冻土区粉质粘土中未冻水含量的模拟研究

2021-11-23古丽苏玛依阿不都萨塔尔

陕西水利 2021年11期

古丽苏玛依·阿不都萨塔尔

（新疆水利水电勘测设计研究院检测试验研究中心,新疆昌吉 831100）

1 引言

未冻土和冻土的物理力学特性都受孔隙中未冻水含量的影响[1]。因此,在处理多年冻土地区的基础工程时,估算未冻水含量至关重要[2]。在细粒沉积物中,水分子被束缚在沉积物颗粒的带电表面,这有效地降低了部分水的冰点。因此,即使在低温（≤5℃）下,沉积物中仍可能存在大量未冻水（≥10%体积）[3]。一种方法是基于对散装土壤相对介电常数的测量。表1列出了不同土壤成分的介电常数,与空气和冰相比,水的介电常数非常大,可以通过测量相对介电常数来量化水的含量[4]。

表1 不同物质的介电常数

本文以新疆冻土区粉质粘土为研究对象,通过介电常数传感器,模拟研究粉质粘土中未冻水含量,建立了未冻土含水率的校准方程。

2 研究概况

采用频域反射仪（FDR）进行介电常数的测试试验,试验包括一系列不同的测试,建立了研究数据基础。首先对测试单元进行校准,并根据选择的测试间隔或叠加程序对介电常数传感器进行偏置测试。在此基础上,对已知含水率和温度的重塑土样进行介电常数试验。然后利用介电常数数据和实测含水率建立了粉质粘土的标定方程。

用于标定的粉质粘土取样自新疆冻土区,参见图1。原先存在于矿床中的含盐孔隙水已从用于这些实验的材料中浸出。因此,测试土壤的含盐量低于100 mg/L。用于校准实验的土壤性质见表2。

图1 取样地区示意图

表2 用于校准实验的土壤性质

3 研究过程与结果

3.1 试验设置

介电常数的测量是在直径为80 mm的玻璃圆柱形电池中进行的。电容率传感器通过底板上的孔安装。由于圆柱体基板轻微地干扰了介电常数的测量,因此建立了一种校准,将使用电池测量的介电常数与传感器完全浸没时测量的值联系起来。为此,对空气、乙醇和自来水进行了相应的测量。在测量过程中,安装在介质中的热敏电阻监测温度。

测量期间的温度分别为（6.6±0.70）℃和（22.1±0.51）℃,与预期的5℃和22℃略有偏差。推导出的转换方程见图2。传感器测量没有偏差,因为测量的介电常数在制造商规定的±1%的精度范围内。

图2 5 ℃和22 ℃时的相对介电常数

3.2 样品制备

试验前将干燥的土样制备成目标含水率的土体,并将温度调试到试验所需温度,在样品中安装电容率传感器和热敏电阻。待样品制备到目标状态前,使用塑料薄膜,以避免蒸发。在适应过程中记录温度。测试前后分别测量样品的含水量。

所有样品的实际含水率都与目标含水率存在偏差。由于分析中使用的是实际测量的水分含量,所以观测到的偏差对研究结果的影响可忽略不计,预计是蒸发造成的。根据测试后的含水率,计算所有制备样品的平均干密度为（1.07±0.04）g/cm3。

3.3 测试程序

在测试土壤之前,通过热敏电阻监测样品温度,以确保符合工况条件。在含水率W=0%, 2%, 4%, 6%, 8%, 10%时测定介电常数。每一含水率在室温下重复2 次,在5 ℃冰箱中重复2 次。每5 s记录一次介电常数,测试至少持续5 min。测试过程中每分钟记录一次土壤样品温度和环境温度。

使用前文描述的特定转换,将记录的数据转换为真实的介电常数值,并根据制造商指定的温度影响进行校正。将校正后的真介电常数取平均,以介电常数的平方根作为自变量,对相应的介电常数数据集和计算的体积含水率进行线性回归拟合。因此,标定方程如下：

得到的数据集见图3,校准系数见表3。

图3 粉质粘土建立校准方程的数据基础

表3 所获得的校准方程的校准系数和温度范围

3.4 公式验证

对土体成分与测试样品相似的多年冻土在一个完整的冻融循环过程中测得介电常数,见图6,试验结束时测得冻土的质量含水率为34.1%。为了验证这里得到的校准方程,将5 ℃的校准方程应用于多年冻土的数据集。在5 ℃、含水率为34.3%下测得的介电常数被添加到校准数据基础上,得到了一个校准方程如下：

其中,相关系数R2= 0.994。

4 讨论与分析

大多数商用介电常数传感器并不是专门为在冰冻条件下测量而设计的,但仍被应用于冻土研究领域。因为大多数制造商的校准方程只在这种温度情况下有效,因此假定在冻结条件下测量的介电系数和含水率等于在正温度下测量的介电系数和含水率。前一节中建立的校准方程的特性来自于所进行的校准实验的测试条件,从表1 可以看出,水的介电常数随温度的变化而变化,因此控制和监测试验介质的温度是很重要的。除此之外,所有的温度校正和校准温度,见表3,都是通过安装在土壤样品中的热敏电阻测得的,因此,温度测量是可靠的。

表3 小寨区域海绵城市建设后径流控制率模拟结果

在最初对测量单元进行校准期间,由于两次测试之间的温度记录器发生了变化,室温下校准记录的温度（0.5 ℃）低于冷却校准记录的温度（0.01 ℃）。为了获得最平稳、最可靠的介电常数温度校正,采用了由介电常数传感器记录的温度数据。此外,实际校准实验所用的温度,如约5 ℃和22 ℃,对于前者并没有完全达到。因此,在这个温度下,从测试单元中测量到的介电常数到真介电常数的转换是不完全有效的,应该进行重复试验。这很可能导致两个温度水平之间的区别比从图3 中可以观察到的更明显。重复试验的相关性比较好,但可以通过改善对环境温度的控制来提高,因为差异主要反映了两次实验之间样品温度的变化。

表3 所示的校准方程与一般预期的随温度降低而增加的水的介电常数一致。然而,考虑到表2 所示的土体的实际天然含水率,校准方程有效的含水率范围是相当狭窄的。因此,需要更多的实验来扩展数据基础,进而不需要采用不同条件下得到的数据点。尽管如此,3.4 节提到的额外数据点的加入似乎是合理的,并考虑了相关系数,最终的含水率预测与实测的质量含水率有很好的相关性。如果不考虑这一点,而采用表3 中的校准系数代替公式（2）,则图5 中5 ℃校准值只能达到约为W= 28%的重力含水率水平。图5 中所示的建立的5 ℃的校准方程与冻土岩心数据的良好拟合。