基于凍融作用的土體含水率降低技術研究

摘 要：外部環境溫度降低，土體表面開始凍結，形成冰透鏡體，使未凍結土體中的水分向上遷移到達凍結峰面，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場土體罐，進行凍結干燥試驗的研究，試驗結果表明：采用凍結干燥的方法，可以降低土樣中的含水量；在寒冷地區采用凍結干燥的方法降低土體含水率是可行的，該技術使土樣的改良操作簡單，且經濟有效。

關鍵詞：土體，含水率；凍結干燥；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場試驗對高含水率土體進行脫水作用，結果表明，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，通過凍結高含水率土體，產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土體的凍結從而降低高含水率地基的含水率。在土體凍結過程中，細粒土易發生凍脹，水分從未凍層遷出，在凍結面附近形成冰透鏡體。隨著溫度降低，熱平衡被打破，凍結區域向深層延伸，導致凍結區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

當土體凍結的區域越大，脫水效果越好，因此凍結干燥使用球形沙袋。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，經過凍結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，測試位置應與沙袋豎向方向對稱。

在所有的試驗中，南北方向即為水平方向，通過溫度應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，基于粒度的凍結敏感性評估方法，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。當沙袋內土體的溫度測量結束后，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，應在凍結之前立即把土體灌入沙袋。

5 結束語

本研究通過對寒冷地區降低土體含水率的方法進行研究，得到如下結論：（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到外大規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。（2）本研究的結論表明在寒冷地區采用凍結干燥的方法降低土體含水率是可行的，該技術使土樣的改良操作簡單，且經濟有效。

參考文獻

[1]Sato A.Nishimoto S. Suzuki T. Nakamura D. A technique to reduce moisture content using freeze-thaw action in cold climatic conditions [J].Cold Regions Engineering， 2012.

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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。