凍融循環(huán)作用下含水率對粗顆粒填料水分遷移影響的宏細(xì)觀試驗(yàn)研究

張玉芝， 劉文龍， 王海永，5， 張蓮海， 陳世杰， 朱曉東

（1.石家莊鐵道大學(xué)河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊050043； 2.大型基礎(chǔ)設(shè)施性能與安全省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心（石家莊鐵道大學(xué)），河北石家莊050043； 3.道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（石家莊鐵道大學(xué)），河北石家莊050043； 4.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊050043； 5.中鐵十九局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)院分公司，北京102600；6.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000）

0 引言

我國是凍土大國，季節(jié)凍土占國土面積50%以上，近些年有多條高速鐵路穿越季節(jié)凍土區(qū)。與國外高速鐵路建設(shè)大國日本、德國等相比，我國寒區(qū)環(huán)境和氣候條件嚴(yán)酷，高鐵運(yùn)營速度和平順性要求也更高。因此，中國學(xué)者開展了大量的室內(nèi)外試驗(yàn)研究，提出了一系列的防凍脹技術(shù)［1-2］保障寒區(qū)高鐵的運(yùn)營安全。

季節(jié)凍土區(qū)高鐵路基采用了級配碎石和粗顆粒填料進(jìn)行填筑。在以往工程應(yīng)用和學(xué)者的研究中，認(rèn)為凍脹率≤1%的填料為不凍脹土［3］，因此工程建設(shè)中通過顆粒級配選定填料后，限制細(xì)粒含量和初始含水率來控制路基填料質(zhì)量［4-6］。哈大高鐵是世界上第一條在嚴(yán)寒地區(qū)開通的高鐵，開通運(yùn)營后暴露出的路基凍脹問題，促使研究者逐漸認(rèn)識到粗顆粒填料填筑的高鐵路基變形普遍存在且不可避免［7-10］，以往認(rèn)為的不凍脹填料并不能完全滿足高鐵的平順性和穩(wěn)定性嚴(yán)格要求。為揭示其凍脹變形機(jī)理，學(xué)者們參考“鍋蓋效應(yīng)”的發(fā)生機(jī)制［11］，提出在無砟軌道密閉覆蓋層下，路基填料中可能存在氣態(tài)水遷移到凍結(jié)區(qū)域并凝結(jié)成冰的現(xiàn)象［12-14］，并認(rèn)為動(dòng)荷載可能產(chǎn)生的超孔隙水壓會(huì)導(dǎo)致一定范圍內(nèi)地下水泵吸到路基凍結(jié)區(qū)域［15］。趙國堂等［16］則通過宏細(xì)觀試驗(yàn)研究認(rèn)為粗顆粒填料中細(xì)顆粒的簇團(tuán)效應(yīng)是導(dǎo)致其凍脹超限的原因。在諸多學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，新版規(guī)范［17-18］考慮了顆粒級配、細(xì)粒含量、初始含水率、凍前地下水位距設(shè)計(jì)凍深的最小距離等因素，對路基填料進(jìn)行了更為精細(xì)的劃分。考慮到控制顆粒級配和細(xì)粒含量，選好粗顆粒填料后的初始含水率是除土質(zhì)外最重要的內(nèi)在影響因素［19-20］，張玉芝等［21-23］開展系列試驗(yàn)研究了單向凍結(jié)以及凍融循環(huán)作用和不同凍結(jié)模式下粗顆粒土中水汽遷移的變化特征，通過氣態(tài)水和水汽混合遷移模式的對比組試驗(yàn)說明，在粗顆粒填料凍結(jié)過程中水分遷移主要以氣態(tài)水遷移為主，并且初始含水率對水分遷移量以及水分遷移方式（氣態(tài)水或液態(tài)水遷移為主）存在顯著影響。上述研究主要從控制路基凍脹變形的角度出發(fā)，對粗顆粒填料的土質(zhì)及環(huán)境因素等開展分析。然而，Miao 等［24］依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果推測，春融初期由于白天融化夜晚凍結(jié)的反復(fù)凍融循環(huán)作用，在含有細(xì)粒土和高含水率的粗粒土中形成分凝冰，導(dǎo)致此階段凍脹變形劇烈增長，而后隨著溫度繼續(xù)升高，迅速融化下沉。對于無砟軌道覆蓋的隱蔽性較強(qiáng)的高鐵路基而言，春融期可能在短期內(nèi)引起較明顯的不均勻沉降變形，長此以往，必然影響軌道平順性和穩(wěn)定性。

