DOI： 10.11817/j.issn.1672-7207.2020.12.024

细粒土空间不均匀分布对水分迁移的影响

于钱米¹，邰博文²，牛吉强¹，汪国达¹，刘振华¹，冯雁¹，马争锋^{3, 4}

(1. 宁波华东核工业工程勘察院，浙江 宁波，315040；

2. 中国科学院西北生态环境资源研究院 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州，730000；

3. 青海民族大学 土木与交通工程学院，青海 西宁，810007；

4. 重庆交通大学 交通运输学院，重庆，400074)

摘要：为了研究冻土地区高速公路路基粗粒土填料中细粒土空间不均匀分布引起的水分迁移易规律，测量常温和冻融循环条件下具有细粒土空间不均匀分布特点试样的水分迁移量，对比分析细粒土空间不均匀分布、粒径空间分布差异和温度对水分迁移量的影响，研究试样初始状态参数对细粒土空间不均匀分布和粒径空间分布差异的影响，建模预测水分迁移极限情况。研究结果表明：在冻融循环和常温情况下，细粒土分布越不均匀，试样上层与下层含水率的差值越大，即水分由试样下层向上层迁移越明显；2种温度条件下，试样水分迁移程度都随着细粒土空间不均匀分布程度和粒径空间不均匀分布程度增大而增大；当粒组平均直径差异引起的粒径空间不均匀分布程度大于78.33%时，水分迁移程度迅速增长；细粒土空间不均匀分布和粒径空间分布差异增加主要是由细颗粒质量分数增加和最大粒组的平均粒径减小引起的，初始孔隙比的影响排在第3位；温度一定时，水分迁移程度与细粒土空间不均匀分布参数有二次函数关系。水分迁移主要发生在常温放置条件下的第1天内或第1次冻融循环的融化阶段；冻融循环条件下具有不均匀分布特点试样的水分迁移程度明显高于常温条件下试样的水分迁移程度；冻融循环条件下细粒土空间不均匀分布试样下层迁移至上层中最大含水量约为38%。

关键词：冻土路基；水分迁移；细粒土；不均匀分布；冻融循环

中图分类号：U416.1            文献标志码：A             开放科学(资源服务)标识码(OSID)

文章编号：1672-7207（2020）12-3503-12

Effect of unevenly distributed fine-grained soil in space on moisture migration

YU　Qianmi¹, TAI　Bowen², NIU　Jiqiang¹, WANG　Guoda¹, LIU　Zhenhua¹, FENG　Yan¹, MA　Zhengfeng^{3, 4}

(1. Ningbo East China Nuclear Industry Engineering Investigation Institute, Ningbo 315800, China;

2. State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China;

3. School of Civil and Traffic Engineering, Qinghai Nationalities University, Xining 810007, China;

4. College of Traffic & Transportation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Abstract: To study the water migration caused by unevenly spatial distribution of fine-grained soil in the roadbed filling of coarse-grained soil of expressway in permafrost area, the water migration of unevenly specimens under the condition of normal temperature and freeze-thaw cycle was measured. The effect of spatial non-uniform distribution of fine-grained soil, spatial distribution difference of particle size and temperature conditions on moisture migration degree was contrastively analyzed. The effects of initial state parameters on the spatial distribution of fine-grained soil and the spatial distribution difference of particle size were studied. The threshold condition of moisture migration was predicted by modeling. The results show that under the condition of freeze-thaw cycle and normal temperature, the more uneven the distribution of fine-grained soil is, the greater the difference of water content between upper and lower layers of samples is, which means that the water migration from the lower layer to the upper layer is more obvious. The degree of water migration increases with the increase of non-uniformly spatial distribution degree of fine-grained soil and particle size under two temperature conditions. When the spatial non-uniform distribution of particle size caused by the difference of particle group average diameter is greater than 78.33%, the degree of water migration increases rapidly. The increase of spatial non-uniform distribution and difference of particle size distribution of fine-grained soil are mainly caused by the increase of fine-grained mass fraction and the decrease of average particle size of the largest particle group, and the effect of initial void ratio ranked the third. When the temperature is constant, there is a quadratic function relationship between the parameters of water migration degree and the spatial non-uniform distribution of fine-grained soil. The main stage of water migration occurs in the first day at normal temperature or in the melting stage of the first freeze-thaw cycle. The moisture migration degree of specimens with the characteristics of non-uniform distribution during freeze-thaw cycles is significantly higher than that at normal temperature. The maximum content of moisture migrating from the lower layer to the upper layer of unevenly specimen under the condition of freeze-thaw cycle is 38%.

