关于冻区盐渍土水热耦合效应及对力学性能的影响

　　关键词　盐渍土　水份迁移　温度场　水热耦合　冻结强度

　　论文摘要　水份迁移和温度场变化是引起路基冻胀融沉的直接因素。针对冻区高氯盐渍土,经水热场耦合作用后水份迁移和温度场分布进行了室内动态试验,研究了水热耦合作用对力学性能的影响。结果表明:单向冻结过程中,水份向温度较低的地方迁移,迁移量随土体深度的增加而增加;水热耦合作用后的土体冻结强度有不同程度上升,提升后的强度随土体深度增加而降低,远离冻区端因盐晶析出导致土冻结强度有所回升。

　　土的冻结,引起水份向正冻区运动,并试图以冰的形式充填这个区域。由于土体表面温度的降低,未冻结之前的土体中的能量平衡被打破,除引起水分的迁移外,也引起土中温度的重新分布[1]。在盐渍土中,还伴随产生土中盐分的浓度梯度,同时盐分也重新分布,从而导致空间全新的固、液、气组合状态。水热耦合效应变化是冻土工程中引起冻胀融沉最重要的因素之一。

　　近30年来,国内外冻土学者从单一场影响因素的研究到水、热两方面的综合统一研究,去认识冻胀机理。1973年, Harlan R·L·提出了土体冻结过程中水-热迁移耦合数学模型[2],从此进入多场耦合问题的研究阶段。Harlan ( 1973 )、Sheppard(1978)[3]提出冻土中热质迁移与水分迁移相互作用的流体动力学模型。苗天德等(1999 )[4], [5]在连续流体力学混合物理论框架下研究了冻土力学-热学性质,建立起固、液两相介质伴有相变的水、热二场耦合模型。毛雪松[6]对室内小型试件进行了水分迁移过程的水分场和温度场动态观测,并应用水热耦合模型对模型试件温度场、水分场进行数值模拟。考虑到盐渍土尤其是高氯盐渍土土体本身的复杂性,本文通过室内动态试验,分析高氯盐渍土水热耦合规律,并研究水热变化对土体力学性能的影响。

　　1　试样、试验设备和试验方法

　　(1)试样取自青藏高原那曲河地区,该区地基土系由洪积、湖积和湖泊化学沉积的盐层及超氯盐渍土组成。土样天然含水量为10·61 %,易溶盐含量为12·01%,主要成分为氯化钠和氯化钾。颗粒分析结果如表1。

　　　　　　　　　

　　(2)试验设备采用西南交大自行研制的封闭式单向冻结特性测试系统(见图1、图2),在土样无破损的条件下,对土柱中的点位进行温度和含水量的动态观测。设备主要由三个系统组成:温度、水份及变形检测系统(温度传感器、水份传感器和百分表等);环境温度场建立系统(制冷压缩机及控制系统);绝热样品室系统(尼龙试样套管、聚氨酯泡沫绝热层和石棉保温套)。土柱高25 cm,直径10 cm。

　　　　　　　　
　　(3)取适量土样,测其初始含水量(10·61% ),按最优干密度(1·79 g/cm3)分层装入套管中,将加热器安装在试样套管底部,紧固并确保其表面与试样表面紧密结合;将温度水份传感器插入设定好的测试孔中,在试样上表面敷一层保鲜膜,防止水分散失。接好加热电源及各测试电缆后关闭模拟环境试验箱盖,调整好位移测量系统。开启制冷系统及加热器电源,调整制冷系统温度和加热器电源电压以便得到研究所需的模拟环境温度和温度梯度。试验时间为72小时,前12小时每1小时记录一组数据,其后每3小时记录数据一次。

　　2　试验结果分析

　　试验数据整理后见图3、图4。

　　　　　　　

　　图3中,在0 mm (表面至下0 mm,后略)处为模拟环境温度,除开始(0~2小时)由室温转变为模拟环境温度外,其曲线一直保持平稳(-10℃左右); 50 mm、100 mm、150 mm和200 mm曲线趋势大致相同,前12小时温度下降趋势较明显,其后曲线较平稳,达到稳态;由表面至底端同一时刻温度变化量逐步减小,说明试样温度梯度是随深度增加而减小的。

　　图4中,在25 mm处,含水量随时间增加而增加, 12小时左右后,基本保持不变( 13·1 %~13·5% ),较初始含水量(10·61 % )升高23·47% ~27·24%;在75mm处开始阶段(0~5小时)含水量有迅速下降趋势,随后(6~12小时)含水量逐步增加, 12小时后基本稳定(11·3 % ~11·6 % ),较初始含水量升高6·50 % ~9·33 %;在125 mm、175 mm和225 mm处曲线走势比较接近,即开始阶段(0~8小时)含水量逐步减少, 10小时左右后又稍微升高, 15小时后一直保持在9·6 % ~10·5 %之间,较初始含水量降低1·04% ~9·52%。

