封闭系统单向冻结淤泥质黏土水分迁移特性研究

发布时间：2021-07-04 05:34

　　高含水率饱和淤泥质软黏土在封闭系统中由冻结引起的土体内部水分迁移是影响其冻胀速率的重要因素。为揭示冷端温度对沿海软黏土水分迁移特性的影响,采用上海第四系滨海-浅海相淤泥质黏土,在-5～-20℃冷端温度条件下开展了封闭系统单向冻结试验,测定了试样冻胀量及沿着温度梯度方向的试样温度,得到了冻结锋面高度随冻结时间的发展规律、引起水分迁移的临界温度梯度、水分迁移入流通量及入流速率。结果表明:试样冻结锋面高度是关于冻结时间的函数,其拟合公式形如X（t）=t（at+b）-1;冻结区内温度梯度降低至临界温度梯度是水分迁移起始的判据,随着冷端温度的降低,临界温度梯度线性增大;水分入流速率随冻结时间的延长先增大后减小,水分入流通量-冻结时间曲线随冷端温度的降低由"S型"逐渐趋于线性;结合临界温度梯度-冷端温度关系式和冻结锋面高度-冻结时间拟合公式,可预测某一冷端温度条件下封闭系统单向冻结过程中试样内部水分迁移的起始时刻。以上试验结果有助于推进封闭系统单向冻结过程中高含水率软土水分迁移特性的定量研究,为沿海软土地区冻结法施工中冻胀量预警提供重要参考依据。 

【文章来源】：工程地质学报. 2020,28(05)北大核心CSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

封闭系统单向冻结仪及传感器示意图

冻结过程中实时记录距离冷端不同高度处的试样温度，使用二次多项式函数对测点温度与测点高度进行拟合，由此获得0i℃等温线(冻结锋面)高度随冻结时间的变化关系(图2)。由图2可见，冻结锋面高度随冻结时间的延长而增大，冻结锋面推进速率逐渐减小。随着冷端温度的降低，冻结锋面推进至试样顶面(50imm)所需的时间缩短。在相同冻结时间下，冷端温度越低，试样冻结锋面高度越大。这是由于在试验过程中低温冷却液、冻结仪底座及试样组成一个热交换系统。低温冷却液与冻结仪底座发生热对流，冻结仪底座再与试样发生热传导使试样温度降低。在冷端初始温度下，系统热交换达到平衡，试样维持稳定的初始温度。当冷端降温至目标温度后，原先的热交换平衡被打破，系统热能排出量大于热能补给量，导致试样温度降低，冻结锋面持续推进。在冻结初期，冷端仅与其上部小范围试样进行热交换，热能排出量远大于热能补给量，试样温度迅速降低，因此冻结锋面推进速率大。随着冻结锋面的推进，热交换范围不断扩大，热能补给量增大，系统热交换向平衡状态过渡，试样降温速率减小，因此冻结锋面推进速率减小。当冷端温度降低，系统热能排出量增大，冻结锋面推进速率增大，因此在相同冻结时间下冻结锋面高度增大，且冻结锋面推进至试样顶面所需的时间缩短。冻结锋面高度随冻结时间的变化可由式(1)描述，不同冷端温度条件下拟合参数a、b的值见表3。

根据Konrad(1989)提出的分凝冻胀理论可知，单位冻结时间内试样分凝冻胀量远大于原位冻胀量，因此在试样内部发生分凝冻胀的冻结时间区间内可不考虑原位冻胀对总冻胀量的影响。通过冻结锋面的水分迁移入流通量由其高度表示(式2)，入流通量根据试样冻胀量由式(3)计算，将式(3)对冻结时间t求导即得入流速率。式中:hw为通过冻结锋面的入流通量(mm);mw为通过冻结锋面的迁移水质量(g);ρw为未冻水密度(g·cm-3);A为试样横截面积(cm2);S为冻胀量(mm)。

【参考文献】：
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本文编号：3264146