凍融循環(huán)作用改變土顆粒的排列和聯(lián)結(jié)，進(jìn)而影響其物理和力學(xué)性質(zhì)［25-26］，并且土體構(gòu)造的形成與水分的遷移有著密不可分的聯(lián)系［27］。研究土質(zhì)結(jié)構(gòu)特性的發(fā)展變化，可以從本質(zhì)上揭示土體在不同壓力、溫度等環(huán)境下的行為特征［28］。CT掃描可用來探測凍土孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)變化，已經(jīng)形成了較為成熟的理論體系和應(yīng)用方法。陳世杰等［29-30］總結(jié)了CT掃描在凍土中的應(yīng)用現(xiàn)狀。Wang等［31］通過試樣凍結(jié)過程圖像、試樣水熱變化過程和CT 掃描數(shù)據(jù)的試驗(yàn)分析表明，未凍區(qū)孔隙水遷移至橫向裂隙成冰填充并擴(kuò)展冷生裂隙，造成試樣發(fā)生凍脹。

綜上所述，研究春融期初始階段反復(fù)的短期凍融循環(huán)作用下，粗顆粒填料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)如何變化，以及這種變化又是如何影響到水分遷移的特征對研究春融期路基的變形和力學(xué)性能非常有必要。CT可實(shí)現(xiàn)試樣整體掃描，為揭示凍融循環(huán)反復(fù)作用下，孔隙特征變化對其水分遷移和變形的影響提供了有效的手段。基于此，本文擬開展在短期反復(fù)凍融循環(huán)作用下，不同初始含水率粗顆粒填料試樣的水汽遷移特征的試驗(yàn)研究，并通過CT 掃描探究試驗(yàn)前后填料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征變化，進(jìn)而嘗試揭示宏觀水分遷移特征與細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征變化之間的聯(lián)系，為明晰春融期路基變形機(jī)理提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 土體基本物性

根據(jù)哈齊高速鐵路路基現(xiàn)場設(shè)計(jì)資料，配制本試驗(yàn)用的土樣，如圖1 所示，細(xì)粒含量為5%，為含細(xì)粒土礫，填料的顆粒形狀為角礫，屬于細(xì)角礫石，根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10001—2016）［17］規(guī)定，本試驗(yàn)采用的粗顆粒填料級配良好，屬于A組填料。該填料最優(yōu)含水率為5.8%，最大干密度為2.08 g·cm-3。本文中填料干密度取1.92 g·cm-3，壓實(shí)系數(shù)為0.92。圖1中，d10、d30和d60分別為小于該粒徑的土含量占總土質(zhì)量的10%、30%和60%的粒徑。

圖1 土樣顆粒級配曲線Fig.1 Curve of particle size composition

1.2 試驗(yàn)裝置

1.2.1 土體水分遷移動(dòng)態(tài)追蹤試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用自主研發(fā)的土體水分遷移的動(dòng)態(tài)追蹤試驗(yàn)裝置，裝置由高低溫試驗(yàn)箱、亞克力試樣筒、圖像采集系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、外界水分補(bǔ)給系統(tǒng)、傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，如圖2（a）所示。試樣凍融試驗(yàn)前后采用CT 掃描試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行掃描，CT設(shè)備及試樣定位如圖2（b）、2（c）所示。

圖2 土體水分遷移動(dòng)態(tài)追蹤試驗(yàn)裝置Fig.2 Test apparatus of soil water migration dynamic tracking

