基于凍融作用的土體含水率降低技術(shù)研究

摘 要：外部環(huán)境溫度降低，土體表面開(kāi)始凍結(jié)，形成冰透鏡體，使未凍結(jié)土體中的水分向上遷移到達(dá)凍結(jié)峰面，從而降低高含水量土體中的含水率。本研究采用大型沙袋代替現(xiàn)場(chǎng)土體罐，進(jìn)行凍結(jié)干燥試驗(yàn)的研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：采用凍結(jié)干燥的方法，可以降低土樣中的含水量；在寒冷地區(qū)采用凍結(jié)干燥的方法降低土體含水率是可行的，該技術(shù)使土樣的改良操作簡(jiǎn)單，且經(jīng)濟(jì)有效。

關(guān)鍵詞：土體，含水率；凍結(jié)干燥；冰透鏡；脫水

1 概述

由于河流、湖泊和沼澤等土的含水率高，強(qiáng)度低，未經(jīng)處理的土無(wú)法用作土木工程材料。這些廢土的丟棄勢(shì)必會(huì)占用水率土地面積，增加環(huán)境負(fù)擔(dān)，同時(shí)造成資源浪費(fèi)。因此，亟需研究對(duì)這種高含水率土的有效利用。

文章利用寒冷氣候的作用來(lái)降低高含水率土體的含水率。sato等利用寒冷氣候的作用以及專(zhuān)門(mén)制作的土體罐通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)高含水率土體進(jìn)行脫水作用，結(jié)果表明，該方法對(duì)降低土體含水率有良好的效果（sato等2009、2010、2011）。然而，該方法在實(shí)際使用中成本較高，其主要原因是這種特殊土體罐的造價(jià)高且土體改良前后土體罐的轉(zhuǎn)運(yùn)困難。因此，文章基于寒冷氣候的脫水的方法，采用大型沙袋代替特制的土體罐，通過(guò)凍結(jié)高含水率土體，產(chǎn)生冰透鏡來(lái)降低含水率。相比于之前的方法，該方法會(huì)大大降低土體改良費(fèi)用。

2 凍結(jié)干燥的原理

冷凍干燥原理如圖1所示，該原理適用于寒冷地區(qū)土體的凍結(jié)從而降低高含水率地基的含水率。在土體凍結(jié)過(guò)程中，細(xì)粒土易發(fā)生凍脹，水分從未凍層遷出，在凍結(jié)面附近形成冰透鏡體。隨著溫度降低，熱平衡被打破，凍結(jié)區(qū)域向深層延伸，導(dǎo)致凍結(jié)區(qū)域的冰透鏡成層分布。當(dāng)這些冰透鏡體完全形成，使得下面不凍區(qū)的水分降低，土體的含水率會(huì)也顯著降低。

3 試驗(yàn)方法

當(dāng)土體凍結(jié)的區(qū)域越大，脫水效果越好，因此凍結(jié)干燥使用球形沙袋。本試驗(yàn)采用寬120cm、高70cm，體積為1m3的聚酯袋裝滿(mǎn)高含水率土，將其置于寒冷氣候條件下，經(jīng)過(guò)凍結(jié)一段時(shí)間后測(cè)試其性能。

試驗(yàn)用土為湖中選取的高含水率土體，選取兩組（即A、B）進(jìn)行土體改良試驗(yàn)。

A樣本的溫度與含水率測(cè)試都沿豎直方向測(cè)試，同時(shí)測(cè)量沙袋頂部與底部的水平方向上溫度和含水率的變化；對(duì)于B樣本，溫度與含水率測(cè)試沿水平方向測(cè)試，測(cè)試位置應(yīng)與沙袋豎向方向?qū)ΨQ(chēng)。

在所有的試驗(yàn)中，南北方向即為水平方向，通過(guò)溫度應(yīng)變計(jì)自動(dòng)記錄每小時(shí)試驗(yàn)土體溫度和氣溫變化情況，其中溫度計(jì)布置于南北方向的主要原因是研究太陽(yáng)輻射（南）與太陽(yáng)未輻射（北）對(duì)土體溫度和含水率的影響。每隔一個(gè)月打開(kāi)沙袋，并取沿沙袋南北方向中心位置的土體樣本，采用烘箱干燥法測(cè)樣本含水率。

表1所示為試驗(yàn)用土的基本物理性質(zhì)，基于粒度的凍結(jié)敏感性評(píng)估方法，A是高含水率細(xì)粒土，對(duì)凍脹敏感性強(qiáng)，而B(niǎo)粉質(zhì)土，對(duì)凍脹敏感性較弱，無(wú)法確定其稠度界限。這些試驗(yàn)用土都是軟而不可壓實(shí)的材料。當(dāng)沙袋內(nèi)土體的溫度測(cè)量結(jié)束后，從中收集樣本，測(cè)量含水率。

試驗(yàn)前先對(duì)土樣進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁缓髮⑵涔嗳氚藗€(gè)沙袋，其中一個(gè)用于溫度測(cè)量，其余七個(gè)用于含水率測(cè)試。表2所示為試驗(yàn)條件和測(cè)量位置，在A、B測(cè)試時(shí)，應(yīng)在凍結(jié)之前立即把土體灌入沙袋。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)寒冷地區(qū)降低土體含水率的方法進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：（1）利用寒冷氣候條件和大型沙袋使高可以降低含水率土樣的含水率，因?yàn)榇釉黾恿送翗优c外部空氣接觸的面積，從而促進(jìn)沙袋中土樣的水分從內(nèi)到外大規(guī)模遷移并在整個(gè)外表面升華。此外，土樣解凍后，沙袋也促進(jìn)了表面水分的蒸發(fā)。（2）本研究的結(jié)論表明在寒冷地區(qū)采用凍結(jié)干燥的方法降低土體含水率是可行的，該技術(shù)使土樣的改良操作簡(jiǎn)單，且經(jīng)濟(jì)有效。

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作者簡(jiǎn)介：魏國(guó)帥（1989-），男，漢族，河南省安陽(yáng)市人，主要研究方向?yàn)閹r土工程。