肖東輝+馬巍+趙淑萍+張澤+馮文杰+張蓮海

摘 要：在季節(jié)凍土區(qū)，土體內(nèi)部孔隙水壓力和水分含量受凍融循環(huán)和外部荷載的影響.通過(guò)模型試驗(yàn)，利用孔隙水壓力傳感器和水分傳感器對(duì)凍融與靜荷載雙重作用下黃土內(nèi)部的孔隙水壓力和水分含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到不同深度處孔隙水壓力和水分含量的變化過(guò)程.結(jié)合靜荷載的應(yīng)力場(chǎng)，進(jìn)一步分析孔隙水壓力和水分含量的空間變化規(guī)律.試驗(yàn)結(jié)果表明：在凍融與靜荷載雙重作用的初期，土體內(nèi)部孔隙水壓力快速增大；之后，孔隙水壓力開(kāi)始隨溫度呈周期性變化.在一個(gè)凍融周期內(nèi)，土體內(nèi)部孔隙水壓力和水分含量都隨溫度的升高而增大，隨溫度的降低而減小，而且孔隙水壓力和水分都隨溫度的變化而表現(xiàn)出滯后性.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙水壓力在荷載下方和兩側(cè)形成三個(gè)集中區(qū)；水分則在荷載下方形成高含水量區(qū)，在荷載兩側(cè)形成低含水量區(qū).通過(guò)對(duì)靜荷載產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，土體內(nèi)部孔隙水壓力和水分場(chǎng)的空間分布與靜荷載產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)有密切關(guān)系.

關(guān)鍵詞：凍融循環(huán)；靜荷載；模型試驗(yàn)；孔隙水壓力；應(yīng)力；溫度

中圖分類號(hào)：TU411.93文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

季節(jié)凍土區(qū)土體經(jīng)歷著反復(fù)的凍結(jié)和融化過(guò)程，這種以年為周期的凍融循環(huán)作用是導(dǎo)致季節(jié)凍土區(qū)工程病害問(wèn)題的重要原因之一[1-3].而這些病害的形成與土體內(nèi)部水分的變化有著密切關(guān)系[4-5].大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)證明凍融過(guò)程中有水分遷移的存在，凍土中的水分遷移與凍結(jié)緣中土水勢(shì)梯度有關(guān)，而該梯度主要取決于土質(zhì)、凍結(jié)速度和凍脹速度等因素[6].在凍結(jié)過(guò)程中水分向凍結(jié)鋒面遷移，在融化過(guò)程中水在自重作用下向凍結(jié)前的位置遷移，但是由于土的阻滯力作用，水分不能返回原位置，導(dǎo)致土體內(nèi)部水分的重分布[7-10].

在凍融循環(huán)過(guò)程中，土體內(nèi)部的水分遷移與孔隙水壓力變化有著直接關(guān)系[11-12].國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)凍融過(guò)程中的孔隙水壓力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：凍融循環(huán)過(guò)程中土體內(nèi)部的孔隙水壓力變化受溫度、凍結(jié)速率、凍融循環(huán)次數(shù)以及土質(zhì)等因素的影響[13]；當(dāng)溫度下降到凍結(jié)點(diǎn)以下時(shí)，孔隙水壓力下降為負(fù)值；當(dāng)溫度升高到凍結(jié)點(diǎn)以上時(shí)，孔隙水壓力快速升高為正值[14]；通過(guò)X射線圖片收集冰透鏡體的形成過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在凍結(jié)前緣穩(wěn)定以后不久產(chǎn)生了較大的孔隙水壓力，孔隙水壓力的峰值與溫度的峰值同步[15].對(duì)凍結(jié)緣附近的孔隙水壓力進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)孔隙水壓力梯度是水分向凍結(jié)鋒面遷移的驅(qū)動(dòng)力，而有效應(yīng)力的增加則導(dǎo)致凍結(jié)鋒面處的固結(jié)[16].當(dāng)施加荷載時(shí)，普通未凍結(jié)土的孔隙水壓力會(huì)立即達(dá)到峰值高度，而凍土需要一定時(shí)間才能達(dá)到峰值[17].

