人工冻结粉质粘土正冻过程中水分迁移室内试验研究

何 菲,王 旭

(兰州交通大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730070)



人工冻结粉质粘土正冻过程中水分迁移室内试验研究

何 菲,王 旭

(兰州交通大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730070)

为研究粉质粘土在冻结过程中水分迁移规律及温度分布特性,采用单向冻结水分迁移试验仪及低温试验箱,对兰州粉质粘土进行了室内单向冻结水分迁移试验。试验土样采用人工制备兰州黄土,液限33.0%、塑限19.5%。试样直径为10 cm、高度21 cm;试样的初始含水率分别为13.4%、18.1%、24.6%,干密度分别为1.27 g/cm3、1.40 g/cm3、1.53 g/cm3,不同温度差为7 ℃、9 ℃、11 ℃。在不同边界条件下进行了7组试验工作,测试了试样在封闭系统中单向冻结水分迁移及温度分布特性。试验结果表明,试样一定范围内侧壁存在裂缝,裂缝处存在冰透镜体。冻结温度差对试样冻结深度的影响最为明显,温度差越大水分迁移量越大。但就含冰(水)量峰值而言,温度差较小时峰值较大。干密度较小时水分迁移量较明显,含冰(水)量峰值较大。当初始含水率小于液限时,初始含水率越大,水分迁移量也越大。

粉质粘土;冻结;水分迁移;试验研究

我国冻土面积分布广泛,同时冻土区又蕴藏着丰富的土地、矿产、森林、畜牧业等资源。随着我国工程建设的蓬勃兴起以及西部大开发战略的实施,在寒区修建的建筑、铁路、公路、防灾减灾工程、电力工程等基础设施越来越多,不可避免地会遇到愈来愈多的冻土工程问题。

由于冻土的抗剪强度主要受含冰量及未冻水含量的影响,随着初始含水量的增加,冻土抗剪强度降低,引起工程病害的频发。如寒区道路建设中的边坡土体在冬季受到冻结作用的影响,水分向冻结锋面迁移,使冻结锋面附近土体含水量增大甚至富集形成冰层,引起冻胀病害的产生;夏季冻结冰层融化,造成边坡失稳、滑坡,严重影响边坡的正常运营。因此,冻土中的水分迁移被视为研究冻融作用的一个核心问题,国内外许多学者就土中水分迁移机理进行了试验研究[1-6],但由于冻土的复杂性以及影响因素的多样性,至今未得到统一的认识和结论。试样温度差、土体密度、初始含水量对水分迁移量的具体影响,尚需进一步研究。我们主要针对粉质粘土的冻结试验及分析,在不考虑外界水分补给的条件下,对粉质粘土在一维冻结情况下的水分迁移特性进行了试验研究。

1 试验内容及方法

试验用土为兰州黄土,试验前先将所用土样碾碎过2 mm筛,测得土样液限33.0%,塑限19.5%,塑性指数13.5,属于粉质粘土。为了满足本次试验需要,首先研制了试验装置,如图1所示。试验中用到的仪器设备主要有:冻融循环试验箱、恒温箱、单向冻结水分迁移试验仪、FLUKE万用表、电阻式温度传感器、烘箱、电子天平、保温材料等。

图1 冻融循环试样筒装置Fig.1 Freezing and thawing cycle sampling drum setting drawing

试验土样长21 cm,直径10 cm。沿试样筒壁一侧的竖直线上,自筒底4 cm以上范围内,每隔3 cm 钻孔径为3 mm 的孔(共7个),在第7个孔上方1.5 cm处加设一个钻孔,用于安插温度传感器,共8个。

土样顶面和底面为温度控制端,试验前先将高低温冻融循环箱的顶板、底板和箱体设为3 ℃,用于恒温处理土样,直至整个试样温度稳定为3 ℃。试验时改变顶板温度,用于土样的冻结。配置不同初始含水率、干密度、温度差等7组试样,分别测定每个土样冻结过程中的温度场分布,经历冻结时间后的水分分布,从而探讨水分向冻结界面的迁移情况。试验条件具体设计如表1所列。

表1 试验土样

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

(1)裂缝现象 试样冻结完成后取出土样,观察土样冻结状态和侧壁形态。发现冷板下一定范围内的土柱表面存在许多明显的裂缝,裂缝中有冰晶存在。图2为试样在冻结60 h后土体表面的裂缝分布及局部放大图。

图2 试样表面的裂缝分布及局部放大图Fig.2 Crack distribution on sample surfaceand partial enlarged drawing

分析裂缝产生的原因:在温度梯度作用下,水分向冻结锋面附近发生迁移,使得土体过饱和而分凝形成冰透镜体。由于土中冰体体积膨胀,使得土体中出现裂缝,且试验中只存在沿竖向的温度差,所以裂缝多呈水平状态分布。

