人工凍結(jié)粉質(zhì)粘土正凍過程中水分遷移室內(nèi)試驗研究

何 菲,王 旭

(蘭州交通大學 土木工程學院,甘肅 蘭州 730070)

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人工凍結(jié)粉質(zhì)粘土正凍過程中水分遷移室內(nèi)試驗研究

何 菲,王 旭

(蘭州交通大學 土木工程學院,甘肅 蘭州 730070)

為研究粉質(zhì)粘土在凍結(jié)過程中水分遷移規(guī)律及溫度分布特性,采用單向凍結(jié)水分遷移試驗儀及低溫試驗箱,對蘭州粉質(zhì)粘土進行了室內(nèi)單向凍結(jié)水分遷移試驗。試驗土樣采用人工制備蘭州黃土,液限33.0%、塑限19.5%。試樣直徑為10 cm、高度21 cm;試樣的初始含水率分別為13.4%、18.1%、24.6%,干密度分別為1.27 g/cm3、1.40 g/cm3、1.53 g/cm3,不同溫度差為7 ℃、9 ℃、11 ℃。在不同邊界條件下進行了7組試驗工作,測試了試樣在封閉系統(tǒng)中單向凍結(jié)水分遷移及溫度分布特性。試驗結(jié)果表明,試樣一定范圍內(nèi)側(cè)壁存在裂縫,裂縫處存在冰透鏡體。凍結(jié)溫度差對試樣凍結(jié)深度的影響最為明顯,溫度差越大水分遷移量越大。但就含冰(水)量峰值而言,溫度差較小時峰值較大。干密度較小時水分遷移量較明顯,含冰(水)量峰值較大。當初始含水率小于液限時,初始含水率越大,水分遷移量也越大。

粉質(zhì)粘土;凍結(jié);水分遷移;試驗研究

我國凍土面積分布廣泛,同時凍土區(qū)又蘊藏著豐富的土地、礦產(chǎn)、森林、畜牧業(yè)等資源。隨著我國工程建設(shè)的蓬勃興起以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施,在寒區(qū)修建的建筑、鐵路、公路、防災(zāi)減災(zāi)工程、電力工程等基礎(chǔ)設(shè)施越來越多,不可避免地會遇到愈來愈多的凍土工程問題。

由于凍土的抗剪強度主要受含冰量及未凍水含量的影響,隨著初始含水量的增加,凍土抗剪強度降低,引起工程病害的頻發(fā)。如寒區(qū)道路建設(shè)中的邊坡土體在冬季受到凍結(jié)作用的影響,水分向凍結(jié)鋒面遷移,使凍結(jié)鋒面附近土體含水量增大甚至富集形成冰層,引起凍脹病害的產(chǎn)生;夏季凍結(jié)冰層融化,造成邊坡失穩(wěn)、滑坡,嚴重影響邊坡的正常運營。因此,凍土中的水分遷移被視為研究凍融作用的一個核心問題,國內(nèi)外許多學者就土中水分遷移機理進行了試驗研究[1-6],但由于凍土的復(fù)雜性以及影響因素的多樣性,至今未得到統(tǒng)一的認識和結(jié)論。試樣溫度差、土體密度、初始含水量對水分遷移量的具體影響,尚需進一步研究。我們主要針對粉質(zhì)粘土的凍結(jié)試驗及分析,在不考慮外界水分補給的條件下,對粉質(zhì)粘土在一維凍結(jié)情況下的水分遷移特性進行了試驗研究。

1 試驗內(nèi)容及方法

試驗用土為蘭州黃土,試驗前先將所用土樣碾碎過2 mm篩,測得土樣液限33.0%,塑限19.5%,塑性指數(shù)13.5,屬于粉質(zhì)粘土。為了滿足本次試驗需要,首先研制了試驗裝置,如圖1所示。試驗中用到的儀器設(shè)備主要有:凍融循環(huán)試驗箱、恒溫箱、單向凍結(jié)水分遷移試驗儀、FLUKE萬用表、電阻式溫度傳感器、烘箱、電子天平、保溫材料等。

圖1 凍融循環(huán)試樣筒裝置Fig.1 Freezing and thawing cycle sampling drum setting drawing

試驗土樣長21 cm,直徑10 cm。沿試樣筒壁一側(cè)的豎直線上,自筒底4 cm以上范圍內(nèi),每隔3 cm 鉆孔徑為3 mm 的孔(共7個),在第7個孔上方1.5 cm處加設(shè)一個鉆孔,用于安插溫度傳感器,共8個。