Key words: permafrost embankment; moisture migration; fine-grained soil; uneven distribution; freeze-thaw cycle

多年冻土存在夏季融化和冬季冻结的季节活动层^[1]，其水分迁移过程是地气系统水循环的重要组成部分^[2]。水分迁移指冻融作用下土中水由高势能处向低势能处转移的现象，水势差越大，水分迁移的速率越大^[3-4]。同时，水分迁移将导致路基中含水状态在横向存在差异，由此引起的不均匀冻胀变形可导致路基出现纵向裂缝^[5-6]。

随着青藏高原多年冻土地区高速公路的建设与发展，冻土路基病害问题已受到越来越多的关注^[5]。研究诱发水分迁移的机理对于防控各类道路结构的工程病害具有十分重要的意义。罗汀等^[6]研究了影响“锅盖效应”的水分迁移系数与干密度、初始含水率和实验时间；王果^[7]发现非饱和土壤内部水分运动的推动力主要是基质势和重力势；王铁行等^[8]通过室内实验研究了基质势和温度势共同作用对非饱和黄土水分迁移规律的影响，提出了简单实用的非饱和土重力势计算方法；张喜发等^[9]分析了地下水埋深、温度和路基土质对季节冻土区高速公路路基中水分迁移的影响；胡国杰等^[10-11]研究了冻融过程中影响水分迁移的主要因素。

目前，为防止高温多年冻土区路基的稳定性，主要采用粗粒土作为路床填料^[12]。然而，粗粒土拌和不均匀将会导致路床中存在细粒土空间不均匀分布现象。同时，路床在修筑和运营过程中冲击荷载的反复作用也会导致细粒土的空间不均匀分布^[13-14]。刘建坤等^[15]通过室内三轴实验，研究了细粒土空间不均匀分布对粗粒土最大剪胀位置、应力-应变关系、起始屈服强度、静强度、起始屈服应变和破坏应变的影响，但忽略了细粒土空间不均匀分布对试样内部含水率分布的影响；郭志杰^[16]初步研究了细粒土空间不均匀分布对土样上下层土水分迁移规律的影响，但缺乏与常温条件下土样水分迁移的对比实验。为此，充分研究细粒土空间不均匀分布对水分迁移影响是十分必要的。

1  土样与实验方法

1.1　土样及试验装备

实验所需土样来源于青藏高原共和—玉树(共玉)高速公路路基中的粗粒土填料。其中，粗粒组分别是0.500~1.000 mm粒组(PSF₂)、0.250~0.500 mm粒组(PSF₃)和0.075~0.250 mm粒组(PSF₄)；细颗粒粒组为0~0.075 mm粒组(PSF₅)。4个粒组的相对密度分别为2.61，2.65，2.61和2.57。通过颗粒筛分实验和液塑限试验确定细粒土是低液限黏土(C_L)，其塑性指数为18.24%。由于1~2 mm及更大粒组的颗粒形状会对实验结果产生干扰，将粒径小于1 mm的PSF₂作为最大粒组^[15]。此外，本文采用C4-600温湿度试验箱(THTC)^[16]模拟冻融循环和恒定常温2种条件。

1.2　实验方法

1.2.1　试样准备　

为凸显细粒土空间(轴线方向)不均匀分布的特点，制作了7种具有细粒土空间不均匀分布特点的试样(见表1)，试样为圆柱形，高(H)为8 cm，直径(D)为3.91 cm，含水率(w)为8%，制样压实度为1。表1中试样下层的细粒土(质量分数，下同)和粒组构成设定为恒值(30%的PSF₅和70%的PSF₂)，试样上层的细粒土质量分数和粒组构成表现出一定的规律性。同时，选用质量分数为30%作为细粒土的起始质量分数，其主要原因是使用细粒土质量分数小于30%的土样在实验过程中易发生破裂。试样上下层的初始体积相等。

