冻土中分凝冰的实验研究
eee17刘金鑫;帅军;陆建飞
【摘 要】To research the formation rules of the segregated ice under the three-field coupling action, the one-dimensional continuous freezing experiment of the soil under the coupling action of moisture field, temperature field, and stress field was carried on by using a high and low temperature alternating box.According to the data obtained by using temperature sensor and displacement sensor and the measuring data of the final lens at the end of experiment, the formation time, thickness, and location of the final lens were obtained.The results show that the temperature gradient influences the amount of the segregated ice.The greater the temperature gradient is, the earlier formation time appears and the thicker final lens become.Temperature gradient also influences the stress produced by soil.The stress field restricts the growth of the segregated ice thickness conversely.The bigger the external load is, the later and thinner the final lens are.%为研究三场(水分场、温度场及应力场)耦合作用下分凝冰的形成规律,通过高低温交变箱进行土体在三场耦合作用下
的一维连续冻结实验;根据实验过程中温度传感器、位移传感器采集的数据和实验结束后对末透镜体的测量数据,得出末透镜体形成的时间、厚度及位置.结果表明:温度梯度既对分凝冰的量有影响(温度梯度越大,末透镜体的形成时间越早,厚度越大),又对土体产生应力的大小有影响;外荷载的大小反过来又制约着分凝冰厚度的生长,外荷载越大,末透镜体的形成时间越迟,末透镜体厚度越小. 卤素管取暖器【期刊名称】《济南大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(031)005
【总页数】5页(P421-425)
【关键词】冻土;分凝冰;冻结缘;三场耦合
【作 者】刘金鑫;帅军;陆建飞
【作者单位】江苏大学土木工程与力学学院,江苏镇江212013;江苏大学土木工程与力学学院,江苏镇江212013;江苏大学土木工程与力学学院,江苏镇江212013
【正文语种】中 文
【中图分类】TU445
冻土是土内具有负温且含有冰的土岩[1]。我国多年冻土面积和季节冻土面积共占全国面积的76.5%[2]，因此研究冻土具有巨大的工程实际意义。目前,冻土地区已建的建筑物先后出现了很多与冻土的冻胀相关联的破坏。冻胀主要是因土中水分受负温度梯度的影响而发生重新分布，并在一定位置形成分凝冰的现象,对分凝冰的研究已经成为揭示冻胀机理和解决冻胀融沉灾害问题的基础和重点[3]。青铜旋塞阀
20世纪30年代， 人们开始研究冻胀现象， 发现毛细理论无法解释冰透镜体的不连续产生现象[4]。 20世纪70年代， Miller[5]首先提出了冻结缘的概念， 克服了毛细理论的不足， 认为在冻结锋面和冰分凝面之间存在一个冰-水混合带， 为不连续分凝冰的产生创造了条件。 为探索分凝冰产生的位置， Penner[6]利用X射线技术研究了分凝冰的位置。
