国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

凍融循環(huán)過程中土體的孔隙水壓力測試研究

2015-02-04 12:17張蓮海楊成松
巖土力學(xué) 2015年7期
關(guān)鍵詞:砂土凍融循環(huán)粉質(zhì)

張蓮海 ,馬 巍,楊成松

(1.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 凍土工程國家重點實驗室,甘肅 蘭州 730000;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引 言

凍融作用一直是寒區(qū)工程凍害問題的主要原因,它作為一種強風(fēng)化過程,強烈地改變著土的結(jié)構(gòu)性,對土的物理力學(xué)性質(zhì)會產(chǎn)生較大影響[1]。凍融循環(huán)可以使得顆粒進(jìn)一步分裂或聚集,使得土的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[2]。而土的結(jié)構(gòu)變化必然導(dǎo)致土體物理性質(zhì)的變化,主要包括滲透系數(shù)、密度、液塑限及孔隙比等指標(biāo)的變化[1,3-4]。凍融循環(huán)對重塑土和原狀土的力學(xué)性質(zhì)有著不同的影響。凍融循環(huán)對原狀土一般具有弱化作用;而對于重塑土來說,則要考慮它的不同初始狀態(tài),凍融循環(huán)使松散土強化,而使強超固結(jié)重塑土弱化[5]。Wang 等[6]對凍融循環(huán)前、后土樣的彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角等進(jìn)行了對比研究,發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)后土樣的彈性模量和黏聚力降低,內(nèi)摩擦角增大。盡管現(xiàn)有研究已表明,凍融循環(huán)對土體的物理力學(xué)性質(zhì)有顯著的影響,但其內(nèi)在的作用機制還不是很明確,也沒有形成定量化的對應(yīng)關(guān)系[2,6]。

研究發(fā)現(xiàn),凍融作用對土體結(jié)構(gòu)及強度的影響與凍融過程中孔隙水壓力的變化歷程有密切關(guān)系[5,7-9]。Chamberlain 等[3]推測融化的海底凍土發(fā)生高固結(jié)可能是由于凍結(jié)過程中的孔隙水壓力下降所導(dǎo)致。Akagawa[10]在凍脹過程中用X 射線放射成像技術(shù)進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)了凍結(jié)緣的固結(jié)現(xiàn)象,并認(rèn)為這是由于分凝冰界面處的孔隙水壓力下降所導(dǎo)致。因此,孔隙水壓力的測試是探索凍融過程中土體結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)變化的內(nèi)在機制及定量化研究的關(guān)鍵。此外,凍融循環(huán)過程中土體內(nèi)部的水分遷移與凍結(jié)過程中的孔隙水壓力變化亦有著直接關(guān)系。Taber[11]首先預(yù)測分凝冰鋒面處存在孔隙水壓力的下降,從而導(dǎo)致水分的遷移。隨后,包括水力模型[12]、剛性冰模型[13]及分凝視模型[14]等均是通過凍結(jié)鋒面處孔隙水壓力的下降來模擬土體內(nèi)的水分遷移。

但由于土體在凍結(jié)狀態(tài)下的孔隙水壓力測試一直是凍土土工測試技術(shù)中的難點,目前處于瓶頸狀態(tài)[15],只有少量試探性的研究結(jié)果[7,9,16-17]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,研發(fā)了一種適用于凍結(jié)土體孔隙水壓力測試的探頭,并對砂土和粉質(zhì)黏土在凍融循環(huán)過程中孔隙水壓力的變化過程進(jìn)行了實時測試。通過分析兩種土質(zhì)在凍融循環(huán)過程中孔隙水壓力變化規(guī)律,期望為凍融循環(huán)過程中土體物理力學(xué)性質(zhì)變化機制及水分遷移機制研究提供理論支持和借鑒。

2 孔隙水壓力測試方法及凍融循環(huán)試驗

2.1 凍結(jié)土體孔隙水壓力測試探頭

本文孔隙水壓力探頭設(shè)計與常規(guī)融土的孔隙水壓力探頭結(jié)構(gòu)類似。如圖1 所示,探頭共分為3 個部分:陶土頭、酒精媒介和壓力傳感器。常規(guī)融土孔隙水壓力探頭應(yīng)用純水作為壓力傳導(dǎo)的介質(zhì)。但在負(fù)溫環(huán)境下,往往獲取不到凍土土樣的孔隙水壓力值,為此改用酒精(濃度為99.7%)作為壓力傳導(dǎo)介質(zhì)。此外,陶土頭允許水分穿過,但不允許酒精穿過,既保證了壓力的傳導(dǎo)機制,又避免了酒精進(jìn)入土樣干擾真實的水分場和應(yīng)力場。試驗過程中的孔隙水壓力由壓力傳感器獲得,并被數(shù)采儀自動采集記錄。壓力傳感器購買于南京宏沐科技有限公司,型號為HM22-3-V0-F0-W2,其量程為-50~50 kPa,精度為±0.1%FS。