采用高低溫試驗(yàn)箱來保證試樣在環(huán)境中的恒定溫濕度，試樣筒直徑選為10 cm、壁厚2.5 cm，高度12 cm。在試樣筒的筒側(cè)縱向等間距設(shè)置溫度傳感器插槽，共計(jì)10 個(gè)溫度傳感器插槽，每個(gè)插槽間隔1.1 cm。試樣筒材質(zhì)采用的有機(jī)玻璃具有強(qiáng)度高、耐磨、透光性強(qiáng)等性能，有利于水分遷移過程中圖像的追蹤與采集。單向凍結(jié)溫控系統(tǒng)精度為±0.1 ℃，上下冷浴盤通過外接冷浴可對試樣進(jìn)行單向（自上而下）凍結(jié)，可實(shí)現(xiàn)-30～+50 ℃的溫度控制。圖像采集系統(tǒng)主要由光源和定時(shí)拍照裝置構(gòu)成，光源方面，采用紫光燈讓熒光素顯影清晰，并采用高分辨率工業(yè)相機(jī)以固定時(shí)間間隔進(jìn)行采集，可實(shí)時(shí)追蹤試樣中熒光素示蹤劑的位置。外界水分補(bǔ)給系統(tǒng)主要由馬氏補(bǔ)水瓶（馬氏瓶）完成。馬氏瓶中熒光素和蒸餾水的質(zhì)量配比為1∶200。Zhang等［21-23］在熒光素溶液蒸發(fā)冷凝試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)熒光素僅能隨液態(tài)水遷移，無法隨著氣態(tài)水遷移，并且基本不影響土體凍結(jié)溫度［32］。因此馬氏瓶中摻加熒光素可用來追蹤外界液態(tài)水遷移位置的變化。由于土樣水分含有熒光素，可以使未凍區(qū)呈現(xiàn)明亮的黃綠色以及在凍結(jié)區(qū)呈現(xiàn)深褐色［33］，因此可利用熒光素追蹤已有熒光素試樣的凍結(jié)鋒面變化［32］。傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括溫度傳感器及數(shù)據(jù)采集儀。溫度傳感器為型號SKLFSE-TC 的熱敏電阻傳感器，測量范圍為-30～+30 ℃，精度為±0.05 ℃。溫度傳感器與數(shù)據(jù)采集儀連接，可實(shí)時(shí)輸出試樣在不同高度處的溫度變化情況。

1.2.2 CT試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)CT 微觀機(jī)理檢測采用中國科學(xué)院凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的CT 掃描試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)為荷蘭飛利浦Brilliance16 多能量螺旋機(jī)，空間分辨率0.208 mm，密度分辨率0.3%，如圖2（b）所示。所有試樣均在同等條件下分別進(jìn)行兩次CT 掃描：制備好的試樣進(jìn)行初始掃描；在凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后，快速固定與密封的試樣進(jìn)行二次掃描，CT 定位如圖2（c）所示。試樣的掃描厚度為3 mm，掃描電壓120 kV，掃描電流313 mA，濾波函數(shù)EC，掃描視野180 mm，重建矩陣1 024×1 024像素，掃描前后采用標(biāo)記定位方法［34］。

粗顆粒填料是帶有初始損傷的無機(jī)材料，其內(nèi)部孔隙被空氣和水填充。本文采用巖石材料的統(tǒng)計(jì)模型建立其損傷變量。由CT 識別的原理可知，H值（量測狀態(tài)下的土樣CT 值）和物質(zhì)密度之間呈近似正比的關(guān)系。H值的分布規(guī)律本質(zhì)上反應(yīng)了巖石密度的分布規(guī)律。

根據(jù)巖石損傷密度ρ與H值間的定量關(guān)系以及楊更社等提出的密度損傷變量公式［35-36］，損傷增量D可以描述為［35-36］：

式中：m0為CT 機(jī)的空間分辨率；Hr為巖石基本材料的CT值。

若以有效面積定義損傷，則有：

式中：As為試樣的有效面積；A0為試驗(yàn)截面面積。根據(jù)孔隙率的定義

式中：An為試樣孔隙面積。將式（3）帶入式（2），得出：

聯(lián)立式（4）和（1）得出以CT 值為變量的孔隙率表達(dá)式：

考慮到直觀的CT 圖像分析無法準(zhǔn)確對CT 圖像包含的細(xì)觀物理信息進(jìn)行定量評價(jià)，本文采用CT值和損傷增量表示材料孔隙特征和孔隙率的變化。CT 值與密度值成正比關(guān)系，CT 值增大表明土體密度增大。損傷增量是表征孔隙率變化的物理量。采用初始損傷狀態(tài)代替無損狀態(tài)確定損傷變化，損傷增量為負(fù)表明土體孔隙率減小，損傷增量為正表明土體孔隙率增大。