目前，對(duì)于凍結(jié)和融化過(guò)程中水分遷移和孔隙水壓力變化的研究大都集中在無(wú)荷載的小土樣試驗(yàn)上，基于大土樣的模型試驗(yàn)、研究荷載作用對(duì)土體中水分遷移和孔隙水壓力變化的影響研究還不多.本文基于模型試驗(yàn)研究在凍結(jié)和融化過(guò)程中靜荷載作用下土體中水分和孔隙水壓力的變化過(guò)程.針對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理、影響因素及其發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究，以期為寒區(qū)工程提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)土樣的物理參數(shù)

本次模型試驗(yàn)用土為蘭州黃土（36°01′14″N， 103° 50′15″E，海拔1 624 m），采樣地點(diǎn)屬于季節(jié)凍土區(qū).按照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土樣的液塑限、密度、最大干密度、含水量等物理性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示，土樣顆粒分析結(jié)果如圖1所示.

孔隙水壓力快速增大之后，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加，孔隙水壓力開(kāi)始呈周期性變化，但是不同位置處的孔隙水壓力表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì).從圖7中可以看出，由于d1和d2處于荷載正下方，同一深度土體的孔隙受擠壓變形較大，孔隙面積越小，所以d1和d2位置處的孔隙水壓力分別大于e1，f1和e2，f2位置處的孔隙水壓力；而d3位置在荷載和土體自重作用下，土體孔隙受擠壓變形嚴(yán)重，孔隙內(nèi)水分受擠壓而排出，導(dǎo)致d3位置處的孔隙水壓力小于e3和f3位置處的孔隙水壓力.d位置上的孔隙水壓力隨深度的增加先增大，后減??；e和f位置上的孔隙水壓力則隨深度的增加，始終呈增大的趨勢(shì).同一深度橫向比較發(fā)現(xiàn)d1，e1，f1位置處的孔隙水壓力變化趨勢(shì)相似，都是先快速增大，然后趨于穩(wěn)定的周期性變化；d2，e2，f2位置處的孔隙水壓力在快速增大后，都呈周期性變化，但d2位置處的孔隙水壓力整體上呈緩慢增大的趨勢(shì)；d3位置處的孔隙水壓力始終呈近似于線性的增大趨勢(shì)，e3和f3位置處的孔隙水壓力在快速增大后，整體上都呈緩慢增大的周期性變化.

綜上所述，靜荷載和凍融循環(huán)雙重作用下土體內(nèi)部孔隙水壓力變化可分兩個(gè)階段：快速增大階段和周期性緩慢增大階段.在開(kāi)始階段，孔隙水壓力主要受土體自重和靜荷載的影響，此時(shí)土體內(nèi)部孔隙水壓力呈快速增大趨勢(shì)；之后，靜荷載對(duì)土體作用趨于穩(wěn)定，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙水壓力開(kāi)始隨溫度呈周期性穩(wěn)定變化或者周期性緩慢增大.

2.3 水分變化

本次模型試驗(yàn)由于水分?jǐn)?shù)據(jù)采集儀的問(wèn)題導(dǎo)致前兩個(gè)周期水分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，所以水分?jǐn)?shù)據(jù)從第三周期開(kāi)始，土體內(nèi)部水分變化如圖8所示.從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體內(nèi)部水分呈周期性變化.在凍融初期，由于凍融循環(huán)作用和補(bǔ)水系統(tǒng)的存在，導(dǎo)致水分向土體上部遷移，土體內(nèi)部1，2位置處的含水量明顯高于初始含水量；3位置處的含水量與初始含水量接近.沿深度方向，土體內(nèi)部各位置處的含水量變化為：d和g位置處的含水量隨深度的增加而減?。籩和f位置處的含水量隨深度的增加先增加，后減小.沿同一深度方向，d1g1位置處的含水量呈先減小，后增大的趨勢(shì)；d2f2位置處的含水量基本保持不變，但g2位置處的含水量明顯小于d2f2位置處的含水量；d3g3位置處的含水量則始終呈減小的趨勢(shì).