圖1 孔隙水壓力探頭示意圖Fig.1 Sketch of pore water pressure probe

2.2 凍融循環(huán)試驗

凍融循環(huán)試驗主要在凍融循環(huán)機上完成,試驗裝置如圖2 所示。試驗采用青藏鐵路沿線具有代表性的砂土及粉質(zhì)黏土作為研究材料,其具體的顆粒分布情況及物理特性參數(shù)如表1 所示。在制樣過程中,首先將特定量的水分加入到適量的干土中,然后充分混合,混合均勻后壓制到有機玻璃罐中。在有機玻璃容器罐側(cè)面布有10個溫度孔和3個孔隙水壓力孔,分別用來放置溫度探頭和孔隙水壓力探頭,分布如圖3 所示。每一圓柱形試樣均與有機玻璃罐具有相同的內(nèi)徑(101 mm)。本次試驗共制備了兩個土樣,分別為砂土樣SN和粉質(zhì)黏土樣CN。砂土樣SN 的初始含水率為22.68%,粉質(zhì)黏土樣的含水率為17.88%,土樣其他的具體參數(shù)可參見表2。

圖2 凍融試驗裝置示意圖Fig.2 Sketch of freeze-thaw test equipment

表1 土樣顆粒分析和物理特性參數(shù)表Table 1 Gradation test results of particles and physical parameters of tested soils

圖3 有機玻璃罐上的溫度孔及孔隙水壓力孔分布Fig.3 Temperature holes and pore water pressure probes on an organic glass tube

將裝有土樣的有機玻璃罐放置到凍融循環(huán)機箱體中,同時將溫度探頭和孔隙水壓力探頭經(jīng)有機玻璃罐上的溫度孔和孔隙水壓力孔插入到土樣中,安裝好后進(jìn)行密封。試驗過程中孔隙水壓力探頭約放置在土樣的中心位置,即探頭插入深度約5 cm 左右。所有的試驗在開放系統(tǒng)下進(jìn)行,水分由土樣底端的補水瓶補進(jìn)。補水瓶放置在室溫下,土樣下端的孔隙水壓力時刻保持為大氣壓(表壓為0)。砂土和粉質(zhì)黏土樣均經(jīng)歷凍融循環(huán)過程。砂土經(jīng)歷11個凍融循環(huán),每個單次循環(huán)的凍結(jié)及融化階段分別約為12 h,在單向凍結(jié)階段,上頂板、箱溫及下頂板的溫度分別設(shè)置為-5 ℃、室溫(約18 ℃,由中央空調(diào)恒定)和3 ℃;而在融化階段亦均設(shè)置為室溫。粉質(zhì)黏土經(jīng)歷10 個凍融循環(huán),每個單次循環(huán)的凍結(jié)及融化階段亦分別約為12 h,在單向凍結(jié)階段,上頂板、箱溫及下頂板的溫度分別設(shè)置為-7、0.5、0.5 ℃;而在融化階段則設(shè)置為3、0.5、0.5 ℃。具體的溫度條件可參見表2。試驗過程中,孔隙水壓力、溫度、表面位移及補水體積等數(shù)據(jù)由數(shù)采儀自動記錄,記錄時間間隔為10 min。凍融循環(huán)結(jié)束后,對每個土樣進(jìn)行了相應(yīng)的含水率分布測試。

表2 試驗土樣的初始條件Table 2 Initial conditions of soil samples in test

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 凍融循環(huán)過程中土體的冷生結(jié)構(gòu)