(2)水分积聚及冰透镜体现象 冰透镜体如图3所示,从试样外观来看,裂缝上侧明显湿于下侧,将土样在裂缝位置做切片处理,会发现土样中含有大量的冰透镜体,且试样裂缝区域下部未冻结层含有明显的水分积聚现象。冰透镜体的分布呈水平排列,其分布模式与试样表面的裂缝相对应。

图3 冰透镜体现象Fig.3 Ice lenticle phenonmen

试样冻结完成后在其表面能看到很明显的或大或小的空洞,这是水分迁移或空气排空后所遗留的[7],从而也说明水分发生了重新分布。

2.2 试样冻结过程中温度场分析

(1)不同时刻土样温度随深度的分布 实验过程中每隔2 h测定一次温度。图4是试样2在不同时刻温度沿土样深度的分布。从图4可以看出,初始时刻试样经过恒温处理,土样保持3 ℃,顶板开始降温后温度场沿深度的分布表现为弧形分布,开始的弧度较大,随着时间的增长弧度减小,最后温度场处于稳定阶段,温度沿深度成近似线性分布。其余试样在冻结过程中温度随深度的变化与图4有着一致的规律。

图4 试样2冻结过程中温度沿深度的分布曲线Fig.4 Temperature distribution curve along depthin process of sample 2 freezing

(2)试样中心线各点温度的变化规律 为了研究试样在不同深度时温度随时间的变化规律,给出试样1在整个冻结过程中温度随时间的变化曲线,如图5所示。由图5可知,在整个冻结过程中,试样经历了温度迅速降低阶段、温度缓慢降低阶段以及温度稳定阶段三个过程[8]。

图5 试样1中心线各点温度随时间的变化Fig.5 Temperature of each point along sample 1 center line with time changing

(3)试样冻结深度与试样观察对比分析 为了研究试样的冻结深度,首先需要测得试样的冻结点温度值。因此,在恒温箱中进行了试样冻结点温度值的测定试验[9]。图6是含水量为24.6%、干密度为1.40 g/cm3试样冻结点温度的测试曲线。由图6可得该土样的冻结点温度为-1.9 ℃。测得试样的冻结点温度后,再结合各试样冻结稳定阶段的温度测试值就可以推出试样的冻结深度。图7为试样3～试样7的冻结深度随时间的变化曲线。

图6 含水率为24.6%试样中心温度-时间的关系曲线Fig.6 Relationship between center temperature and time of sample which water content is 24.6%

图7 土样冻结深度的变化过程Fig.7 The changing process of soil sample freezing depth

从图7可以得出,冻结60 h时,试样3、试样5、试样7的冻结深度相差不大,约为34 mm。虽然这3个试样的干密度相差较大,但是在相同的冻结温度模式下冻结深度基本相同。由此可以得出,在试验研究的干密度范围内试样干密度对冻结深度的影响不明显。

观察试样4、试样5、试样6的冻结深度曲线可以得出,改变试样的冻结温度差,试样的冻结深度发生明显的变化,试样顶端温度越低,冻结深度也越大。顶端温度为-8 ℃的试样4在冻结60 h时冻结深度达到了107 mm,顶端温度为-6 ℃的试样6冻结深度为85 mm,而顶端温度为-4 ℃的试样5冻结深度为34 mm。

从整个冻结深度的变化过程来看,冻结初期试样冻结深度变化快,随着冻结时间的增长,冻结深度的变化率逐渐减小。

图8为试验结束后试样的侧壁形态图。由试样冻结后的侧壁形态图可得,试样的冻结部分与未冻结部分有明显的区别,冻结部分土体颜色深于未冻结部分。就冻结深度而言,试样侧壁外观冻结深度与基于温度计算的冻结深度数值一致。

图8 试验结束后试样的侧壁形态Fig.8 After test,side wall form of sample

2.3 冻结完成后试样中的水分重分布

冻结完成后,将试样做切片处理,每1 cm为一个测试单元,用烘干法测定其含冰(水)量。试样的初始含水量沿高度方向均匀分布,冻结过程中水分发生重分布,现就各因素下水分重分布现象进行分析。

(1)初始含水率对冻结后水分重分布的影响 图9为不同初始含水率试样冻结前后的水分沿深度分布曲线。由图9可知,冻结完成后,试样中含冰(水)量分布曲线的变化趋势是相同的,试样土层上部含冰(水)量增加,下部减少。初始含水率大的试样水分迁移量大,冻结区含冰(水)量增加值也较大。对于含水率为13.4%的试样1,冻结60 h时,中部水分向上部迁移,中下部含水率基本不变,含冰(水)量峰值较初始含水量只增大了1.5%;含水率为18.1%的试样2冻结完成后,也主要表现为顶部3 cm范围内的水分迁移,下部有少量的水分迁移现象;当初始含水率为24.6%时,整个土层的水分迁移现象都比较明显,冻结完成后含冰(水)量峰值比初始含水率增大了9.4%。试样3冻结锋面处水分大量积聚,土体含冰(水)量超过饱和含水量,冻结出现冰透镜体,而在含水量较小的土样中冰层不明显。

