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水 利 学 报

2021 年 1 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 1 期

文章编号：0559-9350（2021）01-0081-12

黏土单向冻融作用下冷生构造及冻胀特性试验研究

任秀玲 ，俞祁浩 ，王金国 ，张东明 ，张振宇 ，王新斌 1
1，2
3
3
1
1，2
（1. 中国科学院 西北生态资源环境研究院，甘肃 兰州 730000；2. 中国科学院大学，北京 100049；
3. 雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610065）
摘要：研究黏土的水分迁移特性，对评估冻融作用对填筑土料的工程影响意义重要。以两河口水电站大坝心墙的
填筑土料黏土为研究对象，针对冬季施工现场日循环冻融作用的环境特点，在室内模拟开展封闭系统下短时、高
频、浅冻结条件下的单向冻融试验，研究了反复冻融作用下试样的冷生构造、水分迁移和冻胀特性。结果表明：
黏土在日变化冻融作用下，试样受影响区域会有分凝冰快速发育，并随冻融条件的变化形成垂直于冻结方向、形
态和厚度各异的薄层状冷生构造，并与以往研究存在显著区别。其中，与以往研究相比，受冻融影响区域分凝冰
层厚相对较薄、且较为均匀，空间分布差异性表现为下部区域分凝冰的平均层厚相对上部略厚，但分凝冰层的数
量增多。该种特性受初始含水率、冷冻温度、冻融次数等影响较大。其中，初始含水率对分凝冰厚度的变化影响
最大。冷冻温度对层状冷生构造的发育和分布影响较大，-5 ℃冷冻温度下，冷生构造的发育程度最为突显；而
在-10 ℃冷冻温度下，分凝冰层厚度和层状冷生构造的分布都较为均匀。冻融作用对层状冷生构造的影响表现为
累积过程，冻融次数的增加使分凝冰层数量增多。另外，试样冻胀量较小，受冻融影响区域下部分凝冰起主要贡
献作用。研究结果为季节冻土区大坝冬季施工过程的冻融防控具有重要指导作用。
关键词：黏土；反复冻融；水分迁移；初始含水率；冷冻温度；冻融次数
中图分类号：TU752 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200234

1 研究背景

中国是世界第三大冻土大国，冻土分布面积占陆地面积的 21.5%，其中，季节冻土指地壳表层冬
［2］
［1］
季冻结、夏季全部融化的岩土层 ，占我国国土面积的 53.5% 。随着西部大开发战略的不断实施，
在寒区修建的水电站、公路、铁路等重大工程建设逐渐增多。两河口水电站位于中国四川省甘孜藏
族自治州雅江县境内雅砻江干流上，属于季节冻土区，是目前中国第一高、世界第三高土心墙堆石
坝。在水电站大坝心墙土料填筑过程中，寒冷的环境条件下，土料会发生反复冻结和融化作用，土
［3］
体的结构 、含水率、孔隙比、体积和干密度等发生明显的变化 ［4-6］ ，进一步使土体的压缩性 ［4，7-8］ 、黏
［9］
聚力 、单轴抗压和抗拉强度 ［9-11］ 、无侧限抗压强度 ［12］ 、强度 ［7，13］ 和渗透性 ［3，5-6］ 发生变化，且渗透系数
［5］
发生数量级变化 。土中水分迁移过程使土体发生冻胀 ［14-15］ ，进一步导致土料在压实过程中达不到填
筑压实度，影响土料的填筑质量及坝体心墙的稳定性。因此，研究反复冻融作用下黏土的冷生构
造、水分迁移和冻胀变化规律非常重要。
在寒区冬季负温环境下，土体中水分在冻结作用下会逐渐向地表迁移，使土体发生冻胀，导致
冻胀开裂等一系列工程病害产生。因此，许多学者从不同角度开展了土体水分迁移特性及冻胀病害

收稿日期：2020-04-08；网络首发时间：2020-10-29
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20201029.0956.002.html
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基金项目：国家自然科学基金项目（41772325，41801039）；雅砻江流域水电开发有限公司科学技术项目（LHKA-G2019006）；
青藏高原二次科考项目（2019QZKK0905）
作者简介：任秀玲（1992-），博士生，主要从事冻土物理力学性质和冻融过程研究。E-mail：903920897@qq.com
通讯作者：俞祁浩（1964-），博士，研究员，主要从事寒区冻土工程与环境研究。E-mail：yuqh@lzb.ac.cn
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