关于冻区盐渍土水热耦合效应及对力学性能的影响

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翻新时间：2013-12-18

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关于冻区盐渍土水热耦合效应及对力学性能的影响

论文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规律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。

1 试样、试验设备和试验方法

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2 试验结果分析

试验数据整理后见图3、图4。

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。

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3·2 试验结果分析

试验数据整理后见图5。

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。

参考文献:

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

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

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