压实度对渠基土冻融特性的影响

姜国辉，霍佳苗，于 皓，李玉清

（沈阳农业大学 水利学院，沈阳 110161）

我国季节性冻土区面积占国土的53.5%，约51 370 万hm2，这类地区的土体冬季发生冻结，春季开始消融，且其冻结和融化具有一定的周期性。经历反复冻融会使渠道衬砌出现裂缝、鼓起，甚至发生滑塌，造成了许多经济损失，是季节性冻土区渠系建筑物面临的主要问题之一，当前学者对于渠道冻融破坏的研究已成为热点。GILPIN[1]试验表明，虽然孔隙水大多是冻结的，但仍能通过冻结边缘输送至冻结锋面底部，冰区的水会挤进冰和土壤颗粒间并再次发生冻结。GRAHAMJ等[2]试验指出，渠基土经一次冻融循环后土体原有结构发生显著破坏。ZHANG 等[3]指出冻融循环使石灰粉土强度降至最小。VIKLANDER[4]指出冻融循环使各密度土体均达到稳定的孔隙比。ZHANG 等[5]试验得出冻融次数与混凝土损伤呈正相关。李栋国等[6]通过试验及粗糙集计算得出冻胀力影响因素的排序为：压实度>含水率>温度>含盐量。王大雁等[7]得出首次冻融循环土样变形最显著。

通过压实渠基土可以减小土体孔隙，使土体密度增加，初始含水率降低，从而减小基土的冻胀量，具体灌区采取的压实方法依工程实际情况决定。LONG 等[8]在开放和密闭补给条件下进行了一系列一维冻胀的室内试验，得出对冻胀率的显著影响依次为补水>初始含水量>黏土含量>压实度>上覆荷载。国外相关学者对土体防冻胀影响因素的研究较少，大多是围绕渠基土冻胀机理展开，而我国早在1965年就开展相关研究。吕鸿兴[9]针对西北的渠道冻胀破坏原因及防治措施进行了初步讨论。高明星等[10]通过试验研究得出，含水率不变，随压实度的增加黏性冻土冻胀率逐渐减小，且变化幅度也减小。李文娟等[11]通过冻胀试验得出，冻结过程中，土中水分重分布，冻胀量与含水量成正比，与压实度成反比。李国玉等[12]试验发现土体总变形量随冻融循环次数的增加趋于稳定。严晗等[13]通过室内研究得出，经历冻融循环使压实度较大的试样融化下沉量小于冻胀量。郝佳兴[14]通过试验得出，压实度对压实黄土发生冻融破坏的程度影响较大，施工过程应严格控制压实度。

综上，现阶段国内外学者已对压实度、冻融循环次数等条件对某些类别土体冻胀规律的影响有了一定认识，但仍缺乏经历冻融循环后压实度对低液限粉质黏土冻融特性影响规律的研究，且对多因素作用下冻融规律的影响研究较少。本研究选取盘山灌区渠基土为研究对象，对低液限粉质黏土在多因素(封闭和开放系统、压实度、冻融循环次数)作用下研究压实度对冻结锋面变化、水分迁移规律、土体冻胀量等冻融特性的影响规律，为盘山灌区日后渠道建设提供设计理论依据，也为同类型的灌区灌溉渠道工程设计和冻胀分析提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料及设备

土样取自辽宁省盘山灌区双南支渠，属季节性冻土区。该灌区土壤表层约在11 月中旬开始冻结，实际冻深约0.8 m。灌区渠道走向为N-S，尺寸为：1 600 mm×600 mm×400 mm，坡比1∶1。因灌区不同位置的土体冻深不同，地下水位埋深也不同，在渠基土冻结期间，地下水埋深产生的高度差使土体发生冻胀的类型不同。因此，对盘山灌区渠基土的冻融试验设计分封闭系统和开放系统对照分析。盘山灌区土体在自然条件下的冻结方式为单向冻结，故本冻融试验选取单向冻结条件。

为确保室内试验模拟土的冻融状态与灌区实际情况更贴合，本研究在土壤冻结初期选取双南支渠的一渠段，实地进行现场勘测，处理干净土壤表层杂草，自地面由上至下开挖0.8m取样。在实验室内测得各物理参数见表1，配置重塑土进行压实渠基土冻融试验。