土樣頂面和底面為溫度控制端,試驗前先將高低溫凍融循環(huán)箱的頂板、底板和箱體設(shè)為3 ℃,用于恒溫處理土樣,直至整個試樣溫度穩(wěn)定為3 ℃。試驗時改變頂板溫度,用于土樣的凍結(jié)。配置不同初始含水率、干密度、溫度差等7組試樣,分別測定每個土樣凍結(jié)過程中的溫度場分布,經(jīng)歷凍結(jié)時間后的水分分布,從而探討水分向凍結(jié)界面的遷移情況。試驗條件具體設(shè)計如表1所列。

表1 試驗土樣

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

(1)裂縫現(xiàn)象 試樣凍結(jié)完成后取出土樣,觀察土樣凍結(jié)狀態(tài)和側(cè)壁形態(tài)。發(fā)現(xiàn)冷板下一定范圍內(nèi)的土柱表面存在許多明顯的裂縫,裂縫中有冰晶存在。圖2為試樣在凍結(jié)60 h后土體表面的裂縫分布及局部放大圖。

圖2 試樣表面的裂縫分布及局部放大圖Fig.2 Crack distribution on sample surfaceand partial enlarged drawing

分析裂縫產(chǎn)生的原因:在溫度梯度作用下,水分向凍結(jié)鋒面附近發(fā)生遷移,使得土體過飽和而分凝形成冰透鏡體。由于土中冰體體積膨脹,使得土體中出現(xiàn)裂縫,且試驗中只存在沿豎向的溫度差,所以裂縫多呈水平狀態(tài)分布。

(2)水分積聚及冰透鏡體現(xiàn)象 冰透鏡體如圖3所示,從試樣外觀來看,裂縫上側(cè)明顯濕于下側(cè),將土樣在裂縫位置做切片處理,會發(fā)現(xiàn)土樣中含有大量的冰透鏡體,且試樣裂縫區(qū)域下部未凍結(jié)層含有明顯的水分積聚現(xiàn)象。冰透鏡體的分布呈水平排列,其分布模式與試樣表面的裂縫相對應(yīng)。

圖3 冰透鏡體現(xiàn)象Fig.3 Ice lenticle phenonmen

試樣凍結(jié)完成后在其表面能看到很明顯的或大或小的空洞,這是水分遷移或空氣排空后所遺留的[7],從而也說明水分發(fā)生了重新分布。

2.2 試樣凍結(jié)過程中溫度場分析

(1)不同時刻土樣溫度隨深度的分布 實驗過程中每隔2 h測定一次溫度。圖4是試樣2在不同時刻溫度沿土樣深度的分布。從圖4可以看出,初始時刻試樣經(jīng)過恒溫處理,土樣保持3 ℃,頂板開始降溫后溫度場沿深度的分布表現(xiàn)為弧形分布,開始的弧度較大,隨著時間的增長弧度減小,最后溫度場處于穩(wěn)定階段,溫度沿深度成近似線性分布。其余試樣在凍結(jié)過程中溫度隨深度的變化與圖4有著一致的規(guī)律。

圖4 試樣2凍結(jié)過程中溫度沿深度的分布曲線Fig.4 Temperature distribution curve along depthin process of sample 2 freezing

(2)試樣中心線各點溫度的變化規(guī)律 為了研究試樣在不同深度時溫度隨時間的變化規(guī)律,給出試樣1在整個凍結(jié)過程中溫度隨時間的變化曲線,如圖5所示。由圖5可知,在整個凍結(jié)過程中,試樣經(jīng)歷了溫度迅速降低階段、溫度緩慢降低階段以及溫度穩(wěn)定階段三個過程[8]。

圖5 試樣1中心線各點溫度隨時間的變化Fig.5 Temperature of each point along sample 1 center line with time changing

(3)試樣凍結(jié)深度與試樣觀察對比分析 為了研究試樣的凍結(jié)深度,首先需要測得試樣的凍結(jié)點溫度值。因此,在恒溫箱中進行了試樣凍結(jié)點溫度值的測定試驗[9]。圖6是含水量為24.6%、干密度為1.40 g/cm3試樣凍結(jié)點溫度的測試曲線。由圖6可得該土樣的凍結(jié)點溫度為-1.9 ℃。測得試樣的凍結(jié)點溫度后,再結(jié)合各試樣凍結(jié)穩(wěn)定階段的溫度測試值就可以推出試樣的凍結(jié)深度。圖7為試樣3～試樣7的凍結(jié)深度隨時間的變化曲線。

圖6 含水率為24.6%試樣中心溫度-時間的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between center temperature and time of sample which water content is 24.6%