图9 不同初始含水率试样冻结完成后水分分布Fig.9 Water distribution after freezing process under different initial water content

(2)温度差对冻结后水分重分布的影响 不同温度条件下试样冻结60 h后的水分分布曲线如图10所示。由图10可知,顶板温度越低,水分迁移现象越明显。试样5的未冻结区水分向上迁移量较小,而试样4和试样6中有大量的未冻水向上迁移。

图10 不同冻结温度差试样冻结完成后水分分布Fig.10 Water distribution after freezing process under different freezing temperature

土样顶端含水量与试样冻结锋面的迁移速率有关。结合图7(试样4、试样5、试样6冻结深度曲线)可知,冻结开始后的10 h内,试样5的平均冻结速率为1.8 mm/h,试样6的平均冻结速率为4.8 mm/h,试样4的平均冻结速率达到了5.3 mm/h。冻结锋面迁移速率越小,冻结锋面在试样顶部停留的时间越长,水分向顶部迁移的时间也越长,所以相对于试样4、试样6而言,试样5顶部的含冰(水)量较大。

试样含冰(水)量增大值区域随顶板温度的降低而增大。由图10得到,温差为7 ℃的试样5含冰(水)量明显增大区到顶板的距离是50 mm,而试样6是70 mm,试样4则达到了100 mm。含冰(水)量增大值区域在数值上跟试样的冻结深度相近。

(3)干密度对冻结后水分重分布的影响 不同干密度条件下试样冻结完成后的水分分布曲线如图11所示。分析图11可以得出:在研究规定的干密度范围内,干密度越大,冻结区的含冰(水)量峰值越小,水分迁移量越小。当干密度较小时,未冻结区含水量呈“丿”型分布,未冻水向冻结锋面迁移,底部水分向中部迁移,由于底部没有外界水分补给,导致底部含水量比中部小。从而表现为干密度越大,水分迁移量越小的现象。

图11 不同干密度试样冻结完成后水分分布Fig.11 Water distribution after freezing process under different dry density

3 结论

人工冻结粉质粘土试样在单向冻结条件下的水分迁移试验结果表明:

(1)试样冻结段颜色深于未冻结段。冻结段侧壁产生明显的横向裂缝,试样内部的裂缝对应处分布有明显的冰透镜体。由于冻结过程中水汽的重新分布使得试验表面出现或大或小的空洞。

(2)土样上下端温度差对土样冻结深度的影响最大,温度差从7 ℃增大到11 ℃时,冻结深度增加了2倍。其他条件相同时,干密度的变化对冻结深度影响不大。土样侧壁冻结深度试验观察值与基于温度计算的冻结深度接近。

(3)土样含水率小于液限时,初始含水率越大,试样冻结过程中水分迁移量越大,含冰(水)量峰值也越大,能更明显地观察到冰透镜体的存在。保持底板温度不变,降低顶板温度时,水分迁移量增大,但就含冰(水)量峰值而言则是在冷热板温度差较小时较大。在试验所研究的干密度范围内,干密度较小时,水分迁移较明显。

[1] 徐学祖,王家澄,张立新.冻土物理学[M].北京:科学出版社,2001.

[2] 陈肖柏,刘建坤,刘鸿绪,等.土的冻结作用与地基[M].北京:科学出版社,2006.

[3] 赵刚,陶夏新,刘兵.原状土冻融过程中水分迁移试验研究[J].岩土工程学报,2009,31(12):1 952-1 957.

[4] 王铁行,王娟娟,张龙党.冻结作用下非饱和黄土水分迁移试验研究[J].西安建筑科技大学学报:自然科学版,2012,44(1):7-13.[5] 秦爱芳,林金钱,蒲毅彬,等.上海人工冻土冻胀特性和水分迁移的试验研究[J].上海大学学报:自然科学版,2009,15(1):93-98.

[6] 夏琼,窦顺,赵成江.兰新铁路路基冻结过程中水分迁移及冻胀规律试验研究[J].中国铁道科学,2012,33(5):1-7.

[7] 李树武,聂德新,吴吉春.某类粉质粘土冻胀与水分变化的试验研究[J].资源环境与工程,2010,24(5):615-618.

[8] 王文顺,王建平,井绪文,等.人工冻结过程中温度场的试验研究[J].中国矿业大学学报,2004,33(4):388-391.

[9] 邢述彦.土壤冻结温度测定试验研究[J].太原理工大学学报,2004,35(4):385-387.

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.人工冻结粉质粘土正冻过程中水分迁移室内试验研究[J].甘肃科学学报,2016,28(6):46-51.]

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.06.010.

2015-09-21;

2015-11-17.

国家自然科学基金项目(51268033).

何菲(1988-),女,甘肃陇南人,博士,助教，研究方向为道路与铁道工程、岩土工程.E-mail:hefei_2006@126.com.

TU445

A

1004-0366(2016)06-0046-06