徐敩祖等[7]研究发现，分凝冰最容易在无结构相连处形成，且冰分凝的温度只由无结构相连处的温度决定。Torrance等[8]、陈世杰等[9]利用现代计算机X射线断层(CT)扫描技术，
更好地观察了分凝冰的分布情况。有学者采用高分辨率的摄像镜头与具有50倍数字放大功能的视频显微镜相结合，动态观测了分凝冰的生长过程，并利用红外辐射法代替传统热敏电阻法测量了分凝冰的温度[10-12]。为了从理论上更好地研究冰分凝的影响因素， 曹宏章[13]应用Duhamel方法对冻土水分场、 温度场及应力场三场耦合作用下的情况进行数值模拟， 得出冰分凝量的多少与荷载和导水系数的关系。 明峰等[14]采用数值模拟的方法模拟了土样冻结过程中冰透镜体的生长规律， 分析了土体强度对分凝冰形成的影响。 目前对分凝冰的形成判据尚未形成统一的认识， 何平等[15]利用连续介质力学和热力学原理， 探讨了正冻土的三场耦合模型， 将孔隙水压力与土骨架有效应力及土颗粒粘聚力之和进行比较, 判断分凝冰的形成。 胡坤[16]提出的水热耦合模型修正了分凝冰形成准则， 认为冰-水交界面的水膜压力完全抵消土体外荷载及抗拉强度后分凝冰才形成。 曾桂军等[17-18]对分凝冰形成的几种力学判据进行归纳， 发现采用冰压力或者冰-水界面压力是最可靠的。 曹宏章等[19]提出了一个关于饱和土的一维冰分凝三场耦合模型， 建立数学模型， 推导出冰分凝速度， 并对计算结果进行定量分析， 得到了分凝冰分层分凝的计算结果， 式中：vi为冰分凝速率； uw为孔隙水压力； x为相界面位置； ρi为冰密度； g为重力加速度； φ为冰相体积分数； xb为分凝冰底端坐标； k为导水系数。李萍等[20]研究水热耦合
下分凝冰的发育规律，通过制作复形膜，反演分析了分凝冰的厚度，主要集中在0.5～2 mm之间。周扬等[21-22]采用间歇冻结的方法，实验发现间歇冻结模式能有效抑制分凝冰的厚度。人们目前研究的多是土体在水热耦合作用下分凝冰的生长发育规律，对水、热、力耦合作用下分凝冰的实验研究尚存在不足。
为了进一步研究土体在三场耦合作用下分凝冰的发育规律，本文中通过高低温交变箱进行土体在水分场、温度场及应力场三场耦合作用下的连续冻结实验，根据数据采集仪所得数据及实验结束后实拍图像，分析实验中得到的分凝冰厚度，掌握分凝冰的形成规律，期望为抑制冻土冻胀问题的理论研究和工程施工提供经验。
1.1 土样基本参数
实验用土为江苏省镇江地区某深基坑粉质黏土，经晒干、碾压、过筛、重塑等标准步骤后得到实验土样，其基本参数见表1。
1.2 实验仪器
1)温度控制系统：采用GDW-150系列高低温交变箱作为实验箱体，箱内温度在-40～150 的制备
℃之间可调节，内部温度波动小于0.1 ℃，箱体温度精度为0.01 ℃；同时采用外部尺寸为400 mm×400 mm×400 mm的立方体保温盒，盒内有保温系统，每次将3个土样放在盒内形成从上往下的单向冻结。
2)土样装载： 将土样装入直径为110 mm、 高度为180 mm的聚氯乙烯塑料管中， 土样高度为120 mm，土样下部放置3块直径为110 mm的透水石，整个土样放在保温盒内托盘上，冻结过程中通过盒内补水系统不间断地给土样补水。在每根管子周围包裹40 mm的聚氨酯泡沫保温材料，与保温盒形成2层保温层。
3)测量系统：温度测量采用热电偶温度传感器，测量精度为0.01 ℃，沿土样在30～120 mm处每隔20 mm布置一个温度传感器；静载采用钢板施加，为防止钢板与土样直接接触影响土样的传热造成误差，用2个支撑块放在土样上以隔离钢板。位移测量使用量程为25 mm的位移传感器，测量精度为0.01 mm。数据采集使用2台江苏东华测试技术股份有限公司生产的DH3818-2型数据采集仪。实验结束时分凝冰的厚度使用读数显微镜测量。
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1.3 边界条件控制模式
以饱和正冻土为研究对象。设置初始含水率(质量分数，以下同)为40%，暖端温度恒定为2 ℃，设计3个温度梯度、 3个外荷载的耦合实验，具体控制方案见表2。为保证3个土样实验冻结开始前初始温度相同，在每次冻结前均进行6 h的预冷过程，使土样初始温度维持在2 ℃左右。
