饱和粉土冻结过程中的水分迁移试验研究
发布时间：2020-01-30 08:23
【摘要】：改变边界温度和土样高度,对饱和粉土进行了冻结试验,研究其水分迁移、水分重分布、冻胀和冰透镜体的发展规律。试验结果表明:当温度稳定时,水分持续迁移到冻结锋面附近,含水率急剧增大,易形成冰透镜体。饱和粉土冰透镜体几何形态较为规则,无枝状交叉结构,已冻土为整体状且无网状裂隙。冻结过程中存在起始冻胀时间,在起始冻胀时间之前,土中水分被排出,冻胀发生之后水分补给到冻土中,且补给水分产生的冻胀量和总冻胀量数值接近。土样高度影响水分迁移量和冻胀量,土样越高,冻胀量越小,冻土含水率增量越小,但水分增量分布区域越分散,且起始冻胀时间越长。
【图文】：
样放入直径为100mm的圆柱形有机玻璃筒中，侧面由保温材料隔热。顶板和底板由铜制成，通过低温恒温槽循环液控制温度。试验时底板为负温，顶板保持正温，形成从下往上冻结的一维温度常通过热电偶测得沿着土样高度的温度，热电偶间距为1cm，通过顶板的电子尺测得总的冻胀量。顶板有补水孔与外界水源连通，，通过人工记录补进的水量乘以水冻结成冰体积增大系数，即可以计算出补水冻胀量。恒水头补水装置较多地使用马氏瓶，为了避免马氏瓶读数不精确、补水反应不灵敏的缺点，本研究采用一种圆形盘管式补水装置，其实物图见图1。将内径为4mm、外径为6mm的塑料管盘绕成环形水平放置，其表面标记有刻度，最小刻度长度为1cm，先将塑料管中充满水，一端与冻胀仪进水口相连，另一端与大气相通，实现恒水头补水，通过管中水-气界面读数则可以计算出补水量。试验表明，该补水装置精度较高，计算的水质量最小误差为0.03g。本文试验用土取自黄河冲击平原粉土，其液限为29%，塑限为17%，冻结温度为0.2℃，试样干密度为1.6g/cm3，初始含水率控制在约24%，饱和图1盘式补水管Fig.1Curledtubeforsupplyingwater度约90%。前人已做较多边界温度恒定的冻胀试验研究，由于冻胀速率与温度梯度和冻结速率有关系[14]，因此，本研究改变边界温度进行试验，可以同时改变温度梯度和瞬态冻结速率。另外，试验表明，当温度稳定时，在冻结锋面处易于形成冰透镜体。为了使土样形成多层冰透镜体，本文采用了阶梯型变化的边界温度条件。对高度为55mm土样进行了10次试验：在编号为1#～7#的试验中，通过调整不同边界温度研究温度梯度和冻结速率对冻胀量和冷生结构的影响；在编号为S1～S3的试验中，边界温度条件保持不变，冻结时间分别为10、22、
第9期魏厚振等：饱和粉土冻结过程中的水分迁移试验研究2549(a)1#试验(b)6#试验图2边界温度随时间变化曲线Fig.2Boundarytemperaturevs.time(a)1#试验(b)6#试验图3冻结后的土样(箭头指向为冰透镜体)Fig.3Soilsampleafterfreezing(thearrowspointtotheicelenses)不同于黏土或者粉质黏土在冻结过程中形成网状裂隙和互相交错的分凝冰层[1415]，粉土在冻结后的形成比较整齐的冷生构造：冰透镜体比较平整，无交叉现象，冻土中没有出现网状裂隙。可以用一种简单的方法估算饱和粉土冰透镜体的位置和厚度[16]。假设水分迁移只是聚集在冻结锋面附近的狭窄区域，根据冻胀速率和冻结速率计算出不同位置的含冰量分布：iifofw()vXvρθθρ=+（1）式中：iθ和oθ分别表示冻结后的体积含冰量和初始体积含冰量；v和fv分别为水分迁移速率和冻结锋面移动速率；iρ和wρ分别为冰密度和水密度；fX为冻结锋面位置。由于冻结锋面是移动的，根据式（1）计算结果可以绘制出冻土中含冰量分布图，如果计算的体积含冰量等于1，即微小土单元中只有冰，则该处产生冰透镜体。1#和6#试验的含冰量计算结果由图4给出，并显示了冰透镜体的位置和厚度，图中黑色横线表示冰透镜体。(a)1#试验(b)6#试验图4含冰量和冰透镜体计算结果Fig.4Simulatedicecontentandicelenses3.2冻胀与水分迁移以7#试验为例，图5给出了边界温度的变化曲线，图6给出了冻胀量和冻结锋面的变化曲线。对比图5、6可以看出，在10h时，底板温度降低，冻结锋面迅速上升，冻土段长度增大，且冻胀量曲线陡增。在13h时，底板温度升高并保持到24h，在这段时间内，冻结锋面下移，土样处于融化阶段?