在凍結(jié)階段,砂土和粉質(zhì)黏土具有不同的冷生結(jié)構(gòu)。圖4為凍結(jié)過程中砂土和粉質(zhì)黏土的冷生結(jié)構(gòu)。由圖可以發(fā)現(xiàn),凍結(jié)區(qū)和未凍區(qū)具有明顯不同的色調(diào),凍結(jié)區(qū)土體的顏色較暗,而未凍區(qū)的顏色較淺。此外,粉質(zhì)黏土樣凍結(jié)區(qū)存在明顯的橫向裂隙,其顏色較深,其內(nèi)部為分凝冰填充。凍結(jié)緣一般是指最暖分凝冰與凍結(jié)鋒面之間的區(qū)域,砂土在凍結(jié)階段,沒有分凝冰形成,因此,不存在凍結(jié)緣區(qū),一般分為凍結(jié)區(qū)和未凍區(qū)。而粉質(zhì)黏土在凍結(jié)階段,有大量的分凝冰形成,所以一般分為3 區(qū):凍結(jié)區(qū)、凍結(jié)緣及未凍區(qū)。由此可見,分凝冰與凍結(jié)緣的形成與土質(zhì)有著密切關(guān)系,這主要是由于不同土質(zhì)具有不同的土顆粒形狀,級配及比表面積等。

3.2 孔隙水壓力變化特征及分析

3.2.1 溫度的影響

在正溫情況下,溫度的變化不會引起孔隙水壓力變化,如圖5 所示,圖中Pw3為探頭HPw3測得的孔隙水壓力,T7為探頭HT7測得的溫度??紫端畨毫y試探頭HPw3位于砂土試樣的最下端,在凍融過程中,凍結(jié)鋒面始終沒有穿透過探頭HPw3,始終處于正溫變化范圍內(nèi);且在整個凍融過程中基本保持不變,波動幅度較?。s為2 kPa),由此可說明測試探頭的穩(wěn)定性。

圖4 凍結(jié)過程中砂土樣SN和粉質(zhì)黏土樣CN 的冷生結(jié)構(gòu)Fig.4 Cryotextures of samples SN and CN during freezing

圖5 砂土樣SN 在凍融過程中的孔隙水壓力Pw3及溫度變化Fig.5 Pore water pressure Pw3and temperature during freeze-thaw cycles of sample SN

在負(fù)溫情況下,隨著凍融循環(huán)溫度周期性的變化,孔隙水壓力亦具有周期性的變化。在凍結(jié)階段,隨著溫度的下降,孔隙水壓力以下降為主;而在融化階段,隨著溫度的上升,孔隙水壓力以上升為主。圖6 給出了砂土試樣凍融過程中探頭HPw2處的孔隙水壓力Pw2及溫度T5的變化情況??梢钥闯?,在凍結(jié)階段,隨著溫度的下降,孔隙水壓力不斷下降,由0 kPa 附近下降到約-20 kPa 左右;而在融化階段,孔隙水壓力隨溫度的升高而急劇升高,最后穩(wěn)定在0 kPa 附近。圖7 給出了粉質(zhì)黏土凍融過程中探頭HPw3處的孔隙水壓力Pw3及溫度T7的變化情況。可以看出,在凍結(jié)階段,當(dāng)溫度低于0 ℃時,孔隙水壓力亦出現(xiàn)大幅下降;而在融化階段,孔隙水壓力亦隨溫度的升高而升高。

溫度對孔隙水壓力的影響其實是溫度對土中冰水相變過程的影響。在凍結(jié)過程中,當(dāng)溫度高于凍結(jié)點時,溫度變化并不會導(dǎo)致孔隙水壓力的變化,這說明此時土中不存在冰水相變過程;當(dāng)溫度低于凍結(jié)點時,水開始相變成冰。由于隨著溫度的降低,土中水的毛細(xì)勢及吸附勢均減小,從而導(dǎo)致孔隙水壓力的下降。毛細(xì)勢主要由冰水界面曲率半徑來控制,冰水界面曲率半徑越小,毛細(xì)勢越小,孔隙水壓力越小。隨著溫度的降低,大孔隙的水先凍結(jié),然后再試圖穿透小的孔隙,所以冰水界面曲率半徑越來越小,毛細(xì)勢越來越小,孔隙水壓力越來越小。吸附勢主要由未凍水膜厚度控制,未凍水膜厚度越小,吸附勢越小,孔隙水壓力越小。隨著溫度的降低,未凍水膜厚度越來越小,所以吸附勢越來越小,孔隙水壓力越來越小。

圖6 砂土樣SN 在凍融過程中的孔隙水壓力Pw2及溫度變化Fig.6 Pore water pressure Pw2and temperature during freeze-thaw cycles of sample SN

