冻土毛细–薄膜水分迁移机制及其试验验证

发布时间：2021-01-13 05:02

　　λ鉴于毛细理论和薄膜水理论只考虑一种水分迁移机制,难以全面合理揭示土体冻胀机理。根据毛细水和薄膜水在孔隙中的赋存特征,提出以孔径D=0.1μm或横向弛豫时间T2=2.5 ms作为毛细水和薄膜水的判别条件。基于流体动力学和热力学基本原理,分别建立了薄膜水迁移驱动力、广义Clapeyron方程力学和毛细–薄膜水迁移驱动力模型,给出了压力变量和吸力变量之间的换算系数λ;模型分析表明,冻结大孔在弯曲冰–水界面处产生一集中吸力,驱使未冻孔隙中的毛细水和薄膜水向冻结大孔内部迁移;其迁移路径为:未冻孔隙中的毛细水和颗粒表面薄膜水→弯曲冰–水界面→冻结大孔内壁薄膜水。最后,根据粉土在冻结过程中的低场–核磁共振试验,证明了毛细水和薄膜水的分界线,并验证了毛细–薄膜水分迁移模型及迁移路径的正确性。 

【文章来源】：岩土工程学报. 2020,42(10)北大核心

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

低场-核磁共振试验平台

首先对冻结前的饱和粉土开展低场–核磁共振试验，测得T2谱分布。鉴于T2值与孔隙半径R成正比[32]，再根据Yao等[19]给出的T2值和孔径D之间的换算标准，得到其孔隙分布，见图10。由图10可知，粉土内部孔隙主要集中在0.3μm以下的孔隙区间，占比高达96.91%；在0.3～3μm的孔隙区间，占比只有2.85%；在10～60μm的孔隙区间，占比仅为0.24%。此外，由于毛细水和薄膜水的孔径分界线为D=0.1μm[18-19]，可知饱和粉土中薄膜水含量为86.84%，而毛细水含量仅为13.16%。

通过低场–核磁共振试验，对饱和粉土和非饱和粉土在冻结过程的孔隙分布分别进行测定，得到了粉土的信号强度随温度变化曲线簇，见图11。根据图11(a）可知，饱和粉土首先经历过冷阶段，随后未冻水含量随温度降低迅速减小。若以孔径D=0.1μm（或T2=2.5 ms）作为毛细水和薄膜水分界线，发现在温度降到-2℃之前，毛细水和薄膜水含量随温度降低逐步减小，并伴随着毛细管孔径的依次减小。当温度低于-2℃时，在0.001～0.1μm区间的薄膜水含量继续减小，但未冻毛细管的最大孔径D0始终保持在0.1μm不变。此外，根据图11(b）可知，在非饱和状态下，粉土中的毛细水含量很小，可以忽略不计，水分主要以薄膜水的形式储存在颗粒表面。在冻结过程中，发现非饱和粉土薄膜水含量始终在0.001～0.1μm区间内变化，而未冻毛细管的最大孔径D0仍保持在0.1μm不变。

【参考文献】：
期刊论文
[1]砂岩冻融损伤机制的理论分析和试验验证[J]. 贾海梁,项伟,谭龙,张伟丽,曾雯,曹慎,程超杰.  岩石力学与工程学报. 2016(05)
[2]冻土未冻水含量的低场核磁共振试验研究[J]. 谭龙,韦昌富,田慧会,周家作,魏厚振.  岩土力学. 2015(06)



本文编号：2974267