由30% PSF₅和70% PSF₂组成粗细粒混合土的击实曲线如图1所示。由图1可见土样的最优含水率为8%。图2所示为粗细混合土干密度随细粒土质量分数的变化。由图2可见：含水率为8%条件下，30% PSF₅+70% PSF₂组合的干密度是所有组合中最大的干密度，其目的是保证制作上层试样时，下层试样的干密度不受影响。由于共玉高速公路路基内土体基本处于非饱和状态，因此，试样设计含水率为非饱和状态。S_i-1(i=1，2，3)的上下层为细粒土质砂，S_i-2(i=1，2，3)的上层和S₄的上层为细粒土。

表1　样品物理参数

Table 1　Physical parameters of specimens

图1　粗细混合土干密度随含水率变化图

Fig. 1　Dry density of mixed coarse and fine-grained soil versus moisture content

图2　粗细混合土干密度随细粒土质量分数变化图

Fig. 2　Dry density of mixed coarse and fine-grained soil versus mass fraction of fine soil

1.2.2　实验方案　

用透明薄膜和透明塑料袋包住试样，使试样处于封闭空间内。7种试样的常温放置时间(t)包括1，3，7和15 d，冻融循环次数(n)包括1，3，5和7次，冻融循环过程中的冻结温度(T_F)是-6 ℃，融化温度(T_T)是20 ℃。每组实验重复3次，取平均值。图3所示为冻融循环过程中温度和时间设置情况。进行水分迁移实验时，横向水平摆放密封后的试样，防止温度梯度在垂直方向上影响试样水分迁移。将实验之后的试样平均切成4段，如图4所示。

图3　冻融循环过程中温度和时间控制情况

Fig. 3　Temperature and time control during the process of freeze-thaw cycle

图4　水分迁移实验后试样切割示意图

Fig. 4　Diagram of specimen cutting after moisture migration test

1.2.3　不均匀分布程度和水分迁移程度　

细粒土质量分数差异产生的细粒土空间不均匀分布程度用P_f-d表示。

(1)

式中：P_f-d∈[0，70%]；P_f-u为试样上层细粒土的质量分数，%；S_1-1，S_2-1和S_3-1的P_f-d均为0；S_1-2，S_2-2和S_3-2的P_f-d均为20%，S₄的P_f-d为70%；P_f-l为试样下层细粒土的质量分数，%。

粒组平均直径差异引起的粒径空间不均匀分布程度用P_d-d表示。

(2)

式中：P_d-d属于[0，95%]区间的离散值(因为实际实验过程中筛径都是固定和非连续的)；S_1-1和S_1-2的P_d-d均为0；S_2-1和S_2-2的P_d-d均为50%；S_3-1和S_3-2的P_d-d均为78.33%；S₄的P_d-d均为95%；为试样下层最大粒组中最大粒径和最小粒径的平均值；为试样上层最大粒组中最大粒径和最小粒径的平均值。

水分迁移程度用P_wm表示。

(3)

(4)

(5)

式中：P_wm为水分迁移达到新平衡状态之后试样上下层含水率的差异程度，P_wm≥0；为试样上层的平均含水率；为试样下层的平均含水率，w_lyri(i=1，2，3，4)为第i个切段的实测含水率，%。

2  结果与分析

2.1　含水率变化

图5(a)和(b)所示分别为试样不同切段的含水率随n和t的变化情况。由图5可见：在冻融循环和常温情况下，细粒土分布越不均匀，试样上层与下层含水率的差值越大，即水分由试样下层向上层迁移越明显。王铁行等^[8]发现土体内水分迁移的动力来源于水势梯度、重力势、温度势和基质势；肖侃^[17]将土体内引起水分迁移的主要动力归结为基质势、压力势、重力势、温度势和溶质势。本研究实验过程中制作的试样体积较小，处于非饱和状态，可不考虑重力势对水分迁移的影响。实验过程中试样被横向放置，试样两端温度相同，不考虑冻结阶段试样轴线方向温度势的影响。同时，试样中也不存在压力势和溶质势。郭志杰^[16]研究发现细粒土质量分数为50%的粗细粒混合土的基质吸力比细粒土质量分数30%土的基质吸力约高0.1 MPa，细粒土质量分数为100%的粗细粒混合土(即纯细粒土)的基质吸力比细粒土质量分数50%的土的基质吸力约高0.3 MPa。因此，基质势和融化阶段的温度势是本研究中细粒土空间不均匀试样水分迁移的最主要影响因素。

