冻土区桩基室内模型试验研究：冻融过程中水分场变化分析

冻融过程中桩周土体中未冻水含量的变化与纯土体的变化规律不同，究其根本原因在于桩体的存在引起了原先土体温度场的改变。由于钢筋混凝土桩的导热系数为1.74W/（m·K），查拉平大桥地区的融土（粉质黏土）的导热系数为1.125W/（m·K），所以桩的导热能力比融土土体的强。在试验开始前逐层填土的过程中，进行逐层冻结时，由于桩的导热能力比土体强，桩会先于土感应到温度的降低，使得桩身温度比周围土体温度要低，同时冻结开始后，桩身与土体间隙较之土体本身土颗粒间隙大很多，外部冷空气的进入也会使得界面处的温度先降低，这样使得桩周土体中产生一个横向的温度梯度，融化圈水分向桩体冷锋面迁移，并逐渐在桩体侧壁聚集，吸附于桩体表面，冻结形成冰膜。Sadovskiy通过试验验证了冰膜的存在，根据薄膜迁移理论，如图5.11所示，a为桩土界面处土颗粒表面的薄膜水，b为离桩远的土颗粒表面的薄膜水，由于桩土界面处水相变为固相冰形成冰膜，水化膜a变薄，水化膜a包围的土颗粒的分子吸力有了剩余，会从邻近的水化膜b中夺走水分，使水化膜b变薄，从而将离桩远的土体中尚未冻结的薄膜水源源不断地吸来，因此桩周土体中水分会产生横向的向桩土界面的迁移运动并在冻结界面处冻结，导致桩周土体中冰晶体聚集。由于填土时所有位置水分均相同，填土时离桩远的土体中水分向桩侧迁移，所以填土完成后桩侧土体中总含水量比离桩远的土体大。

图5.11　水分薄膜迁移示意图

融化过程开始后，试验第5d时，融化深度达到40cm，40cm深度及以上的土体中冰全部融化成未冻水，由于离桩越近的土体总含水量越大，40cm深度及以上土体中总含水量全部变为未冻水含量，因此40cm深度及以上离桩近的土体中未冻水含量要大。15 cm和30cm深度处水分全部变为未冻水，由于未冻水在重力作用下向下迁移以及表层土体中水分的蒸发，使得30cm深度处的未冻水含量比15cm深度处大，而45cm深度处土体还未融化，所以未冻水含量比前两者小。同时由于40cm深度以上土体中未冻水向下迁移，离桩越近的土体向下迁移的水分越多，因此45cm、60cm深度处土体的未冻水含量均表现为离桩越近的未冻水含量越大。试验第10d和第15d时，融化深度达到60cm，60cm深度及以上的土体中冰全部融化成未冻水，所以60cm深度及以上离桩近的土体中未冻水含量要大，但45cm深度处土体初始含水率只有20%，因此此时45cm深度处土体的未冻水含量依旧比15cm、30cm深度处小，使得第10d与第15d时土体的未冻水含量分布与第5d时相似。(www.xing528.com)

冻结过程开始后，桩的温度下降得快，在桩土界面处形成冰膜，桩周土体中的水分向冰膜迁移并冻结，使得离桩近的土体中冻结的水分更多。试验第20d时，30cm以上土层桩侧土体中水分完全冻结，由于1倍桩距土体冻结温度比3倍桩距土体低，所以1倍桩距的土体中水分冻结的更多，未冻水含量更少。45cm深度处土体尚未冻结，但水分向上方冻结锋面迁移，所以未冻水含量相比融化阶段会降低，同时由于30cm深度处及以上土体中离桩近的土体温度低，使得30cm以下离桩近的土体中未冻水向上迁移的量更大，因此30cm以下土体中离桩近的土体未冻水含量越少。第25 d及第30d时，50cm深度上方的土体全部冻结，由于桩侧温度更低，使得15 cm、30cm、45 cm深度处的土体均表现为1倍桩距土体未冻水含量比3倍桩距土体小。