80 cm的融沉總量終值分別為9.16、7.81、11.42和10.07 mm，埋深40 cm的融沉總量終值分別為10.25、11.56、8.89和12.83 mm。將融沉總量的變化(圖12)與融沉過程中溫度(圖9)、含水率(圖11)和凍脹總量(圖8)的變化情況進(jìn)行聯(lián)合分析，可知融沉總量測點(diǎn)值從大至小的順序與其溫度值和凍脹總量從大至小的順序保持一致，即埋深80 cm均為3>4>1>2，埋深40 cm均為2>3>1>4。由于土體凍結(jié)完成后，測點(diǎn)1、2、3和4的凍脹量值不同，即土體內(nèi)冰透鏡體分布不均，所以對熱流傳遞的阻礙作用不同，致使土層溫度分布不均，土層各點(diǎn)的融沉量、融沉速率和融沉穩(wěn)定時(shí)間均略有差異。

由圖8和圖12對比可知，地下水埋深80和40 cm的凍脹量均大于融沉量，融沉總時(shí)長占凍脹總時(shí)長約1/4，所以可得出，在有地下水補(bǔ)給的情況下，土體的融沉作用弱于凍結(jié)作用。

5 結(jié) 論

(1)地下水埋深越淺時(shí)，在凍融過程中，土體降溫和升溫速率均越小，溫度梯度也越小且更加穩(wěn)定。各土層平面的溫度均分布不均，但溫差相差不大。

(2)地下水埋深越淺時(shí)，在凍結(jié)過程中，未凍區(qū)水分向凍結(jié)區(qū)遷移量越大，且遷移時(shí)長越大；在融沉后，含水率增長越大。

(3)地下水補(bǔ)給條件下的單向凍結(jié)過程中，凍結(jié)鋒面的遷移可分為快速遷移階段和穩(wěn)定不變階段；地下水埋深越淺其凍結(jié)鋒面遷移速率越慢，且遷移總時(shí)長越長，與其起始凍結(jié)溫度的變化保持一致。

(4)地下水補(bǔ)給條件下的單向凍融過程中，凍脹總量的變化曲線可劃分為兩個(gè)階段，融沉總量的變化曲線可劃分為3個(gè)階段；地下水埋深越淺時(shí)，凍脹總量越大，但相應(yīng)融沉量越小。

(5)無論地下水埋深為何值，在凍融過程中，各土層平面的溫度、含水率與凍融量均分布不均勻，且三者之間相互影響，這是由土體的各向異性、人工拌土與擊實(shí)和凍融對土體的影響造成的。

(6)在有地下水充分補(bǔ)給的情況下，土體凍脹量大于融沉量，且融沉?xí)r長小于凍脹時(shí)長；地下水對凍融的影響主要表現(xiàn)在對土體凍前初始含水率的影響，進(jìn)而影響溫度梯度和凍結(jié)鋒面的變化，進(jìn)一步影響未凍水的遷移、凍脹量和融沉量等發(fā)展，因此，凍融作用為溫度場、水分場和位移場等復(fù)雜的多場耦合作用的結(jié)果。