Page 87 - 水利学报2021年第52卷第1期

表 1 黏土的基本物理性质指标

最大干密度 最优含水率 土粒比重 液限 塑限
分类
ρ / （g/cm ） ω /% G /（g/cm ） W L/% W P/%
3
3
op
dmax s
1.78 17.0 2.72 36.9 19.8 含砾低液限黏土（CLg）
表 2 黏土反复单向冻融试验方案
顶板温度/℃
3
初始含水率/% 干密度/（g/cm ） 冻融次数（次）
冷冻温度 融化温度
20.5 1.67 1，2，5 -2，-5，-10 10
16.8 1.81 1，2，5 -2，-5，-10 10

冬 季 施 工 期 间 ， 土 料 在 大 部 分 夜 间 发 生 冻 100
结，白天大部分时间段内融化，即土料在一昼夜
［30］ 80
发生一次冻融过程。根据《土的分类标准》 （GB /
J145-90）中 规 定 可 知 ， 土 料 为 含 砾 低 液 限 黏 土
（CLg），其基本物理性质指标和颗粒级配曲线分 小于某粒径之土质量分数/% 60
别见表 1、图 2。本研究中根据试验要求，风干碾 40
碎土料过 2 mm 筛，但由于土料中以黏粒和粉粒
为主，砾类含量约为 14%，过筛后颗粒特性变化 20
较小，对其物理性质的影响较小；同时，土料冷
0
生构造特性主要受粒径<0.075 mm 的细颗粒土控 100 10 1 0.1 0.01 0.001
制 ［2］ ，因此，本研究中土料的颗粒特性和物理性 粒径/mm
图 2 黏土的颗粒级配曲线
质与现场土料可以保持一致。
通过多年观测资料可知，两河口水电站大坝心墙冬季日最低气温约为-10 ℃，黏土的最大冻结深
度和最长冻结持续时间分别约为 13.0 cm、16 h。黏土的填筑含水率为 16.8%，干密度为 1.81 g/cm ；
3
上限含水率为 20.5%，对应的干密度为 1.67 g/cm 。另外，在大坝心墙土料冬季填筑过程中，不同施
3
工工艺下，已填筑土料约静置一夜至一周，即土样经历的冻融次数约为 1 ~ 5 次。因此，本文根据大
坝心墙土料反复冻融过程中典型的工况条件进行试验设计（表 2）。本次试验方案共 3 组，18 次试验，
初始含水率分别为 16.8%、20.5%，其主要目的是通过对比这两种含水率下试样的冷生构造和水分迁
移 特 性 的 差 异 性 ， 进 一 步 分 析 该 种 差 异 性 对 现 场 土 料 填 筑 过 程 的 影 响 。 冷 冻 温 度 分 别
为-2、-5、-10 ℃，冻融次数分别为 1 次、2 次、5 次。
2.2 试样制备 依据《土工试验方法标准》 （GB/T 50123—1999）中具体规定制备试样：首先，将黏
［31］
土风干、碾碎、过 2 mm 筛，按试验所需含水率配好土样后于密封袋中闷置 24 h，使土颗粒与水分均
匀接触。然后，将土样分层装入不锈钢制样筒 （内径为 61.8 mm，高度为 230 mm） 中，从上、下两
端分别进行压样，且控制每层试样的高度及质量，以保证试样内干密度一致。最终，得到直径为
61.8 mm、高度为 160 mm 的试样，用保鲜膜包裹试样后静置 24 h。一则，使土样内水分分布均匀；二
则，使不同高度处试样的初始温度基本一致，恒定于室温。
2.3 试验方法与步骤 本试验所采用的试验设备主要由冷浴、恒温箱、温度传感器、以及数据采集
系统四部分组成（图 3）。各试验条件下，选择一个试样从上往下间隔 1 cm 均匀布设热敏电阻式温度传
感器（精度为±0.01 ℃），用于测定冻融过程中试样内温度随时间的变化。其中，最下面的温度传感器
距试样底端约 1 cm。试验过程中，采用 CR3000 数据采集仪（由美国 Compell 公司生产）自动采集试样
不同高度处的温度数据，时间间隔为 10 min。将经过恒温的土样放置于试样筒中，并用保温材料包
裹在试样筒周围，以保证试样只在垂直方向发生一维冻结。试样顶端和底端均为温度控制端，底端
温度为 5 ℃，顶端处于变温状态。由冷浴控制顶板和底板温度，冷浴的控温精度为±0.1 ℃。在试验过
程中调节试样顶端温度于不同试验条件下负温，开始进行封闭系统下自上而下的单向冻融试验，首
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