图5　试样内部沿细粒土不均匀分布方向含水率变化情况

Fig. 5　Change of moisture content along non-uniformly distributed direction of fine soil

图6所示冻融循环次数和常温放置时间对试样平均含水率的影响。由图6可见：随着冻融循环次数和常温放置时间增加，试样平均含水率具有下降趋势，原因是试样内水分在实验过程中容易不断蒸发至包裹试样的薄膜内缘，薄膜内缘的水分再返回至试样内部非常困难，薄膜仅起到与外界隔绝的作用，并未完全贴紧试样外侧。对图6中所有数据分别进行线性拟合，得到冻融循环和常温2种条件下试样内部含水率的下降速率分别为0.051%/次和0.033%/d，说明冻融循环作用比常温条件导致试样水分散失的速率要快。其原因是冻融循环导致试样内部的孔隙变大，水蒸气更易从试样内部向外蒸发。图6(b)中S₄的平均含水率下降速度最小，图6(a)中S₄的平均含水率下降速度最大，说明试样中细粒土最容易受冻融循环的影响，这与WANG等^[18]的结论一致。对比图6(a)和(b)，n=7次时试样平均含水率变化范围与t=15 d时的接近。

图6　冻融循环次数和常温放置时间对试样平均含水率的影响

Fig. 6　Average moisture content versus number of freeze thaw cycles and time at normal temperature

图7所示为试样高度平均增长率随n的变化情况。试样高度平均增长率指试样冻融前后高度增长占冻融前试样高度的百分比。图7中冻融循环后试样高度呈现增长趋势，但增长量较小。通过平均增长率随n变化情况可知，试样的高度呈先增加后趋于稳定，增大的原因是冻融循环增大试样孔隙。常温条件下仅存在水分蒸发，蒸发速度比冻融循环条件下的蒸发速度慢，试样高度变化比冻融循环条件下的高度变化更小。

图7　试样高度平均增长率随冻融循环次数变化情况

Fig. 7　Average growth rate of specimen height versus number of freeze thaw cycles

2.2　P_wm随P_f-d的变化规律

图8所示为细粒土不均匀分布试样的水分迁移程度随t的变化情况。由图8可见：在常温条件下，P_wm随P_f-d增加而增加，主要原因是：1) 基质吸力会导致水分迁移，而且试样上层的基质吸力随试样上层中细颗粒土质量分数增加而变强；2) 试样上层细粒土质量分数增加导致其持水能力增强^[19]和蒸发能力减弱^[20]；但P_wm随P_f-d增加趋势几乎不受常温条件下时间的影响。

由图8可知：同一试样的4条柱高度较接近，这表明常温条件下放置1 d，不均匀分布试样内部水分分布快速达到平衡，即常温条件下不均匀分布试样水分迁移的主要阶段发生在第1天内。

图9所示为不同试样的水分迁移程度随n的变化情况。由图9可见：冻融循环条件下，P_wm随P_f-d增加而增加，此上升趋势与图8中常温条件下的上升趋势相似，但上升幅度存在差异。P_wm随P_f-d增加的趋势不受n影响，且第1次冻融循环期间水分迁移程度的增长量最大。此外，由图9可知，当n≥3时，不均匀分布试样内部水分分布接近平衡，水分迁移程度变化减小且随着n增加而趋于0。

对比图8和9可知：当t≥3 d和n≥3时，冻融循环条件下不均匀分布试样的水分迁移程度明显高于常温条件下的水分迁移程度，其主要原因为3次冻融作用增大了试样上层和下层的孔隙，上层的基质吸力增强和下层的水分迁移通道增多。在常温条件下，水分迁移达到稳定状态比冻融循环条件下的时间短，说明常温条件下试样内部水分迁移达到新平衡状态需要的时间短于冻融循环条件下达到新平衡状态的时间。