圖7 土樣凍結(jié)深度的變化過程Fig.7 The changing process of soil sample freezing depth

從圖7可以得出,凍結(jié)60 h時,試樣3、試樣5、試樣7的凍結(jié)深度相差不大,約為34 mm。雖然這3個試樣的干密度相差較大,但是在相同的凍結(jié)溫度模式下凍結(jié)深度基本相同。由此可以得出,在試驗研究的干密度范圍內(nèi)試樣干密度對凍結(jié)深度的影響不明顯。

觀察試樣4、試樣5、試樣6的凍結(jié)深度曲線可以得出,改變試樣的凍結(jié)溫度差,試樣的凍結(jié)深度發(fā)生明顯的變化,試樣頂端溫度越低,凍結(jié)深度也越大。頂端溫度為-8 ℃的試樣4在凍結(jié)60 h時凍結(jié)深度達到了107 mm,頂端溫度為-6 ℃的試樣6凍結(jié)深度為85 mm,而頂端溫度為-4 ℃的試樣5凍結(jié)深度為34 mm。

從整個凍結(jié)深度的變化過程來看,凍結(jié)初期試樣凍結(jié)深度變化快,隨著凍結(jié)時間的增長,凍結(jié)深度的變化率逐漸減小。

圖8為試驗結(jié)束后試樣的側(cè)壁形態(tài)圖。由試樣凍結(jié)后的側(cè)壁形態(tài)圖可得,試樣的凍結(jié)部分與未凍結(jié)部分有明顯的區(qū)別,凍結(jié)部分土體顏色深于未凍結(jié)部分。就凍結(jié)深度而言,試樣側(cè)壁外觀凍結(jié)深度與基于溫度計算的凍結(jié)深度數(shù)值一致。

圖8 試驗結(jié)束后試樣的側(cè)壁形態(tài)Fig.8 After test,side wall form of sample

2.3 凍結(jié)完成后試樣中的水分重分布

凍結(jié)完成后,將試樣做切片處理,每1 cm為一個測試單元,用烘干法測定其含冰(水)量。試樣的初始含水量沿高度方向均勻分布,凍結(jié)過程中水分發(fā)生重分布,現(xiàn)就各因素下水分重分布現(xiàn)象進行分析。

(1)初始含水率對凍結(jié)后水分重分布的影響 圖9為不同初始含水率試樣凍結(jié)前后的水分沿深度分布曲線。由圖9可知,凍結(jié)完成后,試樣中含冰(水)量分布曲線的變化趨勢是相同的,試樣土層上部含冰(水)量增加,下部減少。初始含水率大的試樣水分遷移量大,凍結(jié)區(qū)含冰(水)量增加值也較大。對于含水率為13.4%的試樣1,凍結(jié)60 h時,中部水分向上部遷移,中下部含水率基本不變,含冰(水)量峰值較初始含水量只增大了1.5%;含水率為18.1%的試樣2凍結(jié)完成后,也主要表現(xiàn)為頂部3 cm范圍內(nèi)的水分遷移,下部有少量的水分遷移現(xiàn)象;當初始含水率為24.6%時,整個土層的水分遷移現(xiàn)象都比較明顯,凍結(jié)完成后含冰(水)量峰值比初始含水率增大了9.4%。試樣3凍結(jié)鋒面處水分大量積聚,土體含冰(水)量超過飽和含水量,凍結(jié)出現(xiàn)冰透鏡體,而在含水量較小的土樣中冰層不明顯。

圖9 不同初始含水率試樣凍結(jié)完成后水分分布Fig.9 Water distribution after freezing process under different initial water content

(2)溫度差對凍結(jié)后水分重分布的影響 不同溫度條件下試樣凍結(jié)60 h后的水分分布曲線如圖10所示。由圖10可知,頂板溫度越低,水分遷移現(xiàn)象越明顯。試樣5的未凍結(jié)區(qū)水分向上遷移量較小,而試樣4和試樣6中有大量的未凍水向上遷移。

圖10 不同凍結(jié)溫度差試樣凍結(jié)完成后水分分布Fig.10 Water distribution after freezing process under different freezing temperature

土樣頂端含水量與試樣凍結(jié)鋒面的遷移速率有關(guān)。結(jié)合圖7(試樣4、試樣5、試樣6凍結(jié)深度曲線)可知,凍結(jié)開始后的10 h內(nèi),試樣5的平均凍結(jié)速率為1.8 mm/h,試樣6的平均凍結(jié)速率為4.8 mm/h,試樣4的平均凍結(jié)速率達到了5.3 mm/h。凍結(jié)鋒面遷移速率越小,凍結(jié)鋒面在試樣頂部停留的時間越長,水分向頂部遷移的時間也越長,所以相對于試樣4、試樣6而言,試樣5頂部的含冰(水)量較大。

