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關于凍區鹽漬土水熱耦合效應及對力學性能的影響
論文關鍵詞 鹽漬土 水份遷移 溫度場 水熱耦合 凍結強度
論文摘要 水份遷移和溫度場變化是引起路基凍脹融沉的直接因素。針對凍區高氯鹽漬土,經水熱場耦合作用后水份遷移和溫度場分布規律進行了室內動態試驗,研究了水熱耦合作用對力學性能的影響。結果表明:單向凍結過程中,水份向溫度較低的地方遷移,遷移量隨土體深度的增加而增加;水熱耦合作用后的土體凍結強度有不同程度上升,提升后的強度隨土體深度增加而降低,遠離凍區端因鹽晶析出導致土凍結強度有所回升。
土的凍結,引起水份向正凍區運動,并試圖以冰的形式充填這個區域。由于土體表面溫度的降低,未凍結之前的土體中的能量平衡被打破,除引起水分的遷移外,也引起土中溫度的重新分布[1]。在鹽漬土中,還伴隨產生土中鹽分的濃度梯度,同時鹽分也重新分布,從而導致空間全新的固、液、氣組合狀態。水熱耦合效應變化是凍土工程中引起凍脹融沉最重要的因素之一。
近30年來,國內外凍土學者從單一場影響因素的研究發展到水、熱兩方面的綜合統一研究,去認識凍脹機理。1973年, Harlan R·L·提出了土體凍結過程中水-熱遷移耦合模型[2],從此進入多場耦合問題的研究階段。Harlan ( 1973 )、Sheppard(1978)[3]提出凍土中熱質遷移與水分遷移相互作用的流體動力學模型。苗天德等(1999 )[4], [5]在連續流體力學混合論框架下研究了凍土力學-熱學性質,建立起固、液兩相介質伴有相變的水、熱二場耦合模型。毛雪松[6]對室內小型試件進行了水分遷移過程的水分場和溫度場動態觀測,并應用水熱耦合模型對模型試件溫度場、水分場進行數值模擬。考慮到鹽漬土尤其是高氯鹽漬土土體本身的復雜性,本文通過室內動態試驗,分析高氯鹽漬土水熱耦合規律,并研究水熱變化對土體力學性能的影響。
1 試樣、試驗設備和試驗方法
(1)試樣取自青藏高原那曲河地區,該區地基土系由洪積、湖積和湖泊化學沉積的鹽層及超氯鹽漬土組成。土樣天然含水量為10·61 %,易溶鹽含量為12·01%,主要成分為氯化鈉和氯化鉀。顆粒分析結果如表1。
(2)試驗設備采用西南交大自行研制的封閉式單向凍結特性測試系統(見圖1、圖2),在土樣無破損的條件下,對土柱中的點位進行溫度和含水量的動態觀測。設備主要由三個系統組成:溫度、水份及變形檢測系統(溫度傳感器、水份傳感器和百分表等);溫度場建立系統(制冷壓縮機及控制系統);絕熱樣品室系統(尼龍試樣套管、聚氨酯泡沫絕熱層和石棉保溫套)。土柱高25 cm,直徑10 cm。
[1]
(3)取適量土樣,測其初始含水量(10·61% ),按最優干密度(1·79 g/cm3)分層裝入套管中,將加熱器安裝在試樣套管底部,緊固并確保其表面與試樣表面緊密結合;將溫度水份傳感器插入設定好的測試孔中,在試樣上表面敷一層保鮮膜,防止水分散失。接好加熱電源及各測試電纜后關閉模擬試驗箱蓋,調整好位移測量系統。開啟制冷系統及加熱器電源,調整制冷系統溫度和加熱器電源電壓以便得到研究所需的模擬環境溫度和溫度梯度。試驗時間為72小時,前12小時每1小時記錄一組數據,其后每3小時記錄數據一次。
2 試驗結果分析
試驗數據整理后見圖3、圖4。
圖3中,在0 mm (表面至下0 mm,后略)處為模擬環境溫度,除開始(0~2小時)由室溫轉變為模擬環境溫度外,其曲線一直保持平穩(-10℃左右); 50 mm、100 mm、150 mm和200 mm曲線趨勢大致相同,前12小時溫度下降趨勢較明顯,其后曲線較平穩,達到穩態;由表面至底端同一時刻溫度變化量逐步減小,說明試樣溫度梯度是隨深度增加而減小的。
圖4中,在25 mm處,含水量隨時間增加而增加, 12小時左右后,基本保持不變( 13·1 %~13·5% ),較初始含水量(10·61 % )升高23·47% ~27·24%;在75mm處開始階段(0~5小時)含水量有迅速下降趨勢,隨后(6~12小時)含水量逐步增加, 12小時后基本穩定(11·3 % ~11·6 % ),較初始含水量升高6·50 % ~9·33 %;在125 mm、175 mm和225 mm處曲線走勢比較接近,即開始階段(0~8小時)含水量逐步減少, 10小時左右后又稍微升高, 15小時后一直保持在9·6 % ~10·5 %之間,較初始含水量降低1·04% ~9·52%。