圖7 粉質(zhì)黏土樣CN 在凍融過程中的孔隙水壓力Pw3及溫度變化Fig.7 Pore water pressure Pw3and temperature during freeze-thaw cycles of sample CN

3.2.2 凍結(jié)速率的影響

孔隙水壓力隨深度的變化而變化。深度較大處的孔隙水壓力變化幅度較大,而且周期性更加明顯,規(guī)律性更強。在砂土樣SN 凍融循環(huán)的過程中,孔隙水壓力探頭HPw1較HPw2埋藏深度?。ㄈ鐖D2 所示),孔隙水壓力Pw2隨溫度T5變化的周期性十分明顯,其變化幅度約是0~-20 kPa(如圖6 所示),但孔隙水壓力Pw1隨溫度T2變化的周期性不明顯,其變化幅度約是0~-10kPa(如圖8 所示)。由此可見,孔隙水壓力Pw2的變化幅度大于Pw1。在粉質(zhì)黏土樣CN 凍融循環(huán)的過程中,孔隙水壓力探頭HPw1和HPw2埋藏深度較HPw3小,孔隙水壓力Pw3隨溫度變化的周期性十分明顯,其變化幅度約是5~-35kPa(如圖7 所示),但Pw1和Pw2隨溫度T2的周期性相對不明顯,Pw1變化幅度約是5~-25 kPa(如圖9 所示),Pw2變化幅度約是-15~-30 kPa(如圖10 所示)。由此可見,孔隙水壓力Pw3的變化幅度大于Pw1和Pw2。

圖8 砂土樣SN 在凍融過程中的孔隙水壓力Pw1及溫度變化Fig.8 Pore water pressure Pw1and temperature during freeze-thaw cycles of sample SN

圖9 粉質(zhì)黏土樣CN 在凍融過程中的孔隙水壓力Pw1及溫度變化Fig.9 Pore water pressure Pw1and temperature during freeze-thaw cycles of sample CN

圖10 粉質(zhì)黏土樣CN 在凍融過程中的孔隙水壓力Pw2及溫度變化Fig.10 Pore water pressure Pw2and temperature during freeze-thaw cycles of sample CN

不同深度孔隙水壓力的差異可能受凍融循環(huán)和凍結(jié)速率大小的影響。較小的凍結(jié)速率更有利于孔隙水壓力降的發(fā)育。在單向凍結(jié)過程中,土樣深度較小處,溫度梯度大,溫度變化速率快,所以此處土體的凍結(jié)速率較快。而土樣深度較大處,其溫度梯度小,溫度變化速率慢,所以此處土體的凍結(jié)速率較小。因此,深度較大處的孔隙水壓力變化幅度較大。此外,凍融循環(huán)可以導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的破壞或改變,從而影響孔隙水壓力的變化。土樣深度較小處的土體凍結(jié)速率大,經(jīng)歷凍融循環(huán)影響的程度更加劇烈,從而土體結(jié)構(gòu)的破壞或改變更加嚴(yán)重,所以孔隙水壓力變化比較雜亂,規(guī)律性不明顯。而土樣深度較大處的土體凍結(jié)速率小,經(jīng)歷凍融循環(huán)影響的程度不大,土體結(jié)構(gòu)幾乎不變,所以孔隙水壓力變化規(guī)律性更明顯。

3.2.3 不同土質(zhì)影響

在凍結(jié)階段,隨著溫度的降低,砂土的孔隙水壓力先不變后減??;但粉質(zhì)黏土的孔隙水壓力先增大后減小。如圖6 所示,當(dāng)溫度大于凍結(jié)溫度時,砂土的孔隙水壓力Pw2先保持不變;當(dāng)溫度小于凍結(jié)溫度時,砂土的孔隙水壓力Pw2迅速下降。如圖7 所示,當(dāng)溫度大于凍結(jié)溫度時,粉質(zhì)黏土的孔隙水壓力Pw3有一定幅度的增大;當(dāng)溫度小于凍結(jié)溫度時,粉質(zhì)黏土的孔隙水壓力Pw3亦迅速下降。

此外,在凍融循環(huán)過程中,粉質(zhì)黏土的孔隙水壓力變化幅度明顯大于砂土的孔隙水壓力變化。例如在凍融循環(huán)過程中,砂土的變化幅度約是0~-20 kPa(見圖6);而粉質(zhì)黏土的變化幅度約是5~-35 kPa(見圖7)。