表1 盘山灌区土工试验汇总结果Table 1 Summary of geotechnical tests in Panshan irrigation area

根据GB50145-2007 土的工程分类标准[15]，灌区土中细粒土含量大于50%，且lp≥0.73(ωL-20)，ωL<50%，可得盘山灌区土体分类为低液限粉质黏土，土类代号CL，属强冻胀性土[16]。本试验的主要试验装置为：全自动低温冻融试验机、电热恒温鼓风干燥箱、单向冻融试样桶装置、电子温度传感器、分度值0.01 mm 的位移变化表、电子秤等。

综合考虑确定室内试验几何比尺为1∶10，试验装置图如图1，在试样桶的四周及底部以高密度隔热棉作保温措施，隔热棉的导热系数为0.034W·(m·k)-1，试样顶部不采取保温措施，使试验土体保证单向冻结条件。根据气象条件及实验室可控温度范围确定模型试验温度比尺为1∶1，拟合该灌区近10 年冬季月平均最低气温-16 ℃。根据模型-温度相似比法则[17]Ct·Cτ=Cl·Cl，确定时间比尺为1∶100。约79 d达最大冻深0.8 m，即确定试验时间为18.96 h，降温梯度为-0.84 ℃·h-1。

图1 单向冻融试样桶装置示意图Figure 1 Schematic diagram of one-way freezing-thawing sample barrel device

1.2 方法

压实法能够增加土壤的干密度，使孔隙率和透水性均降低，经二次压实的土阻碍了渠基土中的水分迁移和聚集以削减或消除渠道冻胀的现象。根据《堤防工程施工规范》（SL260-2014）[18]并结合灌区实际情况可得土体压实度在85%以上较为合理，碾压层的铺土层厚度一般是25~30 cm[19-20]。故本试验控制上层3cm 土的压实度分别87%、92%、97%，下层5 cm 为不进行二次压实的原状土作为试验土柱。已有研究证实压实度87%的土在经5次冻融循环后变形趋于稳定[12]，本研究设置一组8 cm均为原状土的对照组，与上层压实下层原状土的土样，经历冻胀1次、冻融2次后再冻胀、冻融4次后再冻胀。试验设12个组别，各组别均设封闭系统和开放系统试验，即24 组试验。为防止偶然误差，确保试验结果的一致性，每组试验均设置3 个平行试样共计72 个土样，以完全相同的条件进行试验，剔除部分不合理数据后再补做一组，使每组试验的相对误差均控制在±1%范围内，将平行试验的结果取平均值，最终得到24 组试验数据。以组别4 封闭系统为例，放置含水率32%，密度1.8 g·cm-3，上层3 cm 压实度为87%，下层5 cm 压实度为82%的原状土样,其试验装置图见图1c，记FB4。其他组别相同，仅改变上层压实度和冻融循环次数。具体设计如表2，其中FB1~FB3、KF1~KF3 为对照组，FB4~FB12、KF4~KF12为试验组。

表2 试验设计Table 2 Experimental design

以组别4为例：（1）将灌区所取土体于试验室进行去杂质、晾晒、烘干、研磨处理。试样桶内壁涂润滑油，由《土工试验方法标准》GB/T50123-2019[21]配置不同压实度的土样并分层填筑到桶内，由下至上依次为原状土及压实度为87%的土样，共8 cm。（2）在土柱从顶部向底部每隔2 cm 设温度传感器，分别监测2,4,6,8 cm 处的内部温度变化，以实时监测温度数据。上侧安置位移变化表，以监测土体冻胀所发生的位移量。（3）试样制作完成后，将试验装置的四周及底部用保温装置附着好，使试验土体自上而下保证单向冻结，开放系统于试样桶下方放置补水装置模拟开放环境，放入冻融试验机中。使位移传感器存在初始读数，记录该读数并于5 ℃恒温养护。（4）试验以-0.84 ℃·h-1为降温速率，从0 ℃开始降温，每隔1 h记录1次温度传感器读数，直至降温至-16 ℃，历时18.96 h。（5）试验结束，读取位移表读数，将土柱取出，测得经冻结后重分布土体的密度及含水率。融化温度设置为室温，为1次冻融循环。整理计算数据，对每组的3个平行试样结果进行对照，控制相对误差范围，每组数据结果取平行试样的平均值，分析不同压实度对土体冻融特性的影响。