此外，图9表明，细粒土空间不均匀分布试样经历1次冻融循环后水分迁移增量最大。焦永亮等^[21]研究发现冻融循环中冻结过程耗时远小于融化过程耗时。本研究试样体积较小，试样完全冻结时间小于12 h。细粒土空间不均匀分布试样下层干密度和饱和度较上层高，下层热传导系数高于上层^[22]，降温时，下层冻结快，上层冻结慢，理论上水分应由上层向下层传递，但由于冻结时间短和上层的基质势大。因此，第1次冻融循环的冻结过程中上层和下层间水分迁移不明显。推断第1次冻融循环过程中的融化阶段是上层和下层水分迁移的主要发生阶段，融化阶段所需时间较长，试样下层融化快，上层慢，在上层温度低于下层温度时，“锅盖效应”^[23]导致下层的水分向上层迁移，上层的基质势大于下层基质势又加剧水分迁移。

2.3　P_wm随P_d-d的变化规律

分析图8和9可知，常温和冻融循环2种状况下，P_wm随P_d-d增大而增大。当P_d-d≤78.33%时，水分迁移程度增长缓慢，当P_d-d>78.33%时，水分迁移程度增长迅速，P_d-d=78.33%是一个明显的转折点，主要原因是试样上层中的最大粒组由粗粒组变为细粒组(P_d-d>78.33%是指试样的上层全是细粒土)，即土的性质完全改变后，基质吸力突然急剧增加。P_d-d>8.33%时粒径空间不均匀分布状态与P_f-d=70%时细粒土空间不均匀分布状态一致。

图8　细粒土不均匀分布试样的水分迁移程度随常温放置时间变化情况

Fig. 8　Water migration degree of specimen with unevenly distributed fine soil versus time at normal temperature

图9　细粒土不均匀分布试样的水分迁移程度随冻融循环次数变化情况

Fig. 9　Water migration degree of specimen with unevenly distributed fine soil versus number of freeze thaw cycles

2.4　试样初始状态参数对P_f-d和P_d-d的影响

细粒土不均匀分布参数对试样内部水分迁移程度的影响仅为细粒土不均匀分布参数的表象，而与细粒土不均匀分布参数相关的试样初始状态的物理参数才是最直接的影响因素。这里仅讨论试样上层初始状态的物理参数如初始孔隙比(e)、初始含水率(w_0-u)、细粒土质量分数(P_f-u)和最大粒组的平均粒径()。

图10所示为不同P_d-d条件下参数lg(10e·P_f-u/)对P_f-d的影响，图中，x₁为lg(10e·P_f-u/)，y₁为P_f-d。图11所示为不同P_f-d条件下参数(e·P_f-u/)对P_d-d的影响，图中，x₂为e·P_f-u/，y₁为P_d-d。由图10和11可见：细粒土空间不均匀分布程度P_f-d和粒径空间不均匀分布程度P_d-d均与初始状态综合作用参数x(e*P_f-u/)呈非线性相关关系。同时，参数x增加会导致P_f-d和P_d-d增加。而图8和9显示P_f-d和P_d-d增加会引起水分迁移程度增加，所以，水分迁移程度受变量x直接影响。因此，参数x增加时，试样中的平均孔径会减小，导致基质吸力增加^[24]。

图10　不同粒径空间不均匀分布程度条件下参数lg(10·e·P_f-u/)对细粒土空间不均匀分布程度的影响

Fig. 10　Effect of parameter lg(10·e·P_f-u/) of different spatially uneven distribution degree of particle size on spatially non-uniform distribution degree of fine-grained soil

图11　不同细粒土空间不均匀分布程度条件下参数(e·P_f-u/)对粒径空间不均匀分布程度的影响

Fig. 11　Effect of parameter (e·P_f-u/) of different spatially non-uniform distribution degree of fine-grained soil on spatially uneven distribution degree of particle size

图12通过文献[16]中的实验数据显示了最优含水率条件下基质吸力随x_i(i=4或5)增加而增加的趋势，图中，x₃为lg(100·e·P_f-u/)，y₃为基质吸力。根据不同土类的土水特征曲线规律(图13)^[25-26]，当所有试样的含水率是8%时，此时含水率小于最优含水率，基质吸力随x_i(i=4或5)的变化规律变成了图12中的虚线状态，基质吸力随x增加而增加的更显著。P_f-d和P_d-d增加主要是P_f-u增加和减小引起的，e的影响排在第3位。

图12　基质吸力随初始状态综合作用参数的变化规律^[16]

Fig. 12　Matrix suction versus comprehensive action parameter of initial state ^[16]