不同土質(zhì)對孔隙水壓力變化的影響可以歸結(jié)于冷生結(jié)構(gòu)的不同以及滲透系數(shù)的差異。如圖4 所示,砂土在凍結(jié)階段,沒有分凝冰形成,不存在凍結(jié)緣區(qū);而粉質(zhì)黏土在凍結(jié)階段,有大量的分凝冰形成,存在凍結(jié)緣區(qū)。凍結(jié)緣是指凍結(jié)鋒面與分凝冰之間的區(qū)域,因而它的形成與分凝冰的形成密切相關(guān)。凍結(jié)緣區(qū)及分凝冰的存在往往使得土在凍結(jié)過程中的凍脹應(yīng)力增大,孔隙水壓力變化幅度增大。因為冰分凝的溫度遠(yuǎn)低于凍結(jié)溫度,根據(jù)廣義克拉伯龍方程,較低的相變溫度則導(dǎo)致更大冰壓力和更小的孔隙水壓力。因此,粉質(zhì)黏土的孔隙水壓力變化幅度明顯大于砂土的孔隙水壓力變化。另外,在凍結(jié)階段,隨著溫度的降低,砂土的孔隙水壓力先不變后減??;但粉質(zhì)黏土的孔隙水壓力先增大后減小。在粉質(zhì)黏土孔隙水壓力的增大階段,此時土體的溫度為正,所以說孔隙水的增大不是由相變引起的。而主要是由于凍結(jié)緣附近不斷生長的冰體擠壓周圍土體,使得凍結(jié)緣下方未凍土體的孔隙受到擠壓引起的。如果孔隙內(nèi)的水體來不及排出,往往導(dǎo)致孔隙水壓力的增加。在凍結(jié)過程中,粉質(zhì)黏土有凍結(jié)緣區(qū)及分凝冰的存在,因而比砂土有更大的冰壓力,所以對周圍土體的排擠力更大;但粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)卻小于砂土的滲透系數(shù),更不利于水分的排出,所以,粉質(zhì)黏土的孔隙水壓力在前期存在增大階段,而砂土的孔隙水壓力幾乎不變。

3.2.4 凍融循環(huán)次數(shù)的影響

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,孔隙水壓力變化幅度有越來越小的趨勢。在砂土樣SN 凍融循環(huán)的過程中,孔隙水壓力Pw1在第1 個循環(huán)過程中的變化幅度約為0~-17 kPa,而在以后的循環(huán)過程中其變化幅度約為0~-10 kPa(見圖8);孔隙水壓力Pw2在第1 個循環(huán)過程中的變化幅度約為0~-24 kPa,而在以后的循環(huán)過程中其變化幅度約為0~-10 kPa(見圖6)。在粉質(zhì)黏土樣CN 凍融循環(huán)的過程中,孔隙水壓力Pw1在第1 個循環(huán)過程中的變化幅度約為0~-30 kPa,而在以后的循環(huán)過程中其變化幅度約為0~-15 kPa(見圖9);孔隙水壓力Pw2在第1個循環(huán)過程中的變化幅度約為0~-35 kPa,而在以后的循環(huán)過程中其變化幅度約為-10~-25 kPa(見圖10);孔隙水壓力Pw3在第1 個循環(huán)過程中的變化幅度約為5~-35 kPa,而在以后的循環(huán)過程中其變化幅度約為-5~-30 kPa(見圖7)。

凍融循環(huán)次數(shù)對孔隙水壓力的影響反映了孔隙水壓力與土的物理力學(xué)性質(zhì)之間的相互作用關(guān)系。一方面孔隙水壓力的變化可能是促成土體結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)變化的重要因素之一。凍結(jié)過程中孔隙水壓力下降將會引起有效應(yīng)力增加,從而導(dǎo)致凍結(jié)過程中土體發(fā)生固結(jié),孔隙比減??;另一方面土體物理力學(xué)性質(zhì)變化亦影響孔隙水壓力的變化。凍融循環(huán)使得土體的結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)向著某一個方向發(fā)生改變,這種改變使得孔隙水壓力變化幅度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加有著越來越小的趨勢。但其具體的量化關(guān)系還不明確,還需要進(jìn)一步系統(tǒng)地研究。