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

開放補(bǔ)水條件下，分別配置初始含水率為0%、3%和6%的試樣，分別記為w0s0、w3s0 和w6s0，w后面數(shù)字表示該試樣的初始含水率數(shù)值，s0 表示此組試驗(yàn)均沒有施加外部荷載。考慮到已有試驗(yàn)研究表明粗顆粒填料經(jīng)歷5～7 次凍融循環(huán)后［37-38］，力學(xué)性能基本穩(wěn)定，在此取凍融循環(huán)周期次數(shù)為7次。試驗(yàn)步驟如下：

（1）將稱量好的干土樣按設(shè)計(jì)的含水率加入純水拌和均勻，分三層于試樣筒內(nèi)擊實(shí)。

（2）土樣制作完成之后，在土樣表面放置濾紙，并在濾紙上安置透水石來進(jìn)行土樣固定，然后用膠帶將三者固定好后進(jìn)行CT掃描。

（3）采用保鮮膜進(jìn)行試樣密封，密封好后于干燥低溫環(huán)境靜置24 h。在馬氏瓶內(nèi)部加入適量的熒光素溶液，配比為5 g·L-1。

（4）拆除試樣筒內(nèi)部的上下透水石，將試樣安裝于上下冷浴盤之間，使其與試樣表面充分接觸。為防止熱量損失，安裝保溫棉，嚴(yán)密包裹試樣筒，并于拍照處開觀測窗，用于熒光素遷移的追蹤。

（5）調(diào)節(jié)高低溫試驗(yàn)箱溫度，并設(shè)置上下冷浴盤溫度均為5 ℃，開始8 h 的恒溫過程，始終保持箱內(nèi)和下冷浴盤溫度始終保持不變。而后調(diào)節(jié)上冷浴盤溫度開始凍結(jié)，單向凍結(jié)溫度設(shè)為-15 ℃，凍結(jié)時(shí)間為16 h，融化溫度設(shè)為5 ℃，融化時(shí)間為8 h，經(jīng)歷7個(gè)凍融循環(huán)周期。

（6）水分遷移追蹤試驗(yàn)結(jié)束后，立即拆樣，進(jìn)行CT掃描，而后分層測定質(zhì)量含水率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度及凍結(jié)深度變化

以w3s0試樣為例，不同深度處溫度時(shí)程變化如圖3 所示。在凍融循環(huán)的作用下，試樣不同深度處溫度隨時(shí)間變化具有相同的周期性規(guī)律，沿試樣高度方向溫度呈階梯性變化。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣整體溫度呈下降趨勢。圖4 為三個(gè)試樣在凍融循環(huán)作用下最大凍結(jié)深度的變化。由圖4可知，土樣溫度變化與初始含水率相關(guān)，初始含水率越大，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，凍深變化越穩(wěn)定。

圖3 w3s0試樣不同深度處溫度時(shí)程變化Fig.3 Temperature time-histories variation of w3s0 at different depths

圖4 不同初始含水率試樣凍融循環(huán)條件下凍結(jié)深度的變化Fig.4 Frost penetration variations of samples with different initial water content under freezing and thawing

2.2 外界補(bǔ)水量變化

通過圖5中不同初始含水率試樣補(bǔ)水量時(shí)程變化曲線可知，在凍融循環(huán)作用下，w0s0 試樣補(bǔ)水量隨時(shí)間變化依次可分為緩慢補(bǔ)水、快速補(bǔ)水、勻速補(bǔ)水三個(gè)階段。試驗(yàn)初期，w0s0 試樣補(bǔ)水速率較小，補(bǔ)水量增加較小，試樣從無水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛兴疇顟B(tài)，發(fā)生了質(zhì)的變化；隨后，w0s0試樣補(bǔ)水速率快速增加，補(bǔ)水量增加顯著，產(chǎn)生了明顯的量變；最后，隨著試樣補(bǔ)水量的進(jìn)一步增加，補(bǔ)水變得緩慢，當(dāng)試樣補(bǔ)水量達(dá)到140 mL后，補(bǔ)水速率開始降低為1 mL·h-1，直至凍融結(jié)束。

圖5 不同初始含水率的試樣補(bǔ)水量時(shí)程變化Fig.5 Water intake time-history variation of samples with different initial water content

w0s0 第1～3 次凍融循環(huán)期間的補(bǔ)水量很小，第4～5 次凍融循環(huán)期間補(bǔ)水量激增，之后補(bǔ)水速率逐漸變緩。w3s0 和w6s0 試樣隨凍融次數(shù)的增加具有相同的補(bǔ)水趨勢，補(bǔ)水速率相差不大且均為勻速補(bǔ)水。兩者最終補(bǔ)水量分別為47 mL 和43 mL。三組不同初始含水率的試樣到試驗(yàn)結(jié)束均未停止補(bǔ)水。

