含鹽量對軟黏土凍結(jié)溫度的影響

王秦澤

(陜西省土地工程建設(shè)集團有限責任公司，陜西 西安 710075)

0 前 言

而凍結(jié)溫度在土的凍結(jié)與融化過程中起到了至關(guān)重要的作用，土的凍結(jié)溫度是判斷土是否處于凍結(jié)狀態(tài)的直接物理指標[1]，土體溫度低于自由水的凍結(jié)溫度時，土中水開始凍結(jié)，由于易受到其他溶質(zhì)的影響，起始凍結(jié)溫度往往低于純水的凍結(jié)溫度，同時含水量和含鹽量在土中分布的不均勻性，也會導致凍結(jié)溫度發(fā)生變化[2]。影響凍結(jié)溫度的宏觀參數(shù)是含水量[3]，但含鹽量在凍結(jié)過程中對凍結(jié)溫度的變化也起到了重要作用，鹽分會導致凍結(jié)溫度的降低，并在低溫下影響未凍水的含量[4]。Watanabe等[5]研究了多種凍結(jié)粉砂和黏土中未凍水含有的溶質(zhì)(NaCl、KCl 和 MgCl2)對凍結(jié)溫度的影響后，認為未凍水的含量隨著鹽分含量的增大而增大；Nassar等[6]建立了描述水分和鹽分遷移的方程，并提出了鹽分遷移的主要驅(qū)動力是溫度梯度、含水量和溶質(zhì)濃度。

本文以江蘇軟黏土為研究對象，分析凍結(jié)過程中含鹽量對凍結(jié)溫度的影響，建立相應的數(shù)值關(guān)系式，為實際工程特別是人工凍結(jié)技術(shù)的發(fā)展與應用提供一個理論依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗取用江蘇省蘇州市在建工地的軟黏土，取土深度4.0～5.0 m。軟黏土天然含水率w=49.3%，最大干密度ρdmax=1.75 g/cm3，液限為41.8%，塑限為21.6%，塑性指數(shù)為20.2，液性指數(shù)為1.37，屬于中液限黏土。

1.2 試樣制備

根據(jù)目標含鹽量要求將所要添加的鹽分溶解在去離子水中，待充分溶解后倒入土樣中，制備軟黏土試樣。按照試樣的密度要求將土樣分層壓實于試驗容器中，靜置24 h。試樣高度為5 cm，直徑為3 cm。本次試驗含鹽量控制為0、0.2%、0.5%、1.0%、2.0%和5.0%。控制土樣干密度與天然干密度一致，以消除不同試樣間干密度不同帶來的差異。試樣制備完成后放置于保濕缸內(nèi)靜置24 h，以保證水分和鹽分在試樣空間中均勻分布。

1.3 試驗方法

本試驗采用周家作等[7]提出的低溫恒溫槽調(diào)節(jié)冷液溫度的方法測定不同含鹽量條件下的凍結(jié)溫度。將溫度傳感器插入直徑為3 cm、高度為5 cm的試樣中，用保鮮膜將土樣密封后置于低溫恒溫槽的冷液中，同時用另一個溫度傳感器測量低溫恒溫槽中冷液的溫度，即環(huán)境溫度，溫度傳感器通過數(shù)據(jù)采集儀連接到計算機，通過數(shù)據(jù)采集儀和采集軟件就可以在計算機上實時測定土樣和環(huán)境的溫度。

2 含鹽量對凍結(jié)溫度的試驗結(jié)果與分析

2.1 土體凍結(jié)曲線分析

土的凍結(jié)是由于土中溫度分布的不均勻性，在土體空間形成了溫度梯度，水分在溫度梯度的影響下，從暖端向冷段(未凍區(qū)向凍結(jié)鋒面)遷移，形成水分遷移通道，凍結(jié)鋒面在溫度梯度的影響下不斷向前推進。因此，土的凍結(jié)一般會經(jīng)歷過冷、跳躍、恒定和遞降四個階段[8]，如圖1所示：①過冷階段，該階段在外界溫度影響下，試樣溫度快速降至亞穩(wěn)態(tài)過冷溫度Tsc，但試樣仍處于未凍結(jié)狀態(tài)，土中無冰晶體生成；②跳躍階段，該階段在外界溫度的影響下，土開始凍結(jié)，且在凍結(jié)過程中由于水的凍結(jié)而釋放大量潛熱，導致土的溫度快速上升；③穩(wěn)定階段，該階段的凍結(jié)溫度基本穩(wěn)定，試樣內(nèi)的未凍水開始凍結(jié)，此階段土的溫度變化達到平衡狀態(tài)，土體內(nèi)的凍結(jié)溫度恒定，為自由水的初始凍結(jié)溫度Tf；④遞降階段，第三階段土中未凍水完成凍結(jié)后，土體中的束縛水，如結(jié)合水、薄膜水也開始凍結(jié)，土的凍結(jié)溫度繼續(xù)下降。

圖1 土的凍結(jié)溫度-時間曲線[8]

2.2 含鹽量對凍結(jié)溫度的影響

圖2給出了江蘇軟黏土在含水量一定的情況下，凍結(jié)溫度隨含鹽量的變化趨勢。具體表現(xiàn)為：凍結(jié)溫度隨含鹽量的增加而近似線性降低，且含鹽量越大，凍結(jié)溫度越低。

含水量一定時，凍結(jié)溫度隨含鹽量的增大而降低。含鹽量Xs<2.0%時，凍結(jié)溫度曲線變化較陡，凍結(jié)溫度的降低較為明顯，降幅約為70%；含鹽量2.0%

對于含鹽量對凍結(jié)溫度的影響，本文在所測得的凍結(jié)溫度和含鹽量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，排除了凍結(jié)速率和干容重等因子的影響，得出了凍結(jié)溫度和含鹽量的具體關(guān)系，如式(1)所示。含鹽量的增大會降低凍結(jié)溫度，且在一定的范圍內(nèi)(Xs≤2%)，含鹽量越大，凍結(jié)溫度越低，超過該范圍，凍結(jié)溫度隨含鹽量增大而趨于平緩。

Tf=AXs+B

(1)

式中，Xs為土的含鹽量；A和B為擬合參數(shù)，可由實驗數(shù)據(jù)分析得到。

3 結(jié) 論

通過對江蘇省軟黏土在不同含鹽量下的凍結(jié)溫度試驗分析，可得出以下結(jié)論。

1)含鹽軟黏土凍結(jié)過程中的溫度變化曲線與一般土保持一致，均包括4個階段，即過冷段、跳躍段、穩(wěn)定段和遞降段，每個階段的溫度變化特征均與土中未凍水的凍結(jié)特征密切相關(guān)。

2)凍結(jié)溫度隨含鹽量的增加而降低，且一定范圍內(nèi)，含鹽量越大，凍結(jié)溫度越低。

3)通過數(shù)學關(guān)系式表達出凍結(jié)溫度與含鹽量的關(guān)系變化，其他條件一定時，凍結(jié)溫度與含鹽量呈近似線性降低趨勢。

4)用數(shù)學關(guān)系將含鹽量與凍結(jié)溫度關(guān)系線性表示，可更加直接地反映出凍結(jié)溫度與含鹽量的關(guān)系變化。

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