赫景旭，郑 鑫，程 正，霍彦霖

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163000)

0 引言

我国北方大部分地区仍利用传统的土渠进行农田灌溉，导致由于冻胀破坏产生的渠道渗漏情况普遍存在，水资源利用率不高，浪费严重。每年在农田灌溉中渠道损失的水量高达 1.73×1011m3，约占农业总用水量的47%。我国冻土面积分布广泛，是世界上第三冻土大国，季冻区面积大约 5.137×106km2，约占国土面积的 53.5%，东北地区作为重要的农业生产基地之一，长期以来，因冻胀造成的衬砌板膨胀、隆起、开裂，冻融后滑坡坍塌等冻害，严重影响了衬砌的稳定及其防渗节水的功能。所以，为了更好满足当前农业的发展要求，需要重视灌区混凝土防渗渠道冻胀问题的预防及处理工作[1]。

由于地下水位埋藏较浅(即高地下水位)而导致基土冻结过程中存在明显水分补给的混凝土衬砌渠道称为开放系统下的混凝土衬砌渠道[2]。而且有无水分供给情况下的冻胀量相差甚远。水分的迁移、补给和相变又引起土体冻胀变形破坏了原土体的稳定结构，且水分迁移后形成的冰层再融化又会加剧土体力学性质的弱化。这对建筑于其上的建筑物是非常不利的，可见深入认识和解决开放系统条件下(即考虑水分迁移与补给)的土体冻结和冻胀问题具有重要的现实意义[3]。1999年，周国庆[4]首次提出了关于间歇冻结来控制冻胀的机理研究，指出了间歇冻结所形成的冻土区域温度高、未冻土区域温度梯度低、冻结速率小等结果都有利于抑制冻胀的产生与发展。商翔宇[5]对此进行了初步验证，分析了连续与间歇不同模式下的冻胀影响，采用间歇冻结模式来控制冻土冻胀也得到普遍的认可。因此进一步研究不同影响条件下的间歇模式冻结也对抑制冻胀这个课题很有意义。

1 试验方案

1.1 试验系统

试验系统主要包括制冷温控系统、补水系统及数据采集系统。主要设备为多功能温湿度传感器及低温试验箱。见图1。

图1 低温试验箱体

1.2 试验土样

试验采用的是对冻胀较为敏感的粉质黏土，试验土样在试验前24 h进行风干备用，试验使用的土样均过0.5 mm筛再使用，试验土样指标如表1所示。设计三种不同初始含水量分别为20%、24%、28%；试验的土样制成高度12 cm、直径10 cm的圆柱体。

表1 土壤物理性质及指标

1.3 试验条件

试验在开放系统的条件下进行，对不同初始含水率的土样进行不同最低冻胀温度条件下的冻胀试验，采用一维冻胀模式，对试验筒体的侧向及底部进行保温处理，保证自上而下冻结，而且无任何外载作用。

在试验进行前，提前8 h将试验箱的温度恒温在+5 ℃左右，此条件保证了温度的一致性，在试件筒体的左右两侧沿着垂直方向每隔1.5 cm安插温度传感器和湿度传感器，用来实时观察温湿度的变化；冻胀量的变化采用精度为0.01 mm的顶点位移计进行记录。在此试验条件下进行不同影响因素的冻胀试验，发现冻胀的变化及发展规律。

在土样经过恒温后进行试验，在控制冻深的间歇冻结模式下，开始阶段采用提前预设好的最低冻胀温度进行冻结，当冻结锋面达到预定的冻深后，再以-0.5 ℃进行冻结，如此循环使得试样的冻结锋面始终在预设的0.5～1 cm左右范围内波动。

试验共分为五组，试验取用三种不同的初始含水率及三种不同的最低冻胀温度条件，分别对初始含水率为20%、24%、28%的土样在最低冻胀温度为-15 ℃的条件下冻结48 h；再对初始含水率为24%的土样分别在最低冻胀温度为-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃的条件下冻结48 h，最后将得到的冻胀量进行对比。

2 试验结果及分析

2.1 初始含水率对冻胀效果的影响

图2、图3和图4是对三种不同初始含水率冻结条件条件下的温湿度变化曲线，由于采用了不同的初始条件，因此在冻结过程中曲线变化状态及冻胀量都有些许的变化。

图2 -15 ℃含水率20%条件下的温湿度变化曲线

图4 -15 ℃含水率24%条件下的温湿度变化曲线

通过温度变化曲线可以看出降温阶段的过程可以分为快速降温阶段及温度循环阶段，循环阶段平均每240 min完成一次。在快速降温阶段过程中，对比含水率变化曲线可知，在此阶段过程中，冻结锋面的推进速度要快于循环阶段，此时冻结锋面初步形成，土样也基本处在原位冻结状态。通过含水率变化曲线可知，土样随着温度的循环，土中水分也进入了一个循环且缓慢上升的状态，但是由于温度条件的干扰，冻胀始终无法进入到一个稳定的状态，使其无法持续上升，这也导致这种冻结方式的冻胀量要远小于持续冻结状态下的冻胀量。通过含水率变化曲线还可以看出，初始含水率为28%的土样在冻结过程中变化的幅度要大于初始含水率为20%的土样，说明前者所形成的冻结面要大于后者。通过对比三种不同初始含水率的冻胀试验最后得到的冻胀量结果可知，初始含水率为28%时的冻胀量为2.34 mm，初始含水率为24%时的冻胀量为2.13 mm，初始含水率为20%时的冻胀量为1.82 mm。

2.2 最低冻胀温度对冻胀效果的影响

图4、图5和图6是对三种不同最低冻胀温度冻结条件条件下的温湿度变化曲线。冻胀过程同样分为降温阶段和循环阶段，而且同样也是循环且缓慢上升的趋势。通过三组试验的温度变化曲线图可知，最低冻胀温度不仅仅影响着冻胀量，还影响着冻胀形成的速率及稳定性，图5中循环阶段的过程所用的时间要大于图6中循环过程所用的时间，而且由于图5中最低冻胀温度较低，冻结锋面形成的稳定性也较差，波动幅度较大；同时土中含水率的波动稍小于后者。通过试验最后所得到的冻胀量结果可以看出，当冻胀最低温度越低时，冻胀量会随之增大，冻胀最低温度为-10 ℃时冻胀量结果为1.68 mm；冻胀最低温度为-15 ℃时冻胀量结果为2.13 mm；冻胀最低温度为-20 ℃时冻胀量结果为2.23 mm。

图5 -10 ℃含水率24%条件下的温湿度变化曲线

图6 -20 ℃含水率24%条件下的温湿度变化曲线

图7 冻胀量对比

3 结论

本文主要针对不同初始含水率和不同最低冻胀温度条件下的粉质黏土进行了冻胀试验，最终通过对比冻胀量得到以下结论：

1)通过冻胀量对比曲线图可以得到，在间歇冻结模式下，当初始含水率越大时，冻胀量越大；当最低冻结温度越低时，冻胀量越大。

2)最低冻胀温度不仅影响冻胀量，还会影响冻结锋面形成的稳定性。因此，在冻胀进入稳定状态前去改变其温度边界条件，可以使土中的温度场偏离稳定状态，从而抑制冻胀的形成。

3)间歇冻胀模式过程中，温度场由于热边界条件的扰动始终达不到一个稳定的状态，导致冻结锋面的稳定状态也不断被破坏，因此间歇冻胀模式的冻胀量要远远小于持续冻胀。