图13　砂土、粉土和黏土的土水特征曲线

Fig. 13　Soil-water characteristic curves for sandy soil, silty soil and clay soil

2.5　P_wm受P_f-d，P_d-d，t和n影响的模型分析

分析图8和9可知，水分迁移程度在t=1 d时便达到较高的值，t＞1 d时，其变化较小，t=1 d前后P_wm的变化趋势差异明显。因此，图8中P_wm与P_f-d的关系表达式包含2个部分。

1) 0≤t＜1 d时，

(6)

2) t≥1 d时，

(7)

式中：P_f-d∈[0，70%]，P_d-d=0，50%和78.33%。式(6)和(7)的t可以不是整数，因为每1天内时间连续、温度恒定。在封闭条件下，当t≥1 d时，随着t增加，水分迁移程度会趋于一个稳定值，可用差商型不等时距GM(1，1)模型^[13-14]对系数C_ai与t的关系建立灰色预测模型进行分析。式(6)和(7)中系数C_ai计算见式(8)～(16)。

1) 当i=1时，

(8)

(9)

(10)

2) 当i=2时，

(11)

(12)

(13)

3) 当i=3时，

(14)

(15)

(16)

实验发现，在常温条件下，当t=15 d时，S₄的P_wm最大，为78.96%，即在水分迁移之后试样上层含水率比下层含水率多78.96%。根据式(7)，图14(a)显示了P_d-d=78.33%时P_wm随P_f-d和t的变化规律。根据模型计算可知，当t趋于正无穷大时，S₄的平均最大P_wm为80.94%。

分析图8和9可知，图9中P_wm与P_f-d的关系可表示为

(17)

式中：P_f-d∈[0，70%]，P_d-d=0，50%和78.33%。式(17)只在n为整数时有意义，因为单一冻融循环过程中温度不恒定，P_wm是在每1次冻融循环过程结束之后的测量结果。系数C_bi按表3计算见式(18)～(26)。

1) 当i=1时，

(18)

(19)

(20)

2) 当i=2时，

(21)

(22)

(23)

3) 当i=3时，

(24)

(25)

(26)

在冻融循环实验条件下，在n=7次时S₄的P_wm最大，为125.79%，约为常温条件下t=15 d时的1.6倍。根据式(17)，图14(b)显示了P_d-d=78.33%时P_wm随P_f-d和n的变化规律。图14(b)中P_wm在三维空间中的变化范围明显比图14(a)中常温条件下P_wm的变化范围大。根据模型，在忽略长时间水分蒸发的影响下，当n趋于正无穷大时，S₄的平均最大P_wm预测值约为123.82%，该数值是常温条件下预测值的1.53倍。123.82%也意味S₄的下层中约38%的水分迁移至上层。

本研究是在试样下层没有补水情况下进行的，如果对试样下层持续补水和施加单向冻融循环，S₄的最大P_wm将大于123.82%，即S₄上层的含水率会由11.05%向其饱和含水率31.3%方向增加。这种现象对具有不均匀分布细粒土的粗粒土寒区路基工程的稳定性十分不利。

图14　水分迁移程度随细粒土空间不均匀分布程度的变化规律三维图(粒径空间不均匀分布程度等于78.33%)

Fig. 14　Three dimensional diagram of water migration degree changing with spatially non-uniform distribution degree of fine-grained soil (spatially uneven distribution degree of particle size is 78.33%)

3  结论

1) 在常温和冻融循环2种条件下，沿试样轴线方向的细粒土分布越不均匀(即上层细粒土质量分数越多和粗粒组粒径越小)，试样下层水分向上层迁移的越显著，该规律不受常温放置时间和冻融循环次数的影响。

2) 细粒土空间不均匀分布试样水分迁移的主要阶段发生在常温条件下的第1天或第1次冻融循环的融化阶段。在常温条件下，水分迁移后试样内部水分重新分布达到平衡需要的时间比冻融循环条件下重新分布达到平衡的时间少2 d。

3) 当在常温放置时间和冻融循环次数为1时，具有不均匀分布特点试样的水分迁移程度较接近，当在常温放置时间和冻融循环次数大于等于3时，冻融循环条件下具有不均匀分布特点试样的水分迁移程度明显高于常温条件下相同试样的水分迁移程度。

4) 在冻融循环条件下，细粒土空间不均匀分布导致的最大水分迁移程度为123.82%(即试样下层中约38%的水分迁移至上层)，为常温条件下的1.53倍。

参考文献：

[1] 秦大河. 冰冻圈科学辞典[M]. 北京: 气象出版社, 2014: 76-77.