2 结果与分析

2.1 一次冻结条件下不同压实度土体冻结锋面变化规律

当土温低于冻结临界值时渠基土冻结，一部分水冻结成冰，冻胀发生。冻土和未冻土间可以移动的接触面称为冻结锋面，其移动速度反映了冻结锋面此时的热平衡状态。土体在冻结期间的温度变化是分析确定土体的冻胀率及冻结深度的关键数据，能更直观地体现出不同系统下各压实度对土体内部温度场的作用效果。试验过程中实时监测温度数据，得到不同压实度粉质黏土冻结过程中内部温度-时间变化曲线（图2）。例如，图2 中高度2 cm 和8 cm 的线分别代表的是土样距顶端2 cm 和土样底部的温度随时间变化情况。不同环境下土体冻结历时变化情况如表3。

图2 不同系统下各压实度土样内部温度-时间变化曲线Figure 2 Temperature-time variation curves of soil samples with different compactness under different systems

表3 各压实度土样的冻结历时情况Table 3 Freezing duration of soil samples with different compactness

由图2可知，各组别不同高度处土体内部温度-时间变化曲线的下降速度均呈先快后慢再快的趋势。在试验初期，土体内温度显著下降，而在临近冻结锋面时，降温趋势渐缓至趋近于0，试验后期温度下降，降温梯度增加，最终接近于试验环境设定的降温梯度-0.84 ℃·h-1。由表3可知，冻结锋面由顶端方向逐步向底端迁移。

2.1.1 封闭系统条件下，不同压实度形成冻结锋面的历时变化规律 由图2a、图2c、图2e和图2g可知，各压实度的土体几乎都在8 h 前后形成冻结锋面；原状土冻结锋面历时为4.00 h，压实后的土体冻结锋面历时较原状土均有所延长，其中压实度97%的土体冻结锋面历时最长为5.16 h。

对封闭系统而言，压实度的增大对冻结锋面的形成时间影响较小；各压实度土样冻结历时不同，代表其在冻结过程中冻结锋面迁移速率有所区别，压实度越大冻结锋面迁移速率越慢，最后相继达冻结最大值，呈稳定状态。

2.1.2 开放系统条件下，不同压实度形成冻结锋面的历时变化规律 由图2b、图2d、图2f和图2h可知，压实度82%和87%的土体在10.6 h 前后形成冻结锋面，而压实度为92%和97%的冻结锋面形成时间分别明显延后为11.67 h 和12.17 h；原状土冻结锋面历时为4.25 h，压实后冻结锋面历时延长，其中压实度97%的土体冻结锋面历时最长为6.08 h。

对比封闭系统与开放系统，同一压实度的土体，开放系统下土体冻结锋面的形成时间较封闭系统下的更长，压实度的增大达一定值时冻结锋面的形成时间明显延后；压实使冻结历时均延长，且比同一压实度下封闭系统的更长，即冻结锋面迁移速率更慢。

2.1.3 相同冻结历时下，不同压实度对冻深的削减效果对比 监测土柱内部各高度处的土体起始冻结时间绘制成曲线图3，并将图3 进行曲线拟合得到各压实度土样在相同冻结历时下的冻深情况如表4。分析结果表明：（1）在冻结过程中，当对照组的土样已冻至最大时，压实度为87%的土样在封闭系统与开放系统下分别削减冻深13.13%、9.38%，经历相同冻结时间，封闭系统与开放系统下压实度92%的土样冻深分别为6.10 cm 与6.45 cm，而压实度为97%的土样在开放系统下的冻深为5.10 cm，使其经压实冻深削减率达36.25%；（2）在外界条件一定且冻结时间相同的情况下，对照原状土，对渠基土进行压实能起到削减冻深的效果，且压实度97%的土样削减效果最好。

图3 土样各高度处起始冻结时间变化Figure 3 Variation of initial freezing time at various heights of soil samples

表4 各压实度土样在相同冻结历时下的冻深情况Table 4 Freezing depth of soil samples with different compaction degrees under the same freezing duration