3.3 凍融循環(huán)過程中的水分遷移

在凍融循環(huán)過程中,砂土和粉質(zhì)黏土均存在著一定量的水分遷移,粉質(zhì)黏土的補水速率大于砂土的補水速率。圖11為凍融過程中砂土樣SN與粉質(zhì)黏土樣CN 補水體積隨時間的變化。從圖中可以看出,砂土在凍融循環(huán)過程中(共311 h)共補水232.6 cm3,平均補水速率為0.012 5 cm3/min;粉質(zhì)黏土在凍融循環(huán)過程中(共 260.3 h)共補水392.8 cm3,平均補水速率為0.025 2 cm3/min。此外,凍融循環(huán)后,土樣的含水率分布也進(jìn)一步間接地表明,土在凍融循環(huán)過程中存在著水分的遷移。圖12為凍融過程后砂土樣SN 及粉質(zhì)黏土樣CN 的含水率分布圖。由圖中可以發(fā)現(xiàn),無論是砂土還是粉質(zhì)黏土樣都存在著一定的含水率梯度,尤其是粉質(zhì)黏土。砂土樣的含水率梯度較小,上端凍結(jié)區(qū)含水率最大約為20%,下端未凍區(qū)的含水率最小約17%。粉質(zhì)黏土樣的含水率梯度較大,上端凍結(jié)區(qū)含水率最大約為30%,下端未凍區(qū)的含水率約15%,而凍結(jié)緣區(qū)(約在土樣4 cm 處)的含水率最小,約為15%。土樣上端含水率的增大主要是由于凍結(jié)過程中水分由未凍區(qū)向凍結(jié)區(qū)的遷移所導(dǎo)致。

在凍結(jié)過程中,水分的遷移主要是為凍結(jié)緣或凍結(jié)鋒面附近冰相的形成供給水分。由于粉質(zhì)黏土在凍結(jié)過程中有大量分凝冰形成,而砂土只有孔隙冰形成,所以在凍結(jié)過程中粉質(zhì)黏土比砂土需要更多的水分補給,因而在凍融循環(huán)的過程中,粉質(zhì)黏土的補水速率大于砂土的補水速率。此外,由于凍結(jié)鋒面或凍結(jié)緣附近的孔隙水壓力降大于其上凍結(jié)區(qū)的孔隙水壓力降(比如砂土Pw2的孔隙水壓力降大于Pw1的孔隙水壓力降);而且相變的過程(冰的累積)主要發(fā)生在凍結(jié)鋒面或凍結(jié)緣附近,所以說凍融循環(huán)過程中凍結(jié)鋒面位置附近孔隙水壓力的下降是導(dǎo)致水分由未凍區(qū)向凍結(jié)區(qū)遷移的主要驅(qū)動力。

圖11 凍融過程中砂土樣SN與粉質(zhì)黏土樣CN補水體積隨時間的變化Fig.11 Variation in volume of supply water with time during freeze-thaw cycles of samples SN and CN

圖12 凍融過程后砂土樣SN及粉質(zhì)黏土樣CN的含水率分布Fig.12 Distributions of water content of samples SN and CN after freeze-thaw cycles

3.4 凍融循環(huán)過程中試樣的變形

在凍融循環(huán)過程中,通過位移計監(jiān)測了砂土和粉質(zhì)黏土樣的高度變化??傮w上,砂土和粉質(zhì)黏土樣的高度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小,減小速率越來越小,最后幾乎穩(wěn)定在某一高度。如圖13所示,砂土樣的高度在11 個凍融循環(huán)過程中共減少了約7 mm,其中第1 個循環(huán)中減少約3.5 mm;而粉質(zhì)黏土樣的高度在10 個凍融循環(huán)過程中共減少了約2.5 mm,其中第1 個循環(huán)中約減少了1.0 mm。應(yīng)注意的是,砂土和粉質(zhì)黏土樣的高度的減小主要發(fā)生在融化階段。

此外,砂土樣的高度和粉質(zhì)黏土樣的高度變化有所差異。砂土樣在凍結(jié)過程中高度沒有明顯的增大(即凍脹),反而略有減小。而粉質(zhì)黏土樣在凍結(jié)過程中高度明顯的增大,但凍結(jié)階段的凍脹量一般小于融化階段的融沉量,如圖13 所示。

圖13 凍融過程中土樣高度隨時間變化Fig.13 Change in height with time during freeze-thaw cycles of samples

土樣的高度經(jīng)過多次凍融循環(huán)以后趨向于某一定值,即:相應(yīng)的土樣的干密度也趨向于某一定值??梢岳孟旅娴挠嬎愎接嬎惬@得土樣不同循環(huán)周期后的干密度 ρd:

