Page 86 - 水利学报2021年第52卷第1期

等研究。已有研究主要通过在室内封闭 ［16-18］ 和开放 ［19-21］ 系统下对黏土 ［22-24］ 、黄土 ［16，25-26］ 等不同类型的
土体进行单向冻结试验，研究不同影响因素对水分迁移、冻胀特性等的影响。
在水分迁移特性及其影响因素方面，研究表明冻结过程中水分不断向冻结锋面和冷端迁移 ［16，27］ ，
试样未冻区的含水率减小，已冻区的含水率增加 ［18，25］ ，冻结锋面处试样含水率最大 ［25］ 。另外，粗粒土
中水汽迁移规律的研究表明粗粒土的水分迁移主要表现为气态水的迁移 ［28］ 。初始含水率 ［16-17，27］ 、干密
度 ［23-25］ 、冻结温度 ［17，26-27］ 、冻结速度、冻结方式 ［26］ 等因素影响土中水分迁移特性。在土样冻结过程
中，土样的初始含水率越大，经单向冻结后土体的水分迁移量越大、水分迁移效果较明显 ［23，25-26］ ，且
冻结锋面处土样含水率的增加量越大 ［22-23］ 。但是，试样初始含水率对冻结锋面位置的影响不大 ［25］ 。冻
结温度差对试样冻结深度的影响最大，且水分迁移量随着温差的增加而增大 ［17］ 。
经单向冻结后土体的冻胀特性方面，许多学者对土体的冻胀进行了室内试验研究 ［18-20］ ，表明封闭
系统下，试样的冻胀率随初始含水率的增加和压实度的减小而增加 ［18］ 。另外，学者们研究了土体的
冻胀发展和冰分凝过程 ［15，21-22］ ，指出试样冷生构造分为不同区域 ［15，21］ ，试样中冰透镜体的分凝过程
与冻胀过程、以及单向冻结后含水率之间可以相互验证 ［21］ ；且冷生构造的发育和土样的冻结温度
有关 ［22］ 。还有土体单向冻结过程中基质势、液态含水率、温度、含冰量、水分迁移量和冻胀变形等
在时空方面的耦合变化关系的研究，表明试验后土体内总含水率与分凝冰的分布情况一致 ［29］ 。
通过以上分析可知，土体在单次、较长时间的单向冻结过程中，土中水分迁移、冷生构造发育
和冻胀发展过程，以及试验后土中水分迁移和冻胀特性的研究较为系统，且重点研究冷生构造的发
育情况及其对冻胀的影响。但是，关于室内封闭系统下经反复冻融作用后试样的冷生构造、水分迁
移和冻胀特性方面的文献报道较为鲜见。因此，基于短时、浅冻、基本封闭的现场工况条件，本文
在室内开展不同初始含水率、冷冻温度和冻融次数等单因素影响下，重塑非饱和黏土在封闭系统下
高频、短时的反复冻融试验，研究单向冻结过程中试样内温度的变化、以及经反复冻融作用后试样
的冷生构造、水分迁移和冻胀变化规律，并分析冷生构造对坝体心墙土料冬季填筑过程的影响。研
究土体在反复冻融作用下冷生构造和水分迁移特性对土体的冻胀机理分析、以及寒区土料冬季施工
过程具有重要意义。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料 试验所采用土样黏土取自中国四川省在建两河口水电站，是大坝心墙的重要填筑土
料之一，铺设于两岸混凝土盖板与心墙内部砾石土之间，水平宽度为 4 m（图 1），为非饱和重塑土。
从 2017 年 1 月中旬大坝心墙现场观测发现，经过一夜后黏土发生了冻结，土料内部形成了冷生构
造，且有层状分凝冰形成，说明在冻结过程中土体内部存在水分迁移和冰分凝过程（图 1）。

（a） 黏土分布情况 （b） 冻结黏土
图 1 两河口水电站大坝心墙黏土

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