Page 93 - 水利学报2021年第52卷第1期

样下部向上部迁移。随冷冻温度的降低，试样中水分迁移范围不断增大，但含水率的变化量相对较
小（图 9（b））。另外，冻融次数的增加使试样中水分迁移范围和含水率的变化量增大；经 5 次反复冻
融作用后，试样含水率的变化幅度和变化量均较大（图 9（c））。由此可见，随试样初始含水率的增
大、或冷冻温度的降低、或冻融次数的增加，试样含水率的变化量不断增大。
另外，为了研究试样经反复冻融作用后含水率的变化与冷生构造特征之间关系，选取初始含水
率为 16.8%的试样在-5 ℃冷冻温度下经 5 次冻融作用后，不同高度处含水率的分布情况和冷生构造特
征进行分析（图 10）。从图 10（a）中可以发现，在试样受冻融影响的区域，试样的含水率与高度之间成
正比，即试样高度越高，含水率越大，并基本呈线性变化。在试样未受冻融影响的区域，试样的含
水率与高度之间基本成反比，即试样高度越高，含水率越低。主要因为从图 4 可知，试样越靠近底端
的位置，温度相对越高，该位置与试样底端之间形成的温度梯度越小，热流密度较小，从而使水分
迁移速率越小。另外，对比图 10（b）（c）可以发现，试样受冻融影响区域的冷生构造与反复冻融后试
样含水率的分布情况基本一致，即随冻结锋面至试样顶端的距离不断增大，裂缝和分凝冰层的数
量、以及试样含水率均减小。试样最大含水率所处位置对应于顶端薄层状分凝冰分布的位置，且试
样表面分布的薄层冰晶也最多。说明试样经反复冻融作用后含水率的变化与冷生构造特征之间能够
互相验证。
3.4 经反复冻融作用后试样的冻胀变化规律 在封闭系统下单向冻融过程中，试样的冻胀主要是试
样受冻融影响区域的毛细水原位冻结导致的体积膨胀、未受冻融影响区域的水分迁移至受冻融影响
［2］
区域发生冻结形成的分凝冰膨胀、以及未受冻融影响区域的压密固结过程三者综合作用的结果 。以
下就试样的冻胀量与试样的初始含水率、冷冻温度和冻融次数之间的关系进行分析。
试样的冻胀变形通过用游标卡尺测量冻融后试样高度测得。图 11 为试样的冻胀量与不同影响因
素之间的关系。由图可见，与已有文献中开放 ［15，22，29］ 和封闭系统下 ［16-18］ 试样的冻胀量相比，本文中试
样的冻胀量较小。主要由于本次封闭系统下单向冻融试验中试样处于非饱和状态，试样的含水率较
饱和土样小。因此，初始含水率较小的试样原位冻结导致的试样体积的增加量较小，可以忽略原位
冻结造成的冻胀量。由图 9 可知，试样经反复冻融作用后，受影响区域的含水率增大，未受影响区域
的含水率减小。因此，可以认为试样的冻胀机制主要是分凝冰膨胀和未受冻融影响区域的压密固结
过程作用的结果。另外，由于封闭系统下非饱和土样的水分迁移总量较小（图 9），温度恒定时间（图
4）与已有文献［17，22］中相比较短，土中水分来不及充分迁移，分凝冰的平均层厚相对较薄。因
此，试样的冻胀量较小。

0.6
w=16.8% 0.6
w=20.5% N=1
0.5 线性拟合 w=16.8% N=2
线性拟合 w=20.5% 0.5 N=3
线性拟合 N=1
0.4 0.4 线性拟合 N=2
冻胀量/cm 0.3 冻胀量/cm 0.3
线性拟合 N=5
0.2
0.2
0.1
0.1
-
=
℃
5
T T=-5℃
6
1
=
%
8
.
w w=16.8%
0.0
0 1 2 3 4 5 6 0.0
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0
冻融次数（次）
温度/℃
（a） 冻融次数 （b） 冷冻温度
图 11 试样经反复冻融作用后冻胀量与各影响因素之间关系
从图 11（a）中可以看出，两种初始含水率下，随冻融次数的增加，试样的冻胀量均增大；且
冻 胀 量 与 冻 融 次 数 之 间 基 本 成 线 性 关 系 。 另 外 ， 在 相 同 的 冷 冻 温 度 和 冻 融 次 数 下 ， 含 水 率 为
20.5%的试样的冻胀量基本为含水率为 16.8%的试样的 2 倍多。这是因为初始含水率对试样冻胀量
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