圖14 土樣干密度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化Fig.14 Variations in dry density of samples SN and CN with the number of freeze-thaw cycles

4 孔隙水壓力探頭有效性分析

土在凍結(jié)過程中的孔隙水壓力測試技術(shù)一直是凍土研究的重點難點。Takagi[18]提出了一個未凍水膜壓力測試的概念模型,設(shè)想理想化的張力計內(nèi)部充滿純凈水,內(nèi)部的純凈水通過一個理想化的半透膜和冰水界面處的未凍水膜連接,該半透膜只允許水分穿過,不允許溶質(zhì)穿過,當(dāng)達(dá)到熱力學(xué)平衡時半透膜內(nèi)、外壓力平衡,從而通過測試純水的壓力便可知道未凍水膜的壓力。因此,設(shè)計的關(guān)鍵是如何選取合適的半透膜材料和傳導(dǎo)介質(zhì)。在融土的室內(nèi)及場地試驗中,一般把純水作為力的傳導(dǎo)媒介,而陶土板作為良好的半透膜材料被應(yīng)用于實踐。Fukuda[19]利用純凈水作為傳播媒介測得了凍結(jié)過程中巖石未凍土段的孔隙水壓力。但在負(fù)溫的環(huán)境下探頭中的水分往往發(fā)生凍結(jié)相變成冰,從而失去了壓力傳導(dǎo)的能力,所以應(yīng)用水分作為壓力傳遞媒介通常獲取不到凍土土樣的孔隙水壓力值。為了解決這個問題必須尋找新的替代壓力傳遞的媒介。新的介質(zhì)必須滿足兩個條件:①在負(fù)溫環(huán)境下不凍結(jié),只有這樣才能保證力的傳導(dǎo)機制;②新的介質(zhì)不能自由穿過陶土板進(jìn)入土樣干擾土樣的局部水分場和力場。研究人員測試了很多介質(zhì)[20],認(rèn)為酒精可以作為合適的替代品。Eigenbrod 等[9]用酒精溶液代替水來作為孔隙水壓力探頭的傳播介質(zhì),測量了凍融過程的孔隙水壓力值。

本文的孔隙水壓力探頭是在前人既有研究成果的基礎(chǔ)上設(shè)計的。其測得的孔隙水壓力變化(在凍結(jié)階段下降,在融化階段上升)完全滿足人們對凍土已有的認(rèn)識。另外,其變化趨勢及大小也與已有的研究成果極其相似[7,9,20]。因此,可以認(rèn)為本文的孔隙水壓力探頭設(shè)計是有效的和實用的。

5 結(jié) 論

(1)基于前人研究的基礎(chǔ)上,筆者設(shè)計的孔隙水壓力探頭是有效的和實用的,其測得的孔隙水壓力變化可反映凍融循環(huán)過程中水分的遷移現(xiàn)象。

(2)凍融循環(huán)過程中的孔隙水壓力變化受多種因素的影響。在含水率一定的條件下土樣孔隙水壓力主要受溫度、凍結(jié)速率、土質(zhì)及凍融循環(huán)次數(shù)等因素的影響。

(3)孔隙水壓力隨溫度的周期性變化而變化,在凍結(jié)階段下降,而在融化階段上升。凍結(jié)鋒面或凍結(jié)緣附近深度的孔隙水壓力下降幅值最大,而且規(guī)律性最明顯;因凍結(jié)緣及分凝冰的形成,粉質(zhì)黏土的孔隙水壓力降大于砂土的孔隙水壓力降。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,孔隙水壓力變化幅度有越來越小的趨勢。

[1]QI Ji-lin,VERMEER P A,CHENG Guo-dong.A review of the influence of freeze-thaw cycles on soil geotechnical properties[J].Permafrost and Periglacial Processes,2006,17(3):245-252.

[2]張澤,馬巍,齊吉琳.凍融循環(huán)作用下土體結(jié)構(gòu)演化規(guī)律及其工程性質(zhì)改變機理 [J].吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版),2013,43(6):1904-1914.ZHANG Ze,MA Wei,QI Ji-lin.Structure evolution and mechanism of engineering properties change of soils under effect of freeze-thaw cycle[J].Journal of Jilin University(Earth Science Edition),2013,43(6):1904-1914.

[3]CHAMBERLAIN E J,GOW A J.Effect of freezing and thawing on the permeability and structure of soils[J].Engineering Geology,1979,13(1-4):73-92.