2.1 末透镜体厚度与冻胀量结果
在连续冻结模式下，分凝冰的演化过程分为3个阶段：第1阶段，冻结锋面推进太快，水原位冻结，不形成分凝冰; 第2阶段, 冻结锋面向下移动变慢, 产生不连续的微量分凝冰；第3阶段，冻结锋面向下发展趋于稳定，补给水有充足的时间运动到冻结锋面后方，在负温度影响下形成分凝冰, 称之为末透镜体。
本文中不考虑前2个阶段形成的微量分凝冰，主要测量第3阶段形成末透镜体的厚度，这部分分凝冰对工程灾害轻重程度具有巨大的影响。
根据边界条件控制方案，以土样B1、B2、B3为考察对象，研究相同含水率、 相同冷端温度条件下，外荷载的不同对分凝冰厚度的影响；以土样A3、B3、C3为研究对象，研究相
同含水率、相同外荷载条件下，温度梯度的不同对分凝冰厚度的影响。末透镜体厚度和冻胀量实验数据见表3。
实验结果表明，在补水条件、含水率、温度梯度都相同的条件下，随着外荷载的增大，末透镜体的最终厚度减小，但是在补水条件、含水率及外荷载相同条件下，冷端温度越低，末透镜体的厚度越大。土样在水分场、温度场、应力场三场耦合条件作用下，随着温度梯度增大，形成的分凝冰厚度增大，产生的冻胀力增大，但外部施加的荷载又反过来制约了分凝冰的生长。这种相互影响、相互制约的关系即为正冻土中水、热、力三场耦合关系。
2.2 末透镜体实拍图像
土样C1、C2、C3实验结束后实拍末透镜体厚度如图1所示。可以看出，土样C1末透镜体发育最充分，厚度也最大。随着外荷载的增大，土样C2、C3的末透镜体厚度越来越小。造成这种现象的原因主要有2个：一是外荷载增加，导致冻结缘处的渗透系数减小，融土区的水分难以向冻结缘迁移，末透镜体生长缓慢；二是外荷载的增加使得分凝冰形成时需要克服的土压力变大，增加了分凝冰形成时的难度，导致末透镜体厚度变小。通过以上分析可知，土样在冻结过程中，均产生分层分凝的现象，与前人实验结果相吻合。
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3.1 不同边界条件影响下末透镜体形成的时间
由于每个时刻分凝产生的冻胀量与该时刻的分凝冰量相等，且在第3阶段只有末透镜体的生长[9-10],因此用实验结束后测得的冻胀量减去末透镜体厚度,得到的厚度与位移传感器所记录的厚度相对应，即可得到开始产生末透镜体的时间。根据位移传感器的记录，土样A1、 B1、 C1、 A2、 B2、 C2、 A3、 B3、 C3在不同温度梯度的影响下，产生末透镜体的时间分别是38.3、 36.6、 32.5、 41.2、 39.0、 34.3、 43.0、 40.5、 36.0 h。
图2所示为末透镜体形成时间与外荷载的关系曲线。可以看出，外荷载越大，末透镜体形成的时间越迟， 主要是由于外荷载作用下水分结冰时推开土需要克服的土压力变大， 因此形成末透镜体的时间推迟。 图3所示为末透镜体形成时间与温度梯度的关系曲线。可以看出，温度梯度越大，形成末透镜体的时间越早。由于较大的温度梯度使冻结锋面在冻结初期推进很快，后期趋于稳定时间较早，因此水分可以较早地分凝成冰。
3.2 末透镜体厚度连续产生分析
根据3.1节中数据处理的流程，对所得到的末透镜体厚度和连续的发育过程进行分析，可以分别得到图4、 5中不同外荷载和不同温度梯度作用下，末透镜体厚度随时间的变化曲线。
图4、 5均显示末透镜体在35～43 h左右产生，表明末透镜体的产生需要达到一定的条件，边界条件不同，产生的时间早晚也不一样。35 h之前产生的冻胀量为水分原位冻结和分凝第2阶段产生的微量分凝冰。根据图中曲线的离散程度，可以直观地看出本实验中温度梯度对末透镜体厚度的影响比外荷载的影响大。
通过曲线可以看出，所有土样的末透镜体生长都经历快速增长和缓慢增长2个阶段：快速增长时期，由于土样达到末透镜体产生的条件，冻结锋面趋于稳定，因此冻结缘和融土区内的水分在短时间内运动到上层分凝冰与冻结缘之间分凝成冰; 缓慢增长阶段，由于随着实验时间的延长，冻结缘厚度逐渐减小，冻结缘内导湿系数与孔隙水压力减小[23-24]，融土区水分向冻结缘内迁移的入流量较少，因此末透镜体厚度发育缓慢。
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