由于d位于荷載正下方，在荷載應(yīng)力和自重應(yīng)力作用下，土體孔隙受擠壓變形，孔隙面積減小，孔隙的毛細(xì)力增大，土體的持水性增強(qiáng)，在凍融作用下，水分向上遷移，并在1位置處聚集，導(dǎo)致1位置處的水分含量最高；而g位于土體邊緣，荷載應(yīng)力影響較弱，孔隙持水性較差，水分在自重作用下向下遷移，導(dǎo)致g位置處的水分含量沿深度方向呈減小趨勢(shì).同理，e和f位于荷載邊緣，荷載橫向應(yīng)力作用導(dǎo)致e2和f2位置處的孔隙面積減小，孔隙的毛細(xì)力增大，土體的持水性增強(qiáng)；而e1和f1位置處的荷載橫向應(yīng)力影響較弱，孔隙毛細(xì)力較小，土體的持水性較差，水分在自重作用下向下遷移，導(dǎo)致e2和f2位置處的水分含量增大，而e1和f1位置處的水分含量減小.土體底部3位置處的水分含量與土樣的初始含水量比較接近，原因是土體自重應(yīng)力導(dǎo)致土體孔隙擠壓變形嚴(yán)重，孔隙容積減小，水分充填于孔隙內(nèi)部，導(dǎo)致底部水分含量變化不大.

2.4 荷載下方孔隙水壓力和水分變化

保溫試驗(yàn)箱內(nèi)荷載下方土體的溫度、孔隙水壓力和水分隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變化.選取處于荷載正下方中線d位置處的溫度、孔隙水壓力和水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示.其中T表示溫度，P表示孔隙水壓力，W表示含水量.選擇周期性較好的第7周期進(jìn)行單周期分析發(fā)現(xiàn)，荷載下方的孔隙水壓力和水分含量隨溫度的變化相似.在d1，d2位置，當(dāng)溫度從最大值下降到最小值時(shí)，孔隙水壓力和水分含量都是先增大，后減?。划?dāng)溫度從最低值升高到最大值時(shí)，孔隙水壓力和水分含量則都是先減小，后增大，隨著溫度的變化，孔隙水壓力和水分含量的變化具有一致性.d3位置處由于溫度變化幅度較小，而且靜荷載作用影響較弱，導(dǎo)致孔隙水壓力和水分的變化規(guī)律不明顯.孔隙水壓力隨溫度的變化與土中水的毛細(xì)勢(shì)和吸附勢(shì)變化有關(guān)：毛細(xì)勢(shì)和冰水界面的曲率半徑有關(guān)，曲率半徑越大，毛細(xì)勢(shì)越大，孔隙水壓力越大；吸附勢(shì)和未凍水膜的厚度有關(guān)，未凍水膜的厚度越大，吸附勢(shì)越大，孔隙水壓力越大.溫度升高，土體內(nèi)的毛細(xì)勢(shì)和吸附勢(shì)均增大，孔隙水壓力增大，反之，孔隙水壓力減小.

從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，d1和d2位置處的孔隙水壓力和水分含量隨溫度的變化具有滯后性.孔隙水壓力表現(xiàn)出滯后性的原因是，降溫過(guò)程中，土體內(nèi)的毛細(xì)勢(shì)和吸附勢(shì)均變小，孔隙水壓力減小，當(dāng)溫度降低到冰點(diǎn)以下時(shí)，土體內(nèi)部發(fā)生冰水相變，水凍結(jié)成冰，土體孔隙中的自由水含量降低，孔隙水壓力進(jìn)一步減小，由于土體孔隙中自由水含量的最低值是在最大凍結(jié)深度出現(xiàn)時(shí)，所以在最大凍結(jié)深度出現(xiàn)之前，孔隙水壓力將持續(xù)減小，因?yàn)樽畲髢鼋Y(jié)深度在最低溫度之后，所以孔隙水壓力相對(duì)于溫度變化具有滯后性；隨著溫度的升高，土體內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)鋒面開(kāi)始向上移動(dòng)，冰開(kāi)始相變成水，首先導(dǎo)致土體內(nèi)部未凍水含量升高，孔隙水壓力增大，然后隨著溫度的進(jìn)一步升高，土體內(nèi)部自由水含量開(kāi)始快速升高，孔隙水壓力將繼續(xù)增大，但是由于冰完全融化成水需要一定時(shí)間，當(dāng)溫度達(dá)到最大值時(shí)，土體內(nèi)的冰沒(méi)能完全融化，土體內(nèi)自由水含量未達(dá)到最大值，孔隙水壓力也未達(dá)到最大值，所以孔隙水壓力的最大值在最高溫度之后.同理，由于孔隙水壓力的變化與水分含量有著直接關(guān)系，所以隨著溫度的變化，水分含量的變化也具有滯后性.