2.3 液態(tài)水遷移圖像

熒光劑示蹤技術(shù)通過視覺圖像捕捉液態(tài)水遷移的動(dòng)態(tài)過程。圖6 為w0s0 試樣的熒光劑追蹤液態(tài)水遷移圖像，橫坐標(biāo)括號中數(shù)字及字母表示凍融循環(huán)次數(shù)。圖7分別為各試樣液態(tài)水遷移高度的時(shí)程變化及隨凍融次數(shù)的變化。對比圖5 可知，對于w0s0，第3 個(gè)和第4 個(gè)凍融循環(huán)補(bǔ)水量增加較快時(shí)，液態(tài)水遷移高度快速上升。同時(shí)可以看出，第5 個(gè)循環(huán)后，當(dāng)含有熒光素的液態(tài)水上升到凍深范圍以內(nèi)，凍結(jié)時(shí)隨著凍深發(fā)展，凍結(jié)區(qū)域顯示為深褐色；融化時(shí)，雙向融化使得凍結(jié)土層上下含熒光素液態(tài)水同時(shí)向凍結(jié)土層移動(dòng)。從圖6 可得，對于初始含水率為0%的試樣，液態(tài)水遷移可以到達(dá)試樣頂端，對于初始含水率為3%和6%的試樣，液態(tài)水遷移高度可達(dá)到8 cm 左右。三個(gè)試樣基本上在4 個(gè)凍融循環(huán)后穩(wěn)定。

圖6 w0s0液態(tài)水遷移追蹤圖像Fig.6 Liquid water migration tracking images of w0s0：the 1～7［（a）～（g）］cycle of freezing and thawing

圖7 不同初始含水率試樣液態(tài)水遷移高度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化Fig.7 Liquid water migration height variations of samples with different initial water content during freezing-thawing cycles

2.4 最終含水率分布

試驗(yàn)結(jié)束后，將試樣進(jìn)行CT 掃描，而后立即拆樣測定其不同位置的含水率，試樣最終含水率分布如圖8 所示，可以發(fā)現(xiàn)，w0s0 和w3s0 試樣最終含水率沿深度方向呈“之”字形分布，試驗(yàn)后試樣整體含水率均明顯增加。由于w0s0試樣最終補(bǔ)水量最大，所以不同深度處最終含水率基本最大；w3s0水分分布較為均勻；w6s0 試樣最終補(bǔ)水量較小，試樣深度6 cm 以上土體的含水率較初始含水率略減小，深度6 cm以下的土體含水率較初始含水率均有所增加。

圖8 試樣最終含水率分布Fig.8 The final water content distribution of samples

2.5 基于CT 值表征的土樣密度及孔隙率的變化規(guī)律

對試驗(yàn)前后試樣進(jìn)行CT 掃描，掃描結(jié)果如圖9所示，借助相關(guān)軟件對其進(jìn)一步處理，可得到試樣不同位置的CT 值，如圖10 所示。由于粗顆粒填料自身的性質(zhì)，在制樣過程中很難保證每層密度的均勻性，導(dǎo)致CT 值曲線沿試樣深度方向有所波動(dòng)。通過對試驗(yàn)前后試樣的CT 值進(jìn)行分析，得出w0s0試樣在深度2 cm 以內(nèi)CT 值減小，而在深度大于2 cm處CT值顯著增大。結(jié)合圖9中的試樣CT掃描結(jié)果，相比試驗(yàn)前，w0s0 試樣試驗(yàn)后在深度8.4 cm和10.2 cm 截面上，持水細(xì)粒發(fā)生團(tuán)聚作用［16］（顏色偏黃部分），使得細(xì)粒分布更為明顯，填料出現(xiàn)一定程度的擠密，顆粒之間的孔隙（藍(lán)色部分）變小。由于未施加荷載，不考慮引起土顆粒的破碎，推測截面上顆粒面積及明暗的變化是顆粒出現(xiàn)了錯(cuò)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)［39］。根據(jù)試樣CT 值隨密度值增大而增大的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)在凍融循環(huán)的作用下，w0s0 試樣在深度2 cm以內(nèi)密度值有所減小，在深度大于2 cm處密度值有所增大，試樣密度沿深度方向呈先減小后增大趨勢；w3s0 試樣在深度0.6 cm 以下密度值均有所增大，試樣密度沿深度方向呈先減小后增大趨勢；w6s0 試樣在深度4 cm 以內(nèi)和深度9 cm 以下密度值有所減小，在深度4～9 cm 之間密度值有所增大，試樣密度沿深度方向呈先減小再增加后減小趨勢。

