封閉系統單向凍結淤泥質黏土水分遷移特性研究*

唐益群 趙文強 周 潔

(同濟大學土木工程學院，上海 200092，中國)

0 引 言

凍脹現象是工程建設中不容忽視的一個重要問題。無論是寒冷地區季節性凍土的反復凍脹，或是溫暖地區人工地層凍結法施工引起的地層凍脹，都給地表建構筑物運營及地下空間開發帶來極大的危害(丑亞玲等，2018；胡淵等，2018；楊忠平等，2019；趙建軍等，2019)。尤其當在交通工程中采用凍結法施工時，凍脹會引起隧道軸線變形或機場跑道開裂，輕則造成建構筑物使用壽命減損，重則引發嚴重安全事故(Zhou et al.，2015；Tang et al.，2019)。

為揭示引起凍脹的原因及其影響因素，國內外學者進行了大量的研究工作。早在20世紀20年代，研究人員在封閉系統中進行了一些凍脹試驗，并將凍脹現象簡單地歸因為土中水分在凍結溫度下發生相變引起的體積膨脹。然而這種觀點無法對凍土中規律分布的冰晶體分凝層的出現作出合理的解釋。直到20世紀30年代，Taber(1930)在開放系統凍脹試驗中使用相變后體積縮小的液態苯和硝基苯代替水，仍然觀察到土體凍脹現象，這種錯誤的觀點才得到糾正。研究人員開始認識到在土的凍結過程中除了原位孔隙水的相變之外，還存在著水分遷移過程(Taber，1929，1930；Biermans et al.，1978)。Ferguson et al.(1964)和Hoekstra(1966)均發現在溫度梯度的作用下，土在凍結過程中存在水分從未凍區向凍結區遷移的現象，隨后大量的水分遷移試驗證實了水分遷移是導致土體凍脹的最主要原因(Perfect et al.，1980；Prat，1986；Konrad，1989；Nassar et al.，1997；Xu et al.，1997；Hermansson et al.，2005；高玉佳等，2010；張輝等，2015)，且溫度梯度和凍結速率是開放系統中影響水分遷移通量的關鍵因素。……