　　以上现象初析为:因外界环境温度迅速下降,接近外界环境一端(土样上表面附近)温度变化要先于远离外界环境端,试件会产生较大的温度梯度从而破坏了土体中的水量平衡,使其水份场发生重新分布,水份从土样的暖端向冷端迁移,进而土柱上层的含水量较冻结前有所提高,即为25mm和75mm二曲线所表现。除25 mm曲线外,其他曲线都有先降后升现象,初析为冻结初始阶段土样各层水份要向上迁移同时接受下层水份移入补给,由于水份迁移量与温度梯度有关,随梯度减小而减少[7], [8]。由图3可知温度梯度随土样深度增加而降低,从而导致某层土样在初始时段或出现水份来不及补给的现象(75 mm曲线迅速下降),或迁移量大于补给量,含水量逐步减少的现象。当温度场(见图3) 12小时左右稳定后,水份场在15小时左右达到稳定。

　　3　水热耦合效应对力学性能的影响

　　盐渍土的三相与非盐渍土不同,它的液相是盐溶液,固相包括土颗粒和结晶盐[9],冻区盐渍土还会有冰晶产生,因此温度场和水份场的变化盐渍土的工程性质有不确定性。本文以冻结强度为指标,将试验过后的土样分层进行无侧限抗压强度试验,研究水热耦合效应对土样力学性能的影响。

　　3·1　试验方法

　　将水热耦合试验的土样分为5层,汇集几次平行试验土样,每层土样放入保鲜袋中防止水份及盐份散失;试样为直径40 mm、高80 mm的圆柱体,每层土样的试样套入保鲜膜并按相应环境温度进行冷冻(见表2),时间24小时,同时另取水热耦合前土样,以作对比;试验采用GB4540 -84应变控制式静三轴剪切仪,将保温瓶内制备好的试样迅速放在加压板上进行试验。

　　　　　　　　
　　3·2　试验结果分析

　　试验数据整理后见图5。

　　　　　　　

　　从图5看出,经水热耦合作用后,土样强度均有不同程度的提高(10·0% ~84·1% ),增加量随土样深度增加而减小,原因是由于冻结温度对冻结强度影响较大,另外因水份迁移,土层上部含水量较大,会产生更多的冰晶,加强了土颗粒之间的联结;土样最底端强度有所回升(5层较4层提高18·2% ),原因初析:土样为高氯盐渍土,由于水份迁移会伴随产生盐晶的析出,土样内部微观结构发生变化,从而导致土强度增强[10]。

　　4　结语

　　(1)高氯盐渍土在单向冻结条件下,产生的温度梯度是随土样深度增加而减小。温度梯度是水份迁移的重要原因,水份会向温度降低的地方迁移,迁移量随温度梯度的增加而增加。

　　(2)高氯盐渍土冻结后总体强度均有不同程度的提升(10% ~84% ),提升后的强度随其深度增加而降低,其中在最底端因盐晶析出导致土冻结强度有所回升。

　　(3)温度场、水份场由瞬态转向稳态时间并不一致,本次试验分别为12、15小时。今后很有必要对此进行更深入研究,这对季节性冻区冻土工程的施工有着重要意义。

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[1]徐学祖,王家澄,张立新.冻土物[M].北京:出版社, 2001.

[2] Harlan, R·L·, Analysis of coupled heat-fluid transport in partially frozensoi,l WaterResourcesResearch. l973, 9 (5): 1314-1323.

[3] Harlan, R·L·andNixon, J·F·, Ground thermal regime, Geotech. Eng. forCold Regions, 1979: 103-150.

[4]苗天德,郭力,牛永红等.正冻土中水热迁移问题的混合物理论模型[J].科学(D辑), 1999, 29 (1): 8-14.

[5]郭力,苗天德. Thermodynamic model of heat-moisture migration insaturated freezing soil [J].岩土工程学报, 1998, 20 (5): 87-91.

[6]毛雪松.多年冻土地区路基水热力场耦合效应研究[D].博士,2004. 4.

[7] Hoekstra·P·, Moisture movement in soil under temperature gradients withcold side temperature below freezing. WaterResources Research. 1966, 2:241-250.

[8] Mi11er, R·D·, Freezing and heaving of saturated and unsaturated soils.Highway, ResearchRepor.t 1972, 393: 1-11.

[9]徐攸在.盐渍土地基[M].北京:中国建筑出版社, 1993: 20-22.

[10]王春雷,姜崇喜,谢强等.析晶过程中盐渍土的微观结构变化[J].西南大学学报, 2007, 42 (1): 66-69.