【图文】：
样放入直径为100mm的圆柱形有机玻璃筒中，侧面由保温材料隔热。顶板和底板由铜制成，通过低温恒温槽循环液控制温度。试验时底板为负温，顶板保持正温，形成从下往上冻结的一维温度常通过热电偶测得沿着土样高度的温度，热电偶间距为1cm，通过顶板的电子尺测得总的冻胀量。顶板有补水孔与外界水源连通，，通过人工记录补进的水量乘以水冻结成冰体积增大系数，即可以计算出补水冻胀量。恒水头补水装置较多地使用马氏瓶，为了避免马氏瓶读数不精确、补水反应不灵敏的缺点，本研究采用一种圆形盘管式补水装置，其实物图见图1。将内径为4mm、外径为6mm的塑料管盘绕成环形水平放置，其表面标记有刻度，最小刻度长度为1cm，先将塑料管中充满水，一端与冻胀仪进水口相连，另一端与大气相通，实现恒水头补水，通过管中水-气界面读数则可以计算出补水量。试验表明，该补水装置精度较高，计算的水质量最小误差为0.03g。本文试验用土取自黄河冲击平原粉土，其液限为29%，塑限为17%，冻结温度为0.2℃，试样干密度为1.6g/cm3，初始含水率控制在约24%，饱和图1盘式补水管Fig.1Curledtubeforsupplyingwater度约90%。前人已做较多边界温度恒定的冻胀试验研究，由于冻胀速率与温度梯度和冻结速率有关系[14]，因此，本研究改变边界温度进行试验，可以同时改变温度梯度和瞬态冻结速率。另外，试验表明，当温度稳定时，在冻结锋面处易于形成冰透镜体。为了使土样形成多层冰透镜体，本文采用了阶梯型变化的边界温度条件。对高度为55mm土样进行了10次试验：在编号为1#～7#的试验中，通过调整不同边界温度研究温度梯度和冻结速率对冻胀量和冷生结构的影响；在编号为S1～S3的试验中，边界温度条件保持不变，冻结时间分别为10、22、
第9期魏厚振等：饱和粉土冻结过程中的水分迁移试验研究2549(a)1#试验(b)6#试验图2边界温度随时间变化曲线Fig.2Boundarytemperaturevs.time(a)1#试验(b)6#试验图3冻结后的土样(箭头指向为冰透镜体)Fig.3Soilsampleafterfreezing(thearrowspointtotheicelenses)不同于黏土或者粉质黏土在冻结过程中形成网状裂隙和互相交错的分凝冰层[1415]，粉土在冻结后的形成比较整齐的冷生构造：冰透镜体比较平整，无交叉现象，冻土中没有出现网状裂隙。可以用一种简单的方法估算饱和粉土冰透镜体的位置和厚度[16]。假设水分迁移只是聚集在冻结锋面附近的狭窄区域，根据冻胀速率和冻结速率计算出不同位置的含冰量分布：iifofw()vXvρθθρ=+（1）式中：iθ和oθ分别表示冻结后的体积含冰量和初始体积含冰量；v和fv分别为水分迁移速率和冻结锋面移动速率；iρ和wρ分别为冰密度和水密度；fX为冻结锋面位置。由于冻结锋面是移动的，根据式（1）计算结果可以绘制出冻土中含冰量分布图，如果计算的体积含冰量等于1，即微小土单元中只有冰，则该处产生冰透镜体。1#和6#试验的含冰量计算结果由图4给出，并显示了冰透镜体的位置和厚度，图中黑色横线表示冰透镜体。(a)1#试验(b)6#试验图4含冰量和冰透镜体计算结果Fig.4Simulatedicecontentandicelenses3.2冻胀与水分迁移以7#试验为例，图5给出了边界温度的变化曲线，图6给出了冻胀量和冻结锋面的变化曲线。对比图5、6可以看出，在10h时，底板温度降低，冻结锋面迅速上升，冻土段长度增大，且冻胀量曲线陡增。在13h时，底板温度升高并保持到24h，在这段时间内，冻结锋面下移，土样处于融化阶段?
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3 徐e呑
本文编号：2574642
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