Page 89 - 水利学报2021年第52卷第1期

时冻结结束。温度随时间的变化过程大致可以分为三个阶段。阶段Ⅰ，快速降温阶段，在冻结初期（0 ~
600 min），试样降温速率较大；阶段Ⅱ（600 ~ 2000 min），缓慢降温阶段，降温速率相对较小；阶段
Ⅲ ， 稳 定 阶 段（2000 min 之 后）， 表 层 温 度 基 本 恒 定 于 -5 ℃ 。 由 于 本 次 试 验 中 试 样 的 冷 冻 温 度
为-5 ℃，底端温度为 5 ℃，温度梯度相对较小，因此，前两个阶段内试样的降温速率较慢、降温时
间较长，说明本次试验中试样的冻结速率较慢；另外，试样的冻结时间较短，且在阶段Ⅲ内温度稳
定时间相对更短。
3.2 经反复冻融作用后试样的冷生构造特征分析 为更好的对比分析试样的冷生构造特征，均选取
试样中间部分水平方向宽度为 3 cm，高度为 10 cm 的区域进行研究。
为了分析试验后试样冷生构造的总体特征，选
取初始含水率为 20.5%的试样在-5 ℃冷冻温度下经
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5 次反复冻融作用后冷生构造发育情况进行分析（图
5）。图右中黑色部分为分凝冰。由图可见，试样冷 14
生构造按试样是否受冻融作用影响分为受影响区域
的水平层状构造和未受影响区域的整体状构造。受影 13
响区域层状构造整体上分布比较均匀，为薄层状，且 12
下部分凝冰的平均层厚较上部增厚，约为 1 mm。但
与已有 研 究 结 果 ［15，21-22］ 相 比 ， 分 凝 冰 层 的 数 量 增 试样高度/cm 11
多，冷生构造区域划分不明显。试样受冻融影响区
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域上部分凝冰分布密集；裂缝数量较多、间距小，
基 本 成 水 平 的 线 ； 且 试 样 表 面 分 布 大 量 的 薄 层 冰 9
晶。受冻融影响区域下部裂缝宽度变宽，且该层下
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部边缘与未受冻融影响区域相连。由此可见，在试
样 受 冻 融 影 响 的 区 域 ， 自 上 而 下 裂 缝 宽 度 逐 渐 变 7
宽、分凝冰层厚度逐渐增厚、分凝冰层间间距逐渐
增大，但三者的变化幅度均较小。另外，在大坝心
墙冬季土料的填筑过程中，层状冷生构造的产生可 图 5 初始含水率为 20.5%的试样在-5℃冷冻温度下
经 5 次反复冻融作用后冷生构造照片（图左）和二值
化后照片（图右）
能会使土料的填筑压实度达不到设计要求，将会对
大坝心墙的渗透性和坝体的稳定性构成严重威胁，从而可能会影响大坝的施工质量和安全性。
3.2.1 不同初始含水率下试样的冷生构造特征分析 图 6 为不同初始含水率下试样在-5 ℃冷冻温度
下经 5 次反复冻融作用后试样的冷生构造和二值化后照片。
对比照片可以发现，含水率为 16.8%和 20.5%的试样在相同冷冻温度下经相同次数的冻融作用
后，试样表面冻结锋面的位置基本相同，距试样顶端约 6.0 cm。但两种初始含水率下试样受冻融影响
区域冷生构造特征存在明显的差异，主要表现在：前者分凝冰层的厚度和层状冷生构造的分布都较
后者均匀；但后者受冻融影响区域上部分凝冰的数量明显较前者增多，下部厚度约为 1 mm 的分凝冰
层数量较前者增加、厚度较前者增厚，且上、下部分凝冰的平均层厚的差异更大。另外，后者试样
表面裂缝数量较前者多、且略宽于前者，试样的破坏程度也较前者大。由此可知，初始含水率对试
样冻结锋面位置的影响程度不大，但对冷生构造特征的影响程度较大，且初始含水率与裂缝的数量和
宽度、分凝冰的平均层厚基本成正比。这是由于试样初始含水率较大时，试样的导热系数较大，试样
内部传热速度较快，从而加快冻结锋面的下移速率；但同时初始含水率较大的土样内部相变热较大，
使冻结锋面的下移速率减小。因此，在导热系数及相变热的综合作用下，两种初始含水率下试样的冻
结锋面位置差不多。这与已有文献 ［26］ 中研究结果一致。

3.2.2 不同冷冻温度下试样的冷生构造特征分析 图 7 显示了初始含水率为 16.8%的试样在不同冷冻
温度下经 5 次反复冻融作用后试样的冷生构造和二值化后照片。对比照片可以看出，试样受冻融影响
的区域内冷生构造特征不同：（1）不同冷冻温度下，层状冷生构造的分布和分凝冰层厚的均匀性不

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