凍區(qū)鹽漬土水熱耦合效應(yīng)及對力學(xué)性能的影響分析

1、凍區(qū)鹽漬土水熱耦合效應(yīng)及對力學(xué)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(jìn)行了室內(nèi)動態(tài)試驗,研究了水熱耦合作用對力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:單向凍結(jié)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(jié)強(qiáng)度有不同程度上升,提升后的強(qiáng)度隨土體深度增加而降低,遠(yuǎn)離凍區(qū)端因鹽晶析出導(dǎo)致土凍結(jié)強(qiáng)度有所回升。關(guān)鍵詞鹽漬土水份遷移溫度場水熱耦合凍結(jié)強(qiáng)度前言土的凍結(jié),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(jié)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(dǎo)致空間全新的固、液、氣組合狀態(tài)。水熱耦合效應(yīng)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(nèi)外凍土學(xué)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(rèn)識凍脹機(jī)理。1973年, Harlan R·L·提出了土體凍結(jié)過程中水-熱遷移耦合數(shù)學(xué)模型2,從此進(jìn)入多場耦合問題的研究階段。Harlan ( 1973 )、Sheppard(1978)3提出凍土中熱質(zhì)

3、遷移與水分遷移相互作用的流體動力學(xué)模型。苗天德等(1999 )4, 5在連續(xù)流體力學(xué)混合物理論框架下研究了凍土力學(xué)-熱學(xué)性質(zhì),建立起固、液兩相介質(zhì)伴有相變的水、熱二場耦合模型。毛雪松6對室內(nèi)小型試件進(jìn)行了水分遷移過程的水分場和溫度場動態(tài)觀測,并應(yīng)用水熱耦合模型對模型試件溫度場、水分場進(jìn)行數(shù)值模擬?？紤]到鹽漬土尤其是高氯鹽漬土土體本身的復(fù)雜性,本文通過室內(nèi)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(xué)性能的影響。1試樣、試驗設(shè)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(xué)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(jié)果如表1。(2)試驗設(shè)備采用西南交大自行研制的封閉式單向凍結(jié)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(jìn)行溫度和含水量的動態(tài)觀測。設(shè)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(jī)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(jié)合;將溫度水份傳感器插入設(shè)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(guān)閉模擬環(huán)境試驗箱蓋,調(diào)整好位移測量系統(tǒng)。開啟制冷系統(tǒng)及加熱器電源,調(diào)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(jié)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(zhuǎn)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(dá)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(yuǎn)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(jìn)而土柱上層的含水量較凍結(jié)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(jié)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(guān),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(dǎo)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(dāng)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(dá)到穩(wěn)定。3水熱耦合效應(yīng)對力學(xué)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(jié)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(zhì)有不確定性。本文以凍結(jié)強(qiáng)度為指標(biāo),將試驗過后的土樣分層進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗,研究水熱耦合效應(yīng)對土樣力學(xué)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(yīng)環(huán)境溫度進(jìn)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(yīng)變控制式靜三軸剪切儀,將保溫瓶內(nèi)制備好的試樣迅速放在加壓板上進(jìn)行試驗。3·2試驗結(jié)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(qiáng)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(jié)溫度對凍結(jié)強(qiáng)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(qiáng)了土顆粒之間的聯(lián)結(jié);土樣最底端強(qiáng)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(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致土