由于d位于荷載正下方，在荷載應(yīng)力和自重應(yīng)力作用下，土體孔隙受擠壓變形，孔隙面積減小，孔隙的毛細(xì)力增大，土體的持水性增強(qiáng)，在凍融作用下，水分向上遷移，并在1位置處聚集，導(dǎo)致1位置處的水分含量最高；而g位于土體邊緣，荷載應(yīng)力影響較弱，孔隙持水性較差，水分在自重作用下向下遷移，導(dǎo)致g位置處的水分含量沿深度方向呈減小趨勢(shì).同理，e和f位于荷載邊緣，荷載橫向應(yīng)力作用導(dǎo)致e2和f2位置處的孔隙面積減小，孔隙的毛細(xì)力增大，土體的持水性增強(qiáng)；而e1和f1位置處的荷載橫向應(yīng)力影響較弱，孔隙毛細(xì)力較小，土體的持水性較差，水分在自重作用下向下遷移，導(dǎo)致e2和f2位置處的水分含量增大，而e1和f1位置處的水分含量減小.土體底部3位置處的水分含量與土樣的初始含水量比較接近，原因是土體自重應(yīng)力導(dǎo)致土體孔隙擠壓變形嚴(yán)重，孔隙容積減小，水分充填于孔隙內(nèi)部，導(dǎo)致底部水分含量變化不大.

2.4 荷載下方孔隙水壓力和水分變化

保溫試驗(yàn)箱內(nèi)荷載下方土體的溫度、孔隙水壓力和水分隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變化.選取處于荷載正下方中線d位置處的溫度、孔隙水壓力和水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示.其中T表示溫度，P表示孔隙水壓力，W表示含水量.選擇周期性較好的第7周期進(jìn)行單周期分析發(fā)現(xiàn)，荷載下方的孔隙水壓力和水分含量隨溫度的變化相似.在d1，d2位置，當(dāng)溫度從最大值下降到最小值時(shí)，孔隙水壓力和水分含量都是先增大，后減??；當(dāng)溫度從最低值升高到最大值時(shí)，孔隙水壓力和水分含量則都是先減小，后增大，隨著溫度的變化，孔隙水壓力和水分含量的變化具有一致性.d3位置處由于溫度變化幅度較小，而且靜荷載作用影響較弱，導(dǎo)致孔隙水壓力和水分的變化規(guī)律不明顯.孔隙水壓力隨溫度的變化與土中水的毛細(xì)勢(shì)和吸附勢(shì)變化有關(guān)：毛細(xì)勢(shì)和冰水界面的曲率半徑有關(guān)，曲率半徑越大，毛細(xì)勢(shì)越大，孔隙水壓力越大；吸附勢(shì)和未凍水膜的厚度有關(guān)，未凍水膜的厚度越大，吸附勢(shì)越大，孔隙水壓力越大.溫度升高，土體內(nèi)的毛細(xì)勢(shì)和吸附勢(shì)均增大，孔隙水壓力增大，反之，孔隙水壓力減小.

從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，d1和d2位置處的孔隙水壓力和水分含量隨溫度的變化具有滯后性.孔隙水壓力表現(xiàn)出滯后性的原因是，降溫過(guò)程中，土體內(nèi)的毛細(xì)勢(shì)和吸附勢(shì)均變小，孔隙水壓力減小，當(dāng)溫度降低到冰點(diǎn)以下時(shí)，土體內(nèi)部發(fā)生冰水相變，水凍結(jié)成冰，土體孔隙中的自由水含量降低，孔隙水壓力進(jìn)一步減小，由于土體孔隙中自由水含量的最低值是在最大凍結(jié)深度出現(xiàn)時(shí)，所以在最大凍結(jié)深度出現(xiàn)之前，孔隙水壓力將持續(xù)減小，因?yàn)樽畲髢鼋Y(jié)深度在最低溫度之后，所以孔隙水壓力相對(duì)于溫度變化具有滯后性；隨著溫度的升高，土體內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)鋒面開(kāi)始向上移動(dòng)，冰開(kāi)始相變成水，首先導(dǎo)致土體內(nèi)部未凍水含量升高，孔隙水壓力增大，然后隨著溫度的進(jìn)一步升高，土體內(nèi)部自由水含量開(kāi)始快速升高，孔隙水壓力將繼續(xù)增大，但是由于冰完全融化成水需要一定時(shí)間，當(dāng)溫度達(dá)到最大值時(shí)，土體內(nèi)的冰沒(méi)能完全融化，土體內(nèi)自由水含量未達(dá)到最大值，孔隙水壓力也未達(dá)到最大值，所以孔隙水壓力的最大值在最高溫度之后.同理，由于孔隙水壓力的變化與水分含量有著直接關(guān)系，所以隨著溫度的變化，水分含量的變化也具有滯后性.