QIN Dahe. Glossary of cryosphere science[M]. Beijing: China Meteorological Press, 2014: 76-77.

[2] WANG Tian, LI Peng, LI Zhanbin, et al. The effects of freeze-thaw process on soil water migration in dam and slope farmland on the Loess Plateau, China[J]. Science of the Total Environment, 2019, 666: 721-730.

[3] MAO Xuesong, MILLER C, HOU Zhongjie, et al. Experimental study of soil water migration in freezing process[J]. Geotechnical Testing Journal, 2014, 37(3): 436-446.

[4] 张莲海, 马巍, 杨成松, 等. 土在冻结及融化过程中的热力学研究现状与展望[J]. 冰川冻土, 2013, 35(6): 1505-1518.

ZHANG Lianhai, MA Wei, YANG Chengsong, et al. A review and prospect of the thermodynamics of soils subjected to freezing and thawing[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2013, 35(6): 1505-1518.

[5] 王铁行, 胡长顺. 多年冻土地区路基温度场和水分迁移场耦合问题研究[J]. 土木工程学报, 2003, 36(12): 93-97.

WANG Tiehang, HU Changshun. Study on the problem of coupled temperature field and moisture migration field of subgrade in permafrost region[J]. China Civil Engineering Journal, 2003, 36(12): 93-97.

[6] 罗汀, 陈含, 姚仰平, 等. 锅盖效应水分迁移规律分析[J]. 工业建筑, 2016, 46(9): 6-9.

LUO Ting, CHEN Han, YAO Yangping, et al. Analysis of water migration characteristics of pot-cover effect[J]. Industrial Construction, 2016, 46(9): 6-9.

[7] 王果. 土壤学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2009: 97-98.

WANG Guo. Agrology[M]. Beijing: Higher Education Press, 2009: 97-98.

[8] 王铁行, 李宁, 谢定义. 非饱和黄土重力势、基质势和温度势探讨[J]. 岩土工程学报, 2004, 26(5): 715-718.

WANG Tiehang, LI Ning, XIE Dingyi. Gravitational potential, matrix suction and thermal potential of unsaturated loess soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2004, 26(5): 715-718.

[9] 张喜发, 辛德刚, 张冬青, 等. 季节冻土区高速公路路基土中的水分迁移变化[J]. 冰川冻土, 2004, 26(4): 454-460.

ZHANG Xifa, XIN Degang, ZHANG Dongqing, et al. Water migration and variation in the subgrade soils of expressway in seasonally frozen ground regions[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2004, 26(4): 454-460.

[10] 胡国杰, 赵林, 李韧, 等. 青藏高原多年冻土区土壤冻融期间水热运移特征分析[J]. 土壤, 2014, 46(2): 355-360.

HU Guojie, ZHAO Lin, LI Ren, et al. Characteristics of hydro-thermal transfer during freezing and thawing period in permafrost regions[J]. Soils, 2014, 46(2): 355-360.

[11] 马巍, 王大雁. 冻土力学[M]. 北京: 科学出版社, 2014: 41-43. .

MA Wei, WANG Dayan. Mechanics of frozen soil[M]. Beijing: China Science Publishing & Media Ltd. 2014: 41-43.

[12] 房建宏. 青藏高原东部多年冻土区高速公路建设适应性对策研究[D]. 北京: 北京交通大学土木建筑工程学院, 2017: 59-60.

FANG Jianhong. Adaptive countermeasure research on expressway construction in permafrost region of eastern part of Qinghai-Tibet[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University. School of Civil Engineering, 2017: 59-60.

[13] 于钱米. 粗粒土颗粒破碎演化规律研究[D]. 北京: 北京交通大学土木建筑工程学院, 2018: 66-67.

YU Qianmi. Study on evolutionary regularity of particle breakage coarse-grained soil[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University. School of Civil Engineering, 2018: 66-67.

[14] YU Qianmi, LIU Jiankun, PATIL U D, et al. New approach for predicting particle breakage of granular material using the grey system theory[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2018, 30(9): 04018210-1-16.

