退化多年冻土区桩基室内模型试验研究的水分场分析

退化多年冻区桩基冻害一直是我国冻土区工程建设的一个重要问题。冻土桥梁属于线性面状结构物暴露在大气中，最易受各种自然条件因素的侵袭，特别是水分迁移导致桩基所在的土体含水量及土体湿度发生变化，对桩基冻害的产生有着实质性的影响。在路基土冻结过程中，由于温度的降低，原来的土水势平衡被打破，土中水分将从土水势高的下部向上部土水势低的冻结锋面方向迁移，造成冻土中水分重新分布。一般影响水分迁移的主要因素是土体的含水率和地下水位。在环境温度为负温时，当部分土体发生冻结时，其土体中含冰率随未冻水率的降低而增加，此时，土体进行着冻结，并且发生物质迁移，比如不等量的盐分迁移。对于水分迁移基本规律最直接的研究方法便是试验研究，20世纪80年代以来，国内外学者进行了大量的试验，对水分迁移规律进行了研究，并取得了丰富的研究成果。

冻土中水分迁移的研究内容主要包括冻土中水的性状与土的结构、成分、分散性、含水量、温度及其他因素的定量关系及其规律性。20世纪40年代，首先出现了对冻土中水分迁移的研究，由于研究不够系统，直到20世纪50年代，出现水能态的概念后，冻土中水分的运动才开始了较为系统、定量化的研究［18］。

Everett［19］提出了水分迁移的毛细作用理论，即第一冻胀理论。该理论在一定程度上解释了水分迁移的原动力问题，但是引起冻胀的最主要原因没有得到解释。在第一冻胀理论的基础上，Miller［20］提出了冻结缘理论，该理论克服了毛细理论的不足，得到广大学者的认可，被人们广泛称为第二冻胀理论。随后在国际上发起了一场积极研究冻土水分迁移的热潮，其中有代表性的是Radd和Miller，Loch，Akagawa，Takeda，Watanable，Muto，他们通过不同的测试方法将冰分凝的增长速度和冻结缘的厚度进行测试和研究，奠定了现代冻土水分迁移的理论基础［21］。Harlan.R.L.首次提出了正冻土中水分迁移与热质迁移相互作用的耦合模型，即Harlan模型［22］。该模型基于非饱和土中水分迁移与非完全冻结土中的水分迁移理论，认为冻土中的未冻水含量仅与土中负温有关，而忽略了土中冰与水的相互作用。Штyкeнбepr］23］认为水分是沿着土体孔隙和冻结裂隙迁移形成的毛细管提升，提出了“冻结孔隙毛细管理论”，并指出土体冻胀的原因是水分向冻结锋面不断迁移聚集成冰晶体导致的。王英浩［24］认为温度条件对季节冻土中的水分迁移以及冻胀冻深有着重要的影响。负温条件下温度梯度是诱发水分迁移的重要因素，温度梯度大，水分迁移强烈。贾海梁等［25］研究了含水率对泥质粉砂岩物理力学性质影响的规律与机制。Tang等［26］基于冻土电阻率变化准确测试了冻融过渡段的未冻水含量，指出未冻水含量对冻融土力学性质影响。(www.xing528.com)