2.2 不同压实度、不同冻融次数土体水分迁移规律分析

压实度增大导致土体密实度增大，冻结锋面的迁移速率减小，因而土体内部水分迁移速率减慢。在单向冻结条件下，土体表层首先开始冻结，内部土体还未发生冻结，此时土体表层与土体内部未冻区间出现温度梯度，封闭系统下的未冻区水分及在开放系统下的外界水源补给水均向冻结锋面处逐渐迁移，最终导致土体内部各高度处含水率的分布发生改变，出现水分重分布现象。在土体经历不同次数的冻融循环后，冻结结束后快速取出土样并切割，自顶端向底端分别在1 cm上部、3 cm上部、5 cm上部、7 cm上部处测土样各高度处的含水率，与未冻结前进行对比，分析土体内水分重分布的规律，将冻融过程各高度处的含水率变化情况绘成曲线图4。

图4 不同压实度的土体经冻融循环后各高度处的含水率变化Figure 4 The moisture content of soils with different compactness changes at different heights after freeze-thaw cycles

2.2.1 封闭系统下不同压实度、不同冻融次数土体水分迁移规律 由图4 中的封闭系统下曲线FB1~FB12 可知，FB8（封闭系统下压实度92%、冻融2次后再冻胀）和FB11（封闭系统下压实度97%、冻融2次后再冻胀）的含水率曲线变化趋势相似，1 cm 上部、3 cm 上部含水率分别由30.81%、30.65%增加至34.26%、34.25%，而至5 cm上部含水率分别降至31.38%、30.89%，从5 cm上部到7 cm上部含水率变化微小为31.36%、30.80%；各组别不同高度的含水率变化规律相似，均呈现最顶层含水率较初始含水率低，随深度增加含水率逐步增加，达含水率最大值，后又逐渐降低；经历1 次冻胀，压实度87%的土体1 cm 上部、3 cm 上部、5 cm 上部、7 cm 上部处含水率分别为31.34%、33.47%、30.99%、31.75%，冻融2 次后再冻胀分别增加至31.73%、34.01%、31.96%、31.87%，冻融4次后再冻胀分别增加至31.88%、34.05%、32.19%、32.47%。

分析封闭系统下压实度对土体内水分迁移的影响规律可知，经冻融循环后，随压实度增加，土体内部相同高度处的含水率呈下降趋势。经冻融循环后，不同压实度土体各高度的含水率均发生变化，集中表现为含水率向3cm上部冻结锋面附近集中。

2.2.2 开放系统下不同压实度、不同冻融次数土体水分迁移规律 由图4 中的开放系统下曲线KF1~KF12 可知，KF8（开放系统下压实度92%、冻融2 次后再冻胀）和KF11（开放系统下压实度97%、冻融2 次后再冻胀）的含水率曲线变化趋势相似，自1 cm 上部至3 cm 上部处含水率分别由31.42%、31.27%增加至32.99%、32.52%，而至5 cm 上部含水率略微下降至32.49%、32.37%，从5 cm 上部到7 cm 上部含水率变化微小为32.96%、32.71%；土体内部自上至下含水率变化趋势呈1 cm上部至3 cm上部处上升至最大值、后略微下降又上升；由于有外界水进行补给，经多次冻融后，土样底层的含水率最高，且大于土样的初始含水率；土体顶层含水率最低，低于初始含水率；经历1次冻胀，压实度87%的土体1 cm 上部、3 cm 上部、5 cm 上部、7 cm 上部处含水率分别为31.70%、32.93%、32.51%和33.33%，冻融2次后再冻胀分别增加至31.72%、33.08%、32.93%和33.98%，冻融4次后再冻胀分别增加至31.84%、34.16%、33.07%和34.24%。

开放系统下，经冻融循环后，随压实度增加，土体内部相同高度处的含水率呈下降趋势；经历冻融循环后，不同压实度土体各高度的含水率均有增加，集中表现为含水率向3 cm上部冻结锋面及7 cm上部水分补给源处集中；经历冻融循环土体内部发生水分重分布，补给层水源补给的水分迁移高度约至冻结层的50%；经历反复的冻融循环使土体不同高度的含水率均有所上升，且开放系统下各高度处含水率均大于封闭系统，主要原因是冻融循环下外界水分向土样进行迁移。