圖9 試樣w0s0深度8.4和10.2 cm處CT掃描Fig.9 CT scanning of sample w0s0 at depth 8.4 and 10.2 cm：before test at depth 8.4 cm（a）；after test at depth 8.4 cm（b）；before test at depth 10.2 cm（c）；after test at depth 10.2 cm（d）

圖10 不同初始含水率試樣凍融前后CT值變化Fig.10 CT value variations of samples with initial water content before and after test

通過對不同初始含水率的試樣凍融前后CT 值進(jìn)行增量計(jì)算，進(jìn)一步得出試驗(yàn)后不同含水率試樣的損傷增量如圖11 所示。可以看出，w0s0 試樣在深度2 cm 以內(nèi)損傷增量大于零，表明在凍融循環(huán)作用下試樣頂部2 cm 范圍內(nèi)發(fā)生了微弱的凍脹變形，導(dǎo)致試樣頂部的孔隙率有所增大；w0s0試樣在深度大于2 cm 處損傷增量均小于零，土體主要表現(xiàn)出壓密的狀態(tài)，孔隙率有所減小。對于w3s0 試樣，凍融循環(huán)后試樣的損傷增量均小于零，試樣整體表現(xiàn)出壓密的狀態(tài)。結(jié)合液態(tài)水遷移圖像及測得的分層含水率可知，試樣上部由于水分遷移及孔隙冰的形成，孔隙率增大。試樣w6s0 初始壓密性最好，孔隙率增大范圍及幅值最小。深度9 cm 以下試樣含水率比較大，孔隙率減小，密度有所減小。w6s0 經(jīng)歷凍融循環(huán)之后損傷量最小。

圖11 不同初始含水率試樣凍融后損傷增量Fig.11 Damage increment of samples with different initial water content after freezing-thawing test

3 討論

在干密度一定情況下，土體含水率越大，凍結(jié)時(shí)釋放熱量越大，延緩凍結(jié)鋒面推進(jìn)進(jìn)程。但含水量越大，導(dǎo)熱越快，將加速凍結(jié)鋒面推進(jìn)進(jìn)程［40］。如圖4所示，w0s0前面3次凍融循環(huán)最大凍深較小，第4次凍融循環(huán)時(shí)凍結(jié)深度減小，考慮是由于在第4個(gè)凍融周期時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)較為明顯的補(bǔ)水量。從圖5～6 可以看到，第4 次凍融循環(huán)期間液態(tài)水出現(xiàn)了較為明顯的遷移。試樣含水量的增加，在這個(gè)凍融循環(huán)期間表現(xiàn)為阻礙了凍結(jié)鋒面的推進(jìn)，第5～7個(gè)凍融循環(huán)期間，表現(xiàn)為促進(jìn)了凍結(jié)鋒面的向下推進(jìn)。初始含水率越大，補(bǔ)水量越小。相對應(yīng)地，不同凍融循環(huán)作用下凍深的變化越穩(wěn)定。由此可見，凍深發(fā)展和水分尤其是液態(tài)水遷移是一種相互作用的關(guān)系。

