Page 94 - 水利学报2021年第52卷第1期

的影响主要是由于水相变成冰引起试样的体积增大，且由图 9（a）可知，初始含水率越大，试样中
水分迁移量越大。结合图 6 可以发现，含水率为 20.5%的试样受冻融影响区域下部分凝冰的平均
层厚较含水率为 16.8%的试样增厚，说明冻胀量的明显增大主要是该区域分凝冰作用的结果。不
同初始含水率下试样的冻胀量与土中水分迁移总量和冷生构造随冻融次数的变化规律基本一致。
从图 11（b）中可以发现，试样的冻胀量随冷冻温度的降低而成倍增大，且冻胀量与冷冻温度之间
基 本 成 线 性 关 系 。 主 要 因 为 ： 一 则 ， 由 图 7 和 图 8 可 见 ， 随 冷 冻 温 度 的 降 低 和 冻 融 次 数 的 增 加 ，
试样受冻融影响区域下部分凝冰的平均层厚增厚；二则，从试样未受冻融影响区域向受冻融影响
区域迁移的水分含量增加（图 9）。说明不同冻融次数下试样的冻胀量与冷生构造、水分迁移总量
随冷冻温度的变化特性基本一致。由此可知，受冻融影响区域下部分凝冰对试样的冻胀起主要贡
献作用。
另外，对比发现初始含水率对试样冻胀量的影响最大，其次为冷冻温度，而冻融次数的影响最
小。这与各影响因素对经反复冻融作用后试样含水率的影响程度基本一致。本研究存在的局限性主
要在于，研究范围较小，只是基于现场特殊的工况条件，对浅冻、较少的冻融次数下试样的冷生构
造和水分迁移特性进行了研究。单向冻融作用下冷生构造的发育及冻胀的产生可能会影响大坝心墙
土料在冬季填筑过程中的填筑压实度，从而可能会影响坝体心墙土料的填筑质量及填筑进度。本研
究可能会对大坝心墙冬季填筑过程中冻融防控方面具有一定的指导作用，尤其当大坝现场日最低气
温低于-5℃时，要特别注意对黏土的冻融防控措施的选择，应在夜间停止施工期间及时覆盖保温材
料，以尽量避免已填土料发生冻结。

4 结论

结合中国两河口水电站大坝心墙冬季施工过程中现场土料短时、高频、浅冻结条件下冻融过
程，在室内封闭系统下进行了不同初始含水率、冷冻温度和冻融次数等单因素影响下重塑非饱和黏
土的反复冻融试验，分析了试样冻结过程中内部温度的变化，且对试样的冷生构造、水分迁移及冻
胀变化规律进行了研究。得出以下主要结论：
（1）在较高的冷冻温度下，试样经短时反复冻融作用后，与已有研究结果相比，试样受影响区域
发育的层状冷生构造分布比较均匀，分凝冰层数量增多，且下部分凝冰的平均层厚较上部增厚，约
为 1 mm，但冷生构造区域划分不明显。
（2）试样冷生构造特性受试样的初始含水率、冷冻温度和冻融次数等影响较大。试样初始含水率
对分凝冰层厚度的变化影响最大。冷冻温度对试样冷生构造的发育和厚度的影响程度不同。冷冻温
度为-5 ℃时，试样的冷生构造发育程度最佳，且受冻融影响区域上、下部分凝冰的平均层厚的差异
最大；而在-10 ℃冷冻温度下，分凝冰的层厚和层状冷生构造的分布都较为均匀。冻融次数对试样冷
生构造的影响表现为累积过程，随着冻融次数的增加，分凝冰层的数量和平均层厚不断增加，且分
凝冰层的厚度和冷生构造的分布更为均匀。
（3）随试样高度的增大，试样受冻融影响区域的含水率线性增大，而未受冻融影响区域的含水率
的变化规律正好相反。且试样顶端 1 cm 范围内含水率最大，薄层状分凝冰层的数量最多。另外，试
样的冻胀量较小，主要由受冻融影响区域分凝冰的膨胀和未受冻融影响区域的压密固结过程两部分
组成，且受冻融影响区域下部分凝冰为试样冻胀量起主要贡献作用。

参 考 文 献：

［ 1 ］ 邱国庆，刘经仁，刘鸿绪 . 冻土学辞典［M］. 兰州：甘肃科学技术出版社，1994 .
［ 2 ］ 徐学祖，王家澄，张立新 . 冻土物理学［M］. 北京：科学出版社，2010 .
［ 3 ］ 许 健 ，王 掌 权 ，任 建 威 ，等 . 原 状 黄 土 冻 融 过 程 渗 透 特 性 试 验 研 究［J］. 水 利 学 报 ，2016，47（9）：

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