[15] 刘建坤, 于钱米, 刘景宇, 等. 细粒土不均匀分布对粗粒土力学特性的影响[J]. 岩土工程学报, 2017, 39(3): 562-572.

LIU Jiankun, YU Qianmi, LIU Jingyu, et al. Influence of non-uniform distribution of fine soil on mechanical properties of coarse-grained soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2017, 39(3): 562-572.

[16] 郭志杰. 细粒含量对粗-细混合土物理力学特性的影响[D]. 北京: 北京交通大学土木建筑工程学院, 2018: 14-15.

GUO Zhijie. Effect of fine soil content on physical and mechanical properties of mixed coarse- and fine-grained soil[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University. School of Civil Engineering, 2018: 14-15.

[17] 肖侃. 非饱和路基土水分扩散迁移试验研究[D]. 长沙: 长沙理工大学土木工程学院, 2015: 53-54.

XIAO Kan. The research on moisture diffusion of unsaturated subgrade soil[D]. Changsha: Changsha University of Science & Technology. School of Civil Engineering, 2015: 53-54.

[18] WANG Dayan, MA Wei, NIU Yonghong, et al. Effects of cyclic freezing and thawing on mechanical properties of Qinghai-Tibet clay[J]. Cold Regions Science and Technology, 2007, 48(1): 34-43.

[19] 田湖南, 孔令伟. 细粒对砂土持水能力影响的试验研究[J]. 岩土力学, 2010, 31(1): 56-60.

TIAN Hunan, KONG Lingwei. Experimental research on effect of fine grains on water retention capacity of silty sand[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(1): 56-60.

[20] 欧阳斌强, 唐朝生, 王德银, 等. 土体水分蒸发研究进展[J]. 岩土力学, 2016, 37(3): 625-636.

OUYANG Binqiang, TANG Chaosheng, WANG Deyin, et al. Advances on soil moisture evaporation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(3): 625-636.

[21] 焦永亮, 李韧, 赵林, 等. 多年冻土区活动层冻融状况及土壤水分运移特征[J]. 冰川冻土, 2014, 36(2): 237-247.

JIAO Yongliang, LI Ren, ZHAO Lin, et al. Processes of soil thawing-freezing and features of soil moisture migration in the permafrost active layer[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2014, 36(2): 237-247.

[22] 张楠, 夏胜全, 侯新宇, 等. 土热传导系数及模型的研究现状和展望[J]. 岩土力学, 2016, 37(6): 1550-1562.

ZHANG Nan, XIA Shengquan, HOU Xinyu, et al. Review on soil thermal conductivity and prediction model[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(6): 1550-1562.

[23] 王乃东, 贾峻峰, 姚仰平, 等. 土的干密度对水气迁移影响规律的试验研究[J]. 广州大学学报(自然科学版), 2016, 15(3): 70-72.

WANG Naidong, JIA Junfeng, YAO Yangping, et al. Influence of dry density in soil to “Pot-cover Effect”[J]. Journal of Guangzhou University(Natural Science Edition), 2016, 15(3): 70-72.

[24] 张鹏程, 汤连生, 姜力群, 等. 基质吸力与含水量及干密度定量关系研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(S1): 2792-2797.

ZHANG Pengcheng, TANG Liansheng, JIANG Liqun, et al. Research of quantitative relations of matric suction with water content and dry density[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(S1): 2792-2797.

[25] VANAPALLI S K. Simple test procedures and their interpretation in evaluating the shear strength of an unsaturated soil[D]. Canada: University of Saskatchewan. Department of Civil Engineering, 1994: 69-70.

[26] 李广信. 高等土力学[M]. 2版. 北京: 清华大学出版社, 2019: 223-224.

LI Guangxin. Advanced soil mechanics[M].2nd ed. Beijing: Tsinghua University Press, 2019: 223-224.

(编辑  秦明阳)

收稿日期： 2020 -07 -06; 修回日期： 2020 -09 -10

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金青年基金资助项目(41901082) (Project(41901082) supported by the Youth Program of National Natural Science Foundation of China)

通信作者：邰博文，博士，助理研究员，从事冻土工程及冻土力学研究；E-mail：taibw@lzb.ac.cn