2.3 冻融后不同压实度变化情况分析

土壤的冻结过程中水分向冻结面迁移并聚集使冻胀发生，而经历多次冻融循环会使土体的孔隙比增加，水分迁移速度更快，但密度减小，造成土体松动。本研究在经历冻融循环的每次冻结之后，分层测出经冻融后不同高度的土体干密度，计算分析土体冻融后的压实度变化情况，研究封闭系统和开放系统下冻融循环对土体压实度的影响。试验得到冻融循环前后的土体压实度变化情况如表5和表6。

表5 封闭系统下冻融后压实度变化情况Table 5 Change of compaction degree after freeze-thaw in closed system

表6 开放系统下冻融后压实度变化情况Table 6 Change of compaction degree after freeze-thaw in open system

2.3.1 在封闭系统条件下，压实度随冻融次数变化情况 由表5 可知，封闭系统下，对照组（未经压实的原状土）冻融4 次后再冻胀，压实度由原来的82%减小为79.48%；压实度87%的土体经2 次冻融后再冻胀相比1 次冻胀，压实度下降0.83%，经4 次冻融后再冻胀相比经2 次冻融后再冻胀，压实度降低0.17%；压实度92%、97%的土体经2次冻融后再冻胀相比1次冻胀，压实度分别下降0.45%、0.41%，经4次冻融后再冻胀相比经2次冻融后再冻胀，压实度分别降低0.14%和0.17%。

因此，封闭系统下得出：经历冻融循环使土体压实度减小；在未发生冻融时，渠基土内的密实度基本呈均匀分布，经反复冻融土体各处孔隙增加不同步，在土体各处孔隙均稳定分布后土体性质基本稳定不变，再次冻融压实度基本不再发生变化，即随冻融循环次数T 增加，冻融循环作用对渠基土压实度的影响程度减小；压实度越大的土体，冻融对其压实度的减小作用越弱。

2.3.2 在开放系统条件下，压实度随冻融次数变化情况 由表6 可知，开放系统下，对照组（未经压实的原状土）冻融4 次后再冻胀，压实度由原来的82%减小为78.49%；压实度87%的土体经2 次冻融后再冻胀相比1 次冻胀，压实度下降0.86%，经4 次冻融后再冻胀相比经2 次冻融后再冻胀，压实度降低0.50%；压实度92%、97%的土体经2次冻融后再冻胀相比1次冻胀，压实度分别下降0.57%、0.42%，经4次冻融后再冻胀相比经2次冻融后再冻胀，压实度分别降低0.33%、0.36%。

在开放系统下得出，土体的压实度相同且经历相同次数的冻融循环后，土体在开放系统下比在封闭系统下的压实度减小更明显，即补水对土体冻融变化的影响显著，在地下水位较高存在外界补水的条件下土体冻胀引发的工程问题更严重，因此在实际工程中应谨慎处理好地下水处理等工作；经历冻融循环对土体本身的结构具有弱化作用，故经历多次冻融对压实度减小作用减弱；对土体进行二次压实可以明显减轻冻融破坏的发生程度，开放系统下表现更明显。

2.4 不同压实度、不同冻融次数对土体冻胀量及冻胀率规律分析

压实度越大的土体，内部孔隙比越小，冻融对其压实度的减小作用越弱，冻胀量越小。反复经历冻胀使土体逐渐趋于稳态，一般情况下，冻胀率用以体现土体冻胀性强弱。公式为：

式中：η为冻胀率(%)；Δh为冻胀量(mm)；H为冻深(mm)。

随压实度增加土体冻胀率显著降低，后趋于平稳。经历不同次数冻融循环后分别读取冻胀后土样冻胀量数值并计算冻胀率及冻胀削减率见表7 和表8。表7 为封闭系统数据，表8 为开放系统数据。并将土体的冻胀率随压实度变化情况绘制成曲线图5。

图5 经冻融土体冻胀率随压实度变化规律Figure 5 Variation of frost heave rate of freezing-thawing soil with compaction degree