通過對不同初始含水率試樣補(bǔ)水量的時(shí)程變化曲線分析可得，w0s0 試樣在前3 次的凍融循環(huán)下補(bǔ)水速率緩慢，補(bǔ)水量較小，此時(shí)的溫度梯度并不會(huì)引起明顯的水分遷移。這一現(xiàn)象可能是由于含水率為0%的填料在制樣過程中，其細(xì)顆粒在重力和擊實(shí)功的作用下順著顆粒間孔隙下落，導(dǎo)致試樣底部細(xì)顆粒含量明顯增加，所以試驗(yàn)前期的補(bǔ)水主要是由細(xì)顆粒毛細(xì)作用引起的。試樣在3次凍融循環(huán)后，隨著試樣內(nèi)部水分的遷移和凍融作用下內(nèi)部顆粒的結(jié)構(gòu)形態(tài)基本形成，孔隙結(jié)構(gòu)變化引起使得水分遷移通道連通，第4～5 次凍融循環(huán)期間補(bǔ)水量激增，尤其是液態(tài)水快速向上遷移到達(dá)試樣頂部，使得試樣整體含水率均有所增加，隨后試樣補(bǔ)水速率逐漸變得緩慢。而對于w3s0 和w6s0 而言，第1次的凍融循環(huán)，外界水分的補(bǔ)給遷移使土體內(nèi)部形成了良好的孔隙結(jié)構(gòu)，有利于土體內(nèi)部的水分遷移，但在第一次凍融循環(huán)后，試樣內(nèi)部的部分孔隙被持水性較好的細(xì)顆粒簇團(tuán)填充，造成水分遷移通道的堵塞，使得后期試樣的補(bǔ)水受到抑制，后續(xù)水分補(bǔ)給增長緩慢，液態(tài)水遷移高度也增長緩慢。

對比既有單次凍結(jié)作用下不同初始含水率試樣水汽遷移特征的變化可知［21-22］，初始含水率影響外界水分遷移量，包括液態(tài)水和氣態(tài)水的遷移量，且均呈現(xiàn)出初始含水率越大，補(bǔ)水量越小，液態(tài)水遷移高度越低的特點(diǎn)。本文中試驗(yàn)采用的是快速凍結(jié)、快速融化的溫度控制方式，類似于季節(jié)凍土區(qū)春融期初始時(shí)的外界溫度變化情況。結(jié)合CT 值及損傷增量的分析可知，由于雙向融化導(dǎo)致此時(shí)的活動(dòng)層下方富集水分無法排除。反復(fù)凍融作用下，下方液態(tài)水持續(xù)上升可能導(dǎo)致春融期間凍脹變形出現(xiàn)暫時(shí)增長，而后隨著水分的不斷補(bǔ)給，尤其在外界水的不斷補(bǔ)給作用下，顆粒間的位置錯(cuò)動(dòng)占據(jù)了原來的孔隙空間，部分孔隙逐漸被外界水填充，使得顆粒之間的潤滑度有所增大，更多細(xì)粒簇團(tuán)形成，孔隙率減小，密實(shí)度增加。在凍融循環(huán)作用下，孔隙水壓力變化均呈現(xiàn)周期性的變化過程，尤其是融化期孔隙水壓力快速增大［41］，土體密實(shí)度得到提高，宏觀表現(xiàn)主要是融沉變形發(fā)生，變化趨勢與已有監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合［24］。

4 結(jié)論

通過研究凍融循環(huán)作用下不同初始含水率的粗粒土水分遷移規(guī)律及土體密度和孔隙率細(xì)觀演化特征，得出以下結(jié)論：

（1）不同初始含水率的試樣隨凍融循環(huán)的次數(shù)增加，基本上凍深呈不斷加深的變化趨勢。w0s0凍結(jié)深度最小，w3s0和w6s0在經(jīng)歷7次凍融循環(huán)過程中的凍深發(fā)展趨勢相似。不同凍融循環(huán)作用下，w6s0凍深變化相對最穩(wěn)定。

（2）不同初始含水率的試樣在短期反復(fù)凍融循環(huán)的作用下補(bǔ)水量不斷增加，試樣初始含水率對其外界水分補(bǔ)給量存在一定的影響，外界補(bǔ)水量以及液態(tài)水遷移高度與試樣初始含水率均呈負(fù)相關(guān)。

（3）試樣在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后，w0s0 和w3s0試樣密度整體增大，w6s0 試樣部分位置密度增大，各試樣孔隙率以減小為主。初始壓密性最好的w6s0上部孔隙率增大范圍及幅度最大，下部孔隙率減小幅度最小，試驗(yàn)后密度變化最小。凍融循環(huán)作用引起的水分補(bǔ)充和遷移導(dǎo)致土體顆粒發(fā)生錯(cuò)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，持水細(xì)粒的團(tuán)聚作用更為明顯，顆粒構(gòu)造和孔隙結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)而改變了土體的孔隙率和密度，使得土體發(fā)生變形。