以上現象初析為:因外界環境溫度迅速下降,接近外界環境一端(土樣上表面附近)溫度變化要先于遠離外界環境端,試件會產生較大的溫度梯度從而破壞了土體中的水量平衡,使其水份場發生重新分布,水份從土樣的暖端向冷端遷移,進而土柱上層的含水量較凍結前有所提高,即為25mm和75mm二曲線所表現。除25 mm曲線外,其他曲線都有先降后升現象,初析為凍結初始階段土樣各層水份要向上遷移同時接受下層水份移入補給,由于水份遷移量與溫度梯度有關,隨梯度減小而減少[7], [8]。由圖3可知溫度梯度隨土樣深度增加而降低,從而導致某層土樣在初始時段或出現水份來不及補給的現象(75 mm曲線迅速下降),或遷移量大于補給量,含水量逐步減少的現象。當溫度場(見圖3) 12小時左右穩定后,水份場在15小時左右達到穩定。
3 水熱耦合效應對力學性能的影響
鹽漬土的三相與非鹽漬土不同,它的液相是鹽溶液,固相包括土顆粒和結晶鹽[9],凍區鹽漬土還會有冰晶產生,因此溫度場和水份場的變化鹽漬土的工程性質有不確定性。本文以凍結強度為指標,將試驗過后的土樣分層進行無側限抗壓強度試驗,研究水熱耦合效應對土樣力學性能的影響。
3·1 試驗方法
將水熱耦合試驗的土樣分為5層,匯集幾次平行試驗土樣,每層土樣放入保鮮袋中防止水份及鹽份散失;試樣為直徑40 mm、高80 mm的圓柱體,每層土樣的試樣套入保鮮膜并按相應環境溫度進行冷凍(見表2),時間24小時,同時另取水熱耦合前土樣,以作對比;試驗采用GB4540 -84應變控制式靜三軸剪切儀,將保溫瓶內制備好的試樣迅速放在加壓板上進行試驗。
[2]
3·2 試驗結果分析
試驗數據整理后見圖5。
從圖5看出,經水熱耦合作用后,土樣強度均有不同程度的提高(10·0% ~84·1% ),增加量隨土樣深度增加而減小,原因是由于凍結溫度對凍結強度影響較大,另外因水份遷移,土層上部含水量較大,會產生更多的冰晶,加強了土顆粒之間的聯結;土樣最底端強度有所回升(5層較4層提高18·2% ),原因初析:土樣為高氯鹽漬土,由于水份遷移會伴隨產生鹽晶的析出,土樣內部微觀結構發生變化,從而導致土強度增強[10]。
4 結語
(1)高氯鹽漬土在單向凍結條件下,產生的溫度梯度是隨土樣深度增加而減小。溫度梯度是水份遷移的重要原因,水份會向溫度降低的地方遷移,遷移量隨溫度梯度的增加而增加。
(2)高氯鹽漬土凍結后總體強度均有不同程度的提升(10% ~84% ),提升后的強度隨其深度增加而降低,其中在最底端因鹽晶析出導致土凍結強度有所回升。
(3)溫度場、水份場由瞬態轉向穩態時間并不一致,本次試驗分別為12、15小時。今后很有必要對此進行更深入研究,這對季節性凍區凍土工程的施工有著重要意義。
參考文獻:
[1]徐學祖,王家澄,張立新.凍土學[M].北京:科學出版社, 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,牛永紅等.正凍土中水熱遷移問題的混合物理論模型[J].中國科學(D輯), 1999, 29 (1): 8-14.
[5]郭力,苗天德. Thermodynamic model of heat-moisture migration insaturated freezing soil [J].巖土工程學報, 1998, 20 (5): 87-91.
[6]毛雪松.多年凍土地區路基水熱力場耦合效應研究[D].博士論文,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.鹽漬土地基[M].北京:中國出版社, 1993: 20-22.
[10]王春雷,姜崇喜,謝強等.析晶過程中鹽漬土的微觀結構變化[J].西南大學學報, 2007, 42 (1): 66-69.
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