[4]VILKLANDER P.Permeability and volume changes in till due to cyclic freeze/thaw[J].Canadian Geotechnical Journal,1998,35(3):471-477.

[5]齊吉琳,馬巍.凍融作用對超固結(jié)土強度的影響[J].巖土工程學(xué)報,2006,28(12):2082-2086.QI Ji-lin,MA Wei.Influence of freezing-thawing on strength of overconsolidated soils[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2006,28(12):2082-2086.

[6]WANG Da-yan,MA Wei,NIU Yong-hong,et al.Effects of cyclic freezing and thawing on mechanical properties of Qinghai-Tibet clay[J].Cold Regions Science and Technology,2007,48(1):34-43.

[7]AKAGAWA S,HIASA S,KANIE S,et al.Pore water and effective pressure in the frozen fringe during soil freezing[C]//Proceedings of the 9th International Conference on Permafrost.Fairbanks,Alaska,USA:University of Alaska Fairbanks,2008:13-18.

[8]EIGENBROD K D.Effects of cyclic freezing and thawing on volume changes and permeabilities of soft fine grained soils[J].Canadian Geotechnical Journal,1996,33(4):529-537.

[9]EIGENBROD K D,KNUTSSON S,SHENG D.Pore-water pressures in freezing and thawing fine-grained soils[J].Journal of Cold Regions Engineering,1996,10(2):77-92.

[10]AKAGAWA S.Experimental study of frozen fringe characteristics[J].Cold Regions Science and Technology,1988,15(3):209-223.

[11]TABER S.Frost heaving[J].Journal of Geology,1929,37:428-461.

[12]HARLAN R L.Analysis of coupled heat-fluid transport in partially frozen soil[J].Water Resources Research,1973,9(5):1314-1323.

[13]SHENG D,AXELSSON K,KNUTSSON S.Frost heave due to ice lens formation in Freezing Soils 1.Theory and verification[J].Nordic Hydrology,1995,26:125-146.

[14]KONRAD J M,MORGENSTERN N R.A mechanistic theory of ice formation in fine grained soils[J].Canadian Geotechnical Journal,1980,17(4):473-486.

[15]張蓮海,馬巍,楊成松,等.土在凍結(jié)及融化過程中的熱力學(xué)研究現(xiàn)狀與展望[J].冰川凍土,2013,35(6):1505-1518.ZHANG Lian-hai,MA Wei,YANG Cheng-song,et al.A review and prospect of the thermodynamics of soil subjected to freezing and thawing[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2013,35(6):1505-1518.

[16]KONRAD J M.Pore water pressure at an ice lens:Its measurement and interpretation[J].Cold Regions Science and Technology,1989,16(1):63-74.

[17]SETO J T C,KONRAD J M.Pore pressure measurements during freezing of an overconsolidated clayey silt[J].Cold Regions Science and Technology,1994,22(4):319-338.

[18]TAKAGI S.The adsorption force theory of frost heaving[J].Cold Regions Science and Technology,1980,3(1):57-81.

[19]FUKUDA M.The pore water pressure profile in porous rocks during freezing[C]//Proceedings of the Fourth International Conference on Permafrost.Washington,D C,USA:USA National Academy Press,1983:322-327.

[20]HARRIS C,DAVIES M C R.Pore-water pressures recorded during laboratory freezing and thawing of a natural silt-rich soil[C]//Proceedings of 6th International Conference on Permafrost.[S.l.]:[s.n.],1998:433-440.

猜你喜歡
砂土凍融循環(huán)粉質(zhì)
自密實固化土的凍融循環(huán)力學(xué)特性試驗研究
水泥土換填法在粉質(zhì)砂土路基施工中的應(yīng)用研究
凍融循環(huán)對非水反應(yīng)高聚物注漿材料抗壓性能的影響研究
粉質(zhì)黏土大面積深基坑降水施工方案探討
凍融循環(huán)對路基土?xí)r效性影響試驗分析
飽和砂土地層輸水管道施工降水方案設(shè)計
粉質(zhì)黏土地層泥水盾構(gòu)泥漿脫水處理技術(shù)研究
龍之中華 龍之砂土——《蟠龍壺》創(chuàng)作談
凍融循環(huán)作用下重塑黃土強度劣化試驗研究
城市淺埋隧道穿越飽和砂土復(fù)合地層時適宜的施工工法