凍區(qū)鹽漬土水熱耦合效應及對力學性能的影響分析

1、凍區(qū)鹽漬土水熱耦合效應及對力學性能的影響分析    摘要水份遷移和溫度場變化是引起路基凍脹融沉的直接因素。針對凍區(qū)高氯鹽漬土,經(jīng)水熱場耦合作用后水份遷移和溫度場分布規(guī)律進行了室內動態(tài)試驗,研究了水熱耦合作用對力學性能的影響。結果表明:單向凍結過程中,水份向溫度較低的地方遷移,遷移量隨土體深度的增加而增加;水熱耦合作用后的土體凍結強度有不同程度上升,提升后的強度隨土體深度增加而降低,遠離凍區(qū)端因鹽晶析出導致土凍結強度有所回升。關鍵詞鹽漬土水份遷移溫度場水熱耦合凍結強度前言土的凍結,引起水份向正凍區(qū)運動,并試圖以冰的形式充填這個區(qū)域。由于土體表面溫度的降低,

2、未凍結之前的土體中的能量平衡被打破,除引起水分的遷移外,也引起土中溫度的重新分布1。在鹽漬土中,還伴隨產(chǎn)生土中鹽分的濃度梯度,同時鹽分也重新分布,從而導致空間全新的固、液、氣組合狀態(tài)。水熱耦合效應變化是凍土工程中引起凍脹融沉最重要的因素之一。近30年來,國內外凍土學者從單一場影響因素的研究發(fā)展到水、熱兩方面的綜合統(tǒng)一研究,去認識凍脹機理。1973年, Harlan R·L·提出了土體凍結過程中水-熱遷移耦合數(shù)學模型2,從此進入多場耦合問題的研究階段。Harlan ( 1973 )、Sheppard(1978)3提出凍土中熱質

3、遷移與水分遷移相互作用的流體動力學模型。苗天德等(1999 )4, 5在連續(xù)流體力學混合物理論框架下研究了凍土力學-熱學性質,建立起固、液兩相介質伴有相變的水、熱二場耦合模型。毛雪松6對室內小型試件進行了水分遷移過程的水分場和溫度場動態(tài)觀測,并應用水熱耦合模型對模型試件溫度場、水分場進行數(shù)值模擬。考慮到鹽漬土尤其是高氯鹽漬土土體本身的復雜性,本文通過室內動態(tài)試驗,分析高氯鹽漬土水熱耦合規(guī)律,并研究水熱變化對土體力學性能的影響。1試樣、試驗設備和試驗方法(1)試樣取自青藏高原那曲河地區(qū),該區(qū)地基土系由洪積、湖積和湖泊化學沉積的鹽層及超氯鹽漬土組成。土樣天然含水量為10

4、3;61 %,易溶鹽含量為12·01%,主要成分為氯化鈉和氯化鉀。顆粒分析結果如表1。(2)試驗設備采用西南交大自行研制的封閉式單向凍結特性測試系統(tǒng)(見圖1、圖2),在土樣無破損的條件下,對土柱中的點位進行溫度和含水量的動態(tài)觀測。設備主要由三個系統(tǒng)組成:溫度、水份及變形檢測系統(tǒng)(溫度傳感器、水份傳感器和百分表等);環(huán)境溫度場建立系統(tǒng)(制冷壓縮機及控制系統(tǒng));絕熱樣品室系統(tǒng)(尼龍試樣套管、聚氨酯泡沫絕熱層和石棉保溫套)。土柱高25 cm,直徑10 cm。(3)取適量土樣,測其初始含水量(10·61% ),按最優(yōu)干密度(1·79

5、 g/cm3)分層裝入套管中,將加熱器安裝在試樣套管底部,緊固并確保其表面與試樣表面緊密結合;將溫度水份傳感器插入設定好的測試孔中,在試樣上表面敷一層保鮮膜,防止水分散失。接好加熱電源及各測試電纜后關閉模擬環(huán)境試驗箱蓋,調整好位移測量系統(tǒng)。開啟制冷系統(tǒng)及加熱器電源,調整制冷系統(tǒng)溫度和加熱器電源電壓以便得到研究所需的模擬環(huán)境溫度和溫度梯度。試驗時間為72小時,前12小時每1小時記錄一組數(shù)據(jù),其后每3小時記錄數(shù)據(jù)一次。2試驗結果分析試驗數(shù)據(jù)整理后見圖3、圖4。圖3中,在0 mm (表面至下0 mm,后略)處為模擬環(huán)境溫度,除開始(02小時)由室溫轉變?yōu)槟M環(huán)