從圖11中可以發(fā)現(xiàn)隨著深度的增加，縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力都減小.縱向應(yīng)力主要集中在靜荷載下方，而橫向應(yīng)力則集中在靜荷載兩側(cè)的土體.

3.2 孔隙水壓力的變化云圖

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，荷載和無(wú)荷載兩種條件下，土體縱向剖面上的孔隙水壓力變化如圖12所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)凍融循環(huán)周期內(nèi)，溫度越高，孔隙水壓力越大，反之，孔隙水壓力越小，這主要和土體內(nèi)部孔隙內(nèi)自由水的毛細(xì)勢(shì)和未凍水膜的吸附勢(shì)有關(guān).

在無(wú)荷載條件下，如圖12（a）所示.由于孔隙水壓力傳感器的布設(shè)范圍為（-23.3～23.3 cm），而土體寬度范圍為（-35～35 cm），導(dǎo)致土體兩側(cè)（-35～23.3 cm）和（23.3～35 cm）范圍內(nèi)的孔隙水壓力由插值得到，誤差較大，可以忽略，不予分析，即僅分析（-23.3～23.3 cm）范圍內(nèi)的孔隙水壓力變化.從圖12（a）中可以發(fā)現(xiàn)，在土體底部，由于土體自重應(yīng)力的影響，導(dǎo)致底部孔隙水壓力較大，而上部孔隙水壓力較小.隨著凍融次數(shù)的增加，孔隙水壓力逐漸增大，這與土體內(nèi)部水分的遷移有關(guān).

在荷載條件下，隨著深度的增加，土體自重開(kāi)始影響土體內(nèi)的孔隙水壓力，而且土體內(nèi)部的水分場(chǎng)也發(fā)生變化，導(dǎo)致荷載下方孔隙水壓力的最大值并不是在靠近荷載的位置，而是在荷載下方20 cm處.從圖12（b）中還可以發(fā)現(xiàn)在荷載兩側(cè)30 cm深度處也有孔隙水壓力集中區(qū)域，這是因?yàn)楹奢d兩側(cè)土體在荷載橫向應(yīng)力和土體自重共同作用下，擠壓變形，導(dǎo)致兩側(cè)土體孔隙面積減小，形成孔隙水壓力集中區(qū)，但是由于荷載兩側(cè)橫向應(yīng)力相對(duì)于縱向應(yīng)力較弱，荷載兩側(cè)的孔隙水壓力集中區(qū)域的位置比荷載下方孔隙水壓力集中區(qū)域的位置更深.通過(guò)圖11和圖12對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，靜荷載產(chǎn)生的橫向應(yīng)力在土體內(nèi)部的分布與孔隙水壓力的分布相似，說(shuō)明靜荷載兩側(cè)的孔隙水壓力與其在土體內(nèi)產(chǎn)生的橫向應(yīng)力有關(guān).隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體內(nèi)水分向凍結(jié)鋒面遷移，并在土體內(nèi)部發(fā)生重分布，導(dǎo)致土體內(nèi)部孔隙水壓力集中區(qū)域的面積有逐步擴(kuò)大的趨勢(shì).

綜上所述，在凍融循環(huán)條件下，靜荷載產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)影響著孔隙水壓力在土體內(nèi)部的空間分布，而且一定程度上影響著水分的空間分布；凍融作用則通過(guò)影響土體內(nèi)水分的遷移和重分布來(lái)影響孔隙水壓力的大小.所以，在凍融作用下，土體內(nèi)部孔隙水壓力自下而上逐漸增大，而在凍融和靜荷載雙重作用下，土體內(nèi)孔隙水壓力集中在荷載下方20 cm處和荷載兩側(cè)30 cm深度處，而且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙水壓力也呈增大的趨勢(shì).