我国对冻土水分迁移的研究始于20世纪60年代，发展到20世纪80年代时，中国科学院兰州冰川冻土研究所就土中毛细水和薄膜水的迁移问题进行了较为系统的研究。程国栋［27］对青藏高原地区地下后层分凝冰的形成原因进行了深度的研究，使多年冻土区的冻结成冰问题的研究步入了新的阶段。徐学祖等［28］以兰州冰川冻土为研究对象，开展了大量的水分迁移室内试验，研究表明冻结条件下的水分迁移与土水势梯度密切相关，而土水势取决于土体自身的冻结特性和冻结速率等因素。朱强等［29］根据冻胀试验结果和现场实测数据得到了季节性冻土冻胀随深度的分布规律，定量地研究了土体的冻胀作用，并依据迁移量的大小对季节性冻土体的冻胀等级进行了划分。雷志栋和杨诗秀等［30］对受农业方面专家学者重视的外界因素影响下的土壤水分迁移问题进行了深入的试验研究。李述训等［31］开展了大量的室内实验工作，研究了土体冻融过程中气、液态水的迁移规律，深入探究了冻融作用下土样与外界环境热量交换的影响。进入21世纪，我国关于水分迁移试验的研究更加广泛和深入。薛远峰［32］通过室内试验，研究土体在融化过程中融沉量的变化、土体融沉量与温度之间的关系，获得季节融化层负摩阻力与含水量之间的关系。负摩阻力模型试验成果得出：负摩阻力峰值与土体含水量成反比关系，冻土土体融沉量与含水量成正比关系。负摩阻力达到峰值后，随着融沉量的继续增加负摩阻力则回落，融沉固结趋于稳定。秦爱芳等［33］结合微机控制多功能冻土冻融试验机，并配合CT扫描，对上海具有代表性的黏土进行人工冻结，研究不同深度土层试样冻结后的冻胀量和冻胀应力与固结力的关系，以及土样在冻结过程中的水分迁移情况。陈文［34］通过对吉林省高速公路冻害进行野外调查、现场观测以及室内试验分析，土体的含水率和土质对土的冻胀性影响很大，土质相同时，含水率对土的冻胀性起控制作用；含水率相同时，则是土质起控制作用，且在相同条件下，粉砂冻胀量比黏土大。地下水位对冻害现象影响很大，当地下水位浅埋时，高速公路的冻害现象十分严重，在冻后冻土层的水分较冻前明显增大，而冻土层以下的未冻土含水率却减小，说明土体在冻结后，未冻土的水分会向冻土层迁移。孔令坤［35］分别开展了恒温和冻结作用下开放、封闭系统的室内土体水分迁移试验，通过对试验结果的分析得到土体中含水率变化规律，并获得了恒温作用下土体水分迁移机理和冻结作用下成冰机理。赵刚等［36］通过开展冻融条件下的原状粉质黏土和重塑粉质黏土的水分迁移试验，得到了各因素影响下的水分迁移规律。夏琼等［37］以兰新铁路路基为研究对象，通过室内冻胀试验探究了冻结作用下该区域路基的水分迁移规律和冻胀规律，并提出了适用于该区域防治冻胀的措施。张婷等［38］通过对非饱和土的单向冻结试验，研究不同含水率、干密度以及冻结时间对土中水分迁移特性的影响。得到了土中水分迁移量及迁移范围与干密度成反比的结论，还指出处于非饱和状态的淤泥质黏土初始含水率越大，经单向冻结后造成的水分迁移效果越明显，相同冻结条件下淤泥质粉质黏土冻结后各冻土段含水率增量基本相同。李萍［39］以甘肃省正宁县一个小型黄土塬为研究对象，开展现场人工渗水试验，测定入渗过程中土样各部分含水率的变化，随后又对天然降雨影响下的土体水分含水率变化做了长期的监测，根据监测结果和当地的气候条件分析了土体水分迁移规律。肖东辉等［40］发现在季节冻土区，反复冻融作用导致土体孔隙水压力发生变化，进而导致土体中水分的迁移；对土体施加静荷载，土体内部应力场发生变化，土体内的水分和孔隙水压力亦发生变化。通过模型试验，研究无荷载和荷载两种条件下土体内部孔隙水压力和水分场随冻融循环作用的变化规律。中国科学院兰州冰川冻土研究所的学者们（徐学祖和邓友生；Chen和Wang；徐学祖等；高永等；于琳琳）做了大量的室内试验研究［41］，研究包括土的冻结特性，冻结条件下的成冰作用、水分迁移、盐分迁移，冻胀及盐胀等。试验结果表明，冻土中冻结缘的土水势梯度主要取决于土体的性质、冻结速度、冻胀速度及边界条件等，该梯度对冻土中的水分迁移有影响［42］。薛珂等［43］利用新近推出的可用于冻土水热研究的pF meter基质势传感器与5TM水分传感器，实时监测研究饱和青藏红黏土单向冻结过程中基质势-液态含水率-温度-含冰量-水分迁移量-冻胀变形之间在时间、空间上的耦合变化关系。揭示了土体单向冻结过程中液态水、基质势、温度等物理参数的动态变化过程及内在联系。奚家米等［44］分析了在常温、冻结和解冻条件下岩石的饱和吸水率、抗压强度、弹性模量的变化情况，探讨了岩石由于冻融作用而产生的物理力学性质损伤。申艳军等［45-46］开展冻融-周期荷载下裂隙岩体损伤及断裂演化规律分析，模拟岩石的内部温度（T）变化行为确定冻融循环期间岩体的总传热规律。

由上述对试验研究现状的描述可知，经过国内外学者对土体水分迁移多年的潜心研究，取得了丰硕的研究成果，得到了不同因素影响下的水分迁移一般规律，但是受到试验条件的限制，还需通过更精密的仪器对冻土中的水分迁移规律进行更深入的研究，本书在进行退化多年冻土区桩基承载力室内试验研究中对其相应工况下的桩周水分迁移也进行了相应的实验研究，并得到了一定的规律。