6、境溫度外,其曲線一直保持平穩(wěn)(-10左右); 50 mm、100 mm、150 mm和200 mm曲線趨勢大致相同,前12小時溫度下降趨勢較明顯,其后曲線較平穩(wěn),達到穩(wěn)態(tài);由表面至底端同一時刻溫度變化量逐步減小,說明試樣溫度梯度是隨深度增加而減小的。圖4中,在25 mm處,含水量隨時間增加而增加, 12小時左右后,基本保持不變( 13·1 %13·5% ),較初始含水量(10·61 % )升高23·47% 27·24

7、%;在75mm處開始階段(05小時)含水量有迅速下降趨勢,隨后(612小時)含水量逐步增加, 12小時后基本穩(wěn)定(11·3 % 11·6 % ),較初始含水量升高6·50 % 9·33 %;在125 mm、175 mm和225 mm處曲線走勢比較接近,即開始階段(08小時)含水量逐步減少, 10小時左右后又稍微升高, 15小時后一直保持在9·6 % 10·5 %之間,較初始含水

8、量降低1·04% 9·52%。以上現(xiàn)象初析為:因外界環(huán)境溫度迅速下降,接近外界環(huán)境一端(土樣上表面附近)溫度變化要先于遠離外界環(huán)境端,試件會產(chǎn)生較大的溫度梯度從而破壞了土體中的水量平衡,使其水份場發(fā)生重新分布,水份從土樣的暖端向冷端遷移,進而土柱上層的含水量較凍結前有所提高,即為25mm和75mm二曲線所表現(xiàn)。除25 mm曲線外,其他曲線都有先降后升現(xiàn)象,初析為凍結初始階段土樣各層水份要向上遷移同時接受下層水份移入補給,由于水份遷移量與溫度梯度有關,隨梯度減小而減少7, 8。由圖3可知溫度梯度隨土樣深度增加而降低,從而導致某層土樣在初始時段或出

9、現(xiàn)水份來不及補給的現(xiàn)象(75 mm曲線迅速下降),或遷移量大于補給量,含水量逐步減少的現(xiàn)象。當溫度場(見圖3) 12小時左右穩(wěn)定后,水份場在15小時左右達到穩(wěn)定。3水熱耦合效應對力學性能的影響鹽漬土的三相與非鹽漬土不同,它的液相是鹽溶液,固相包括土顆粒和結晶鹽9,凍區(qū)鹽漬土還會有冰晶產(chǎn)生,因此溫度場和水份場的變化鹽漬土的工程性質有不確定性。本文以凍結強度為指標,將試驗過后的土樣分層進行無側限抗壓強度試驗,研究水熱耦合效應對土樣力學性能的影響。3·1試驗方法將水熱耦合試驗的土樣分為5層,匯集幾次平行試驗土樣,每層土樣放入保鮮袋中防止水份及鹽份散失;試樣為直徑40&#

10、160;mm、高80 mm的圓柱體,每層土樣的試樣套入保鮮膜并按相應環(huán)境溫度進行冷凍(見表2),時間24小時,同時另取水熱耦合前土樣,以作對比;試驗采用GB4540 -84應變控制式靜三軸剪切儀,將保溫瓶內制備好的試樣迅速放在加壓板上進行試驗。3·2試驗結果分析試驗數(shù)據(jù)整理后見圖5。從圖5看出,經(jīng)水熱耦合作用后,土樣強度均有不同程度的提高(10·0% 84·1% ),增加量隨土樣深度增加而減小,原因是由于凍結溫度對凍結強度影響較大,另外因水份遷移,土層上部含水量較大,會產(chǎn)生更多的冰晶,加強了土顆粒之間的聯(lián)結;土樣最底端強度有所回升(5層較4層提高18·2% ),原因初析:土樣為高氯鹽漬土,由于水份遷移會伴隨產(chǎn)生鹽晶的析出,土樣內部微觀結構發(fā)生變化,從而導致土