表8 开放系统下试验分析结果Table 8 Experimental analysis results under open system

2.4.1 在封闭系统条件下，不同压实度、不同冻融次数土壤冻胀率的变化情况 由表7 及图5a 可知，试验测得经历冻胀1次，封闭系统下压实度82%的原状土冻胀率为6.50%，而压实度为97%的土体冻胀率最小为3.63%；经4次冻融后再冻胀使得压实度82%冻胀率为8.13%，压实度97%的土体冻胀率最小为4.38%；对比原状土，试验测得经4次冻融后再冻胀的封闭系统下压实度87%的渠基土冻胀量相比于原状土冻胀量减小18.46%，而压实度92%和97%的渠基土冻胀量相比于原状土冻胀量各减小35.38%和46.15%。

在封闭系统条件下，压实度一定时，渠基土的冻胀率随冻融次数的增加而增长，最终逐渐趋于固定值；冻融次数一定时压实度增加使渠基土密度变大、冻胀率变小；压实度97%对减小冻胀量的效果良好。

2.4.2 在开放系统条件下，不同压实度、不同冻融次数土壤冻胀率的变化情况 由表8及图5b可知，试验测得经历冻胀1次，开放系统下压实度82%的原状土冻胀率为8.13%，而压实度为97%的土体冻胀率最小为4.75%；经4 次冻融后再冻胀使得压实度82%冻胀率为10.00%，压实度97%的土体冻胀率最小为5.63%；对比原状土，试验测得经4次冻融后再冻胀的开放系统下压实度87%的渠基土冻胀量相比于原状土冻胀量减小16.25%，而压实度92%和97%的渠基土冻胀量相比于原状土冻胀量各减小33.75%和40.00%。

开放系统条件下，压实度一定时，冻融次数与冻胀率呈正相关；压实度与冻胀率呈负相关，且渠基土在开放系统下的冻胀率比封闭系统下的高，土体发生冻融破坏主要原因是水分的迁移及冻结，是否有外界水源补给是冻胀强弱的基本条件；压实度92%与97%对减小冻胀量的效果相差不大且均较良好。

3 讨论与结论

本研究以渠基土的压实度、冻融循环次数以及补水条件为变量，在单向冻结的试验条件下分析了压实度对低液限粉质黏土冻融特性的影响规律。

在封闭系统条件下，压实度的增大对冻结锋面的形成时间影响较小，压实度97%的土体冻结锋面历时最长为5.16 h；冻结锋面的迁移速率减小，故土体内部水分迁移速率减慢，经冻融循环后不同压实度土体内部含水率集中表现为含水率向3 cm上部冻结锋面附近集中；经历多次冻融循环使土体水分迁移速度更快，但密度减小，而压实度97%的土样经冻融后土体性质基本稳定不变；经4次冻融后再冻胀，压实度97%的渠基土冻胀量相比于原状土冻胀量减小46.15%，压实对冻胀的削弱效果明显。所以，渠基土选取压实度97%时抗冻胀效果最好。

在开放系统条件下，由于随压实度增加，对冻结锋面的影响逐渐降低最终趋于稳定；对于其他条件相同的情况下，同一压实度的土体，开放系统下冻结锋面的形成时间长，冻结锋面历时更长，这与王思文等[22]研究的不同初始含水率对单一压实度土体冻结速率的影响所得规律相符，本研究对不同压实度低液限粉质黏土冻融特性分析，得出经4 次冻融后再冻胀压实度为92%与97%时土体内部含水率分布情况相似。试验得到压实度92%的土样经4次冻融后再冻胀土体性质已基本趋于稳定；经4次冻融后再冻胀，压实度92%和97%的渠基土冻胀量相比于原状土冻胀量分别减小33.75%和40.00%，冻胀率与压实度呈负相关，与冻融循环次数呈正相关，这与闫垒等[23]在封闭系统下对黄土冻融特性研究所得规律一致；由于经4 次冻融后再冻胀，压实度为92%与97%土体性质相近。因此，兼顾实际施工条件以及经济效益，建议选取压实度为92%最合理。

本研究通过控制渠基土压实度的方法减轻渠道冻胀破坏，为实际渠道工程的防冻胀设计工作提供了理论依据，兼顾工程造价，未来还可研究控制压实度结合在渠道衬砌下添加保温板以达到防冻胀效果。