3.3 水分場(chǎng)的變化云圖

無(wú)荷載條件下，土體內(nèi)部的水分場(chǎng)變化如圖13（a）所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，凍融第一周期到第七周期，土體上部顏色逐漸變淺，說(shuō)明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體內(nèi)部水分含量變大，而且在距表層0～20 cm范圍內(nèi)形成2個(gè)面積較大、含水量較高的區(qū)域.土體內(nèi)部含水量出現(xiàn)這種變化的原因是在凍結(jié)過(guò)程中，根據(jù)熱脹冷縮原理，土體內(nèi)部所有成分在溫度下降時(shí)體積收縮，形成真空地帶，在這種真空吸力作用下，土體下部水分向上遷移，隨著凍融次數(shù)的增加，土體上部水分含量開(kāi)始逐漸增大.

靜荷載條件下，由于水分?jǐn)?shù)據(jù)采集儀的問(wèn)題導(dǎo)致前兩個(gè)周期水分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，所以從第三周期開(kāi)始討論土體內(nèi)部的水分場(chǎng)的變化.從圖13（b）中可以發(fā)現(xiàn)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體內(nèi)部距土表層20 cm內(nèi)的水分含量增大，原因是在凍結(jié)過(guò)程中水分向凍結(jié)鋒面遷移，在融化過(guò)程中水在自重作用下向凍結(jié)前的位置遷移，但是由于土的阻滯力作用，水分不能返回原位置，導(dǎo)致土體內(nèi)部水分的重分布.從圖13（b）中可以發(fā)現(xiàn)，在荷載正下方有一個(gè)水分集中區(qū)；在荷載兩側(cè)，距表層10 cm處有兩個(gè)低含水量區(qū)，距表層20 cm位置處則有兩個(gè)水分含量較大區(qū)域.荷載下方出現(xiàn)水分含量集中區(qū)域的原因是靜荷載的擠壓作用導(dǎo)致荷載下方土體內(nèi)部孔隙面積減小，土體孔隙的毛細(xì)力增大，在凍結(jié)過(guò)程中，土體下部水分更快向上遷移，在荷載下方形成高含水量區(qū).荷載兩側(cè)距表層10 cm處出現(xiàn)低含水量區(qū)域的原因是荷載兩側(cè)的土體受荷載擠壓變形，孔隙內(nèi)水分向下遷移，導(dǎo)致荷載兩側(cè)含水量低，而且由于荷載兩側(cè)縱向應(yīng)力較弱，孔隙毛細(xì)力較小，隨著凍融循環(huán)作用的進(jìn)行，孔隙毛細(xì)力的吸水作用較弱，導(dǎo)致水分向上遷移量減小，形成低含水量區(qū)域.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水分向凍結(jié)鋒面遷移，導(dǎo)致低含水量區(qū)域的面積逐漸減??；在距荷載較遠(yuǎn)的位置，由于荷載作用較弱，土體孔隙擠壓變形較弱，水分向上遷移量大，導(dǎo)致保溫試驗(yàn)箱壁與土體表層交匯處出現(xiàn)水分集中區(qū)域.

圖13 無(wú)荷載、荷載條件下土體表層溫度極值時(shí)水分場(chǎng)變化

Fig.13 Moisture fields changing on the temperature extremes of soil surface under conditions of no load and load

4 結(jié) 論

1）凍融和靜荷載雙重作用下土體內(nèi)部孔隙水壓力變化可分兩個(gè)階段：快速增大階段和周期性緩慢增大階段.

2）在一個(gè)凍融周期內(nèi)，孔隙水壓力和水分含量都隨溫度的升高而增大，隨溫度的降低而減小；孔隙水壓力和水分含量隨溫度的變化表現(xiàn)出一致性，而且相對(duì)于溫度變化，孔隙水壓力和水分含量的變化都具有滯后性.

3）凍融作用導(dǎo)致土體內(nèi)部孔隙水壓力和水分含量隨凍融次數(shù)的增加而增大；而靜荷載作用則導(dǎo)致孔隙水壓力在土體內(nèi)部形成三個(gè)集中區(qū)域，而且集中區(qū)域的位置和荷載應(yīng)力場(chǎng)有直接關(guān)系.

4）荷載的擠壓作用導(dǎo)致荷載下方和兩側(cè)土體孔隙面積都減小，水分排出，含水量減??；但是隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，荷載下方土體孔隙具有更大的毛細(xì)力，水分向上遷移的驅(qū)動(dòng)力更強(qiáng)，在荷載正下方形成高含水量區(qū).

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