試樣含冰(水)量增大值區(qū)域隨頂板溫度的降低而增大。由圖10得到,溫差為7 ℃的試樣5含冰(水)量明顯增大區(qū)到頂板的距離是50 mm,而試樣6是70 mm,試樣4則達到了100 mm。含冰(水)量增大值區(qū)域在數(shù)值上跟試樣的凍結(jié)深度相近。

(3)干密度對凍結(jié)后水分重分布的影響 不同干密度條件下試樣凍結(jié)完成后的水分分布曲線如圖11所示。分析圖11可以得出:在研究規(guī)定的干密度范圍內(nèi),干密度越大,凍結(jié)區(qū)的含冰(水)量峰值越小,水分遷移量越小。當干密度較小時,未凍結(jié)區(qū)含水量呈“丿”型分布,未凍水向凍結(jié)鋒面遷移,底部水分向中部遷移,由于底部沒有外界水分補給,導(dǎo)致底部含水量比中部小。從而表現(xiàn)為干密度越大,水分遷移量越小的現(xiàn)象。

圖11 不同干密度試樣凍結(jié)完成后水分分布Fig.11 Water distribution after freezing process under different dry density

3 結(jié)論

人工凍結(jié)粉質(zhì)粘土試樣在單向凍結(jié)條件下的水分遷移試驗結(jié)果表明:

(1)試樣凍結(jié)段顏色深于未凍結(jié)段。凍結(jié)段側(cè)壁產(chǎn)生明顯的橫向裂縫,試樣內(nèi)部的裂縫對應(yīng)處分布有明顯的冰透鏡體。由于凍結(jié)過程中水汽的重新分布使得試驗表面出現(xiàn)或大或小的空洞。

(2)土樣上下端溫度差對土樣凍結(jié)深度的影響最大,溫度差從7 ℃增大到11 ℃時,凍結(jié)深度增加了2倍。其他條件相同時,干密度的變化對凍結(jié)深度影響不大。土樣側(cè)壁凍結(jié)深度試驗觀察值與基于溫度計算的凍結(jié)深度接近。

(3)土樣含水率小于液限時,初始含水率越大,試樣凍結(jié)過程中水分遷移量越大,含冰(水)量峰值也越大,能更明顯地觀察到冰透鏡體的存在。保持底板溫度不變,降低頂板溫度時,水分遷移量增大,但就含冰(水)量峰值而言則是在冷熱板溫度差較小時較大。在試驗所研究的干密度范圍內(nèi),干密度較小時,水分遷移較明顯。

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Study on Water Migration in Laboratory Test in the Freezing Process of Frozen Silty Clay by Manual Work

He Fei,Wang Xu

(SchoolofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

For the purpose of studying water migration rule and temperature distribution character of silty clay,use one-way freezing water migration tester and low-temperature test chamber to conduct test for one-way freezing water migration indoor of Lanzhou silty clay.The test soil sample used man-made Lanzhou loess,which liquid limit is 33% and plastic limit 19.5%.The diameter of sample is 10 cm,the height 21 cm;the initial water content is 13.4%,18.1% and 24.6%,dry density is 1.27 g/cm3,1.40 g/cm3and 1.53 g/cm3,the different temperature difference 7 ℃,9 ℃ and 11 ℃.We conduct 7 test works under different boundary conditions,testing one-way freezing water migration and temperature distribution property of sample in close system.The result shows that,in some range,the inside wall exists crack which has ice lenticle.The freezing temperature difference has obvious effect on freezing depth of sample,and the bigger the difference,the more water migration amount.As far as ice (water) content peak,when the difference is little,the peak is big.The water migration amount is obvious and peak of ice (water) content is big when dry density is low.When initial water content is less than liquid limit,the more water migration,the higher the initial water content.

Silty clay;Freezing;Water migration;Experimental study

He Fei,Wang Xu.Study on Water Migration in Laboratory Test in the Freezing Process of Frozen Silty Clay by Manual Work[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(6):46-51.[何菲,王旭.人工凍結(jié)粉質(zhì)粘土正凍過程中水分遷移室內(nèi)試驗研究[J].甘肅科學學報,2016,28(6):46-51.]

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.06.010.

2015-09-21;

2015-11-17.

國家自然科學基金項目(51268033).

何菲(1988-),女,甘肅隴南人,博士,助教，研究方向為道路與鐵道工程、巖土工程.E-mail:hefei_2006@126.com.

TU445

A

1004-0366(2016)06-0046-06