基于凍融作用的土體含水率降低技術(shù)研究

摘 要：外部環(huán)境溫度降低，土體表面開始凍結(jié)，形成冰透鏡體，使未凍結(jié)土體中的水分向上遷移到達凍結(jié)峰面，從而降低高含水量土體中的含水率。本研究采用大型沙袋代替現(xiàn)場土體罐，進行凍結(jié)干燥試驗的研究，試驗結(jié)果表明：采用凍結(jié)干燥的方法，可以降低土樣中的含水量；在寒冷地區(qū)采用凍結(jié)干燥的方法降低土體含水率是可行的，該技術(shù)使土樣的改良操作簡單，且經(jīng)濟有效。

關(guān)鍵詞：土體，含水率；凍結(jié)干燥；冰透鏡；脫水

1 概述

由于河流、湖泊和沼澤等土的含水率高，強度低，未經(jīng)處理的土無法用作土木工程材料。這些廢土的丟棄勢必會占用水率土地面積，增加環(huán)境負擔，同時造成資源浪費。因此，亟需研究對這種高含水率土的有效利用。

文章利用寒冷氣候的作用來降低高含水率土體的含水率。sato等利用寒冷氣候的作用以及專門制作的土體罐通過現(xiàn)場試驗對高含水率土體進行脫水作用，結(jié)果表明，該方法對降低土體含水率有良好的效果（sato等2009、2010、2011）。然而，該方法在實際使用中成本較高，其主要原因是這種特殊土體罐的造價高且土體改良前后土體罐的轉(zhuǎn)運困難。因此，文章基于寒冷氣候的脫水的方法，采用大型沙袋代替特制的土體罐，通過凍結(jié)高含水率土體，產(chǎn)生冰透鏡來降低含水率。相比于之前的方法，該方法會大大降低土體改良費用。

2 凍結(jié)干燥的原理

冷凍干燥原理如圖1所示，該原理適用于寒冷地區(qū)土體的凍結(jié)從而降低高含水率地基的含水率。在土體凍結(jié)過程中，細粒土易發(fā)生凍脹，水分從未凍層遷出，在凍結(jié)面附近形成冰透鏡體。隨著溫度降低，熱平衡被打破，凍結(jié)區(qū)域向深層延伸，導致凍結(jié)區(qū)域的冰透鏡成層分布。當這些冰透鏡體完全形成，使得下面不凍區(qū)的水分降低，土體的含水率會也顯著降低。

3 試驗方法

當土體凍結(jié)的區(qū)域越大，脫水效果越好，因此凍結(jié)干燥使用球形沙袋。本試驗采用寬120cm、高70cm，體積為1m3的聚酯袋裝滿高含水率土，將其置于寒冷氣候條件下，經(jīng)過凍結(jié)一段時間后測試其性能。

試驗用土為湖中選取的高含水率土體，選取兩組（即A、B）進行土體改良試驗。

A樣本的溫度與含水率測試都沿豎直方向測試，同時測量沙袋頂部與底部的水平方向上溫度和含水率的變化；對于B樣本，溫度與含水率測試沿水平方向測試，測試位置應(yīng)與沙袋豎向方向?qū)ΨQ。

在所有的試驗中，南北方向即為水平方向，通過溫度應(yīng)變計自動記錄每小時試驗土體溫度和氣溫變化情況，其中溫度計布置于南北方向的主要原因是研究太陽輻射（南）與太陽未輻射（北）對土體溫度和含水率的影響。每隔一個月打開沙袋，并取沿沙袋南北方向中心位置的土體樣本，采用烘箱干燥法測樣本含水率。

表1所示為試驗用土的基本物理性質(zhì)，基于粒度的凍結(jié)敏感性評估方法，A是高含水率細粒土，對凍脹敏感性強，而B粉質(zhì)土，對凍脹敏感性較弱，無法確定其稠度界限。這些試驗用土都是軟而不可壓實的材料。當沙袋內(nèi)土體的溫度測量結(jié)束后，從中收集樣本，測量含水率。

試驗前先對土樣進行充分攪拌，然后將其灌入八個沙袋，其中一個用于溫度測量，其余七個用于含水率測試。表2所示為試驗條件和測量位置，在A、B測試時，應(yīng)在凍結(jié)之前立即把土體灌入沙袋。

5 結(jié)束語

本研究通過對寒冷地區(qū)降低土體含水率的方法進行研究，得到如下結(jié)論：（1）利用寒冷氣候條件和大型沙袋使高可以降低含水率土樣的含水率，因為袋子增加了土樣與外部空氣接觸的面積，從而促進沙袋中土樣的水分從內(nèi)到外大規(guī)模遷移并在整個外表面升華。此外，土樣解凍后，沙袋也促進了表面水分的蒸發(fā)。（2）本研究的結(jié)論表明在寒冷地區(qū)采用凍結(jié)干燥的方法降低土體含水率是可行的，該技術(shù)使土樣的改良操作簡單，且經(jīng)濟有效。

參考文獻

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作者簡介：魏國帥（1989-），男，漢族，河南省安陽市人，主要研究方向為巖土工程。