【摘要】：改變邊界溫度和土樣高度,對(duì)飽和粉土進(jìn)行了凍結(jié)試驗(yàn),研究其水分遷移、水分重分布、凍脹和冰透鏡體的發(fā)展規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí),水分持續(xù)遷移到凍結(jié)鋒面附近,含水率急劇增大,易形成冰透鏡體。飽和粉土冰透鏡體幾何形態(tài)較為規(guī)則,無(wú)枝狀交叉結(jié)構(gòu),已凍土為整體狀且無(wú)網(wǎng)狀裂隙。凍結(jié)過(guò)程中存在起始凍脹時(shí)間,在起始凍脹時(shí)間之前,土中水分被排出,凍脹發(fā)生之后水分補(bǔ)給到凍土中,且補(bǔ)給水分產(chǎn)生的凍脹量和總凍脹量數(shù)值接近。土樣高度影響水分遷移量和凍脹量,土樣越高,凍脹量越小,凍土含水率增量越小,但水分增量分布區(qū)域越分散,且起始凍脹時(shí)間越長(zhǎng)。
【圖文】：

樣放入直徑為100mm的圓柱形有機(jī)玻璃筒中，側(cè)面由保溫材料隔熱。頂板和底板由銅制成，通過(guò)低溫恒溫槽循環(huán)液控制溫度。試驗(yàn)時(shí)底板為負(fù)溫，頂板保持正溫，形成從下往上凍結(jié)的一維溫度常通過(guò)熱電偶測(cè)得沿著土樣高度的溫度，熱電偶間距為1cm，通過(guò)頂板的電子尺測(cè)得總的凍脹量。頂板有補(bǔ)水孔與外界水源連通，，通過(guò)人工記錄補(bǔ)進(jìn)的水量乘以水凍結(jié)成冰體積增大系數(shù)，即可以計(jì)算出補(bǔ)水凍脹量。恒水頭補(bǔ)水裝置較多地使用馬氏瓶，為了避免馬氏瓶讀數(shù)不精確、補(bǔ)水反應(yīng)不靈敏的缺點(diǎn)，本研究采用一種圓形盤(pán)管式補(bǔ)水裝置，其實(shí)物圖見(jiàn)圖1。將內(nèi)徑為4mm、外徑為6mm的塑料管盤(pán)繞成環(huán)形水平放置，其表面標(biāo)記有刻度，最小刻度長(zhǎng)度為1cm，先將塑料管中充滿(mǎn)水，一端與凍脹儀進(jìn)水口相連，另一端與大氣相通，實(shí)現(xiàn)恒水頭補(bǔ)水，通過(guò)管中水-氣界面讀數(shù)則可以計(jì)算出補(bǔ)水量。試驗(yàn)表明，該補(bǔ)水裝置精度較高，計(jì)算的水質(zhì)量最小誤差為0.03g。本文試驗(yàn)用土取自黃河沖擊平原粉土，其液限為29%，塑限為17%，凍結(jié)溫度為0.2℃，試樣干密度為1.6g/cm3，初始含水率控制在約24%，飽和圖1盤(pán)式補(bǔ)水管Fig.1Curledtubeforsupplyingwater度約90%。前人已做較多邊界溫度恒定的凍脹試驗(yàn)研究，由于凍脹速率與溫度梯度和凍結(jié)速率有關(guān)系[14]，因此，本研究改變邊界溫度進(jìn)行試驗(yàn)，可以同時(shí)改變溫度梯度和瞬態(tài)凍結(jié)速率。另外，試驗(yàn)表明，當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)，在凍結(jié)鋒面處易于形成冰透鏡體。為了使土樣形成多層冰透鏡體，本文采用了階梯型變化的邊界溫度條件。對(duì)高度為55mm土樣進(jìn)行了10次試驗(yàn)：在編號(hào)為1#～7#的試驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)整不同邊界溫度研究溫度梯度和凍結(jié)速率對(duì)凍脹量和冷生結(jié)構(gòu)的影響；在編號(hào)為S1～S3的試驗(yàn)中，邊界溫度條件保持不變，凍結(jié)時(shí)間分別為10、22、

第9期魏厚振等：飽和粉土凍結(jié)過(guò)程中的水分遷移試驗(yàn)研究2549(a)1#試驗(yàn)(b)6#試驗(yàn)圖2邊界溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.2Boundarytemperaturevs.time(a)1#試驗(yàn)(b)6#試驗(yàn)圖3凍結(jié)后的土樣(箭頭指向?yàn)楸哥R體)Fig.3Soilsampleafterfreezing(thearrowspointtotheicelenses)不同于黏土或者粉質(zhì)黏土在凍結(jié)過(guò)程中形成網(wǎng)狀裂隙和互相交錯(cuò)的分凝冰層[1415]，粉土在凍結(jié)后的形成比較整齊的冷生構(gòu)造：冰透鏡體比較平整，無(wú)交叉現(xiàn)象，凍土中沒(méi)有出現(xiàn)網(wǎng)狀裂隙。可以用一種簡(jiǎn)單的方法估算飽和粉土冰透鏡體的位置和厚度[16]。假設(shè)水分遷移只是聚集在凍結(jié)鋒面附近的狹窄區(qū)域，根據(jù)凍脹速率和凍結(jié)速率計(jì)算出不同位置的含冰量分布：iifofw()vXvρθθρ=+（1）式中：iθ和oθ分別表示凍結(jié)后的體積含冰量和初始體積含冰量；v和fv分別為水分遷移速率和凍結(jié)鋒面移動(dòng)速率；iρ和wρ分別為冰密度和水密度；fX為凍結(jié)鋒面位置。由于凍結(jié)鋒面是移動(dòng)的，根據(jù)式（1）計(jì)算結(jié)果可以繪制出凍土中含冰量分布圖，如果計(jì)算的體積含冰量等于1，即微小土單元中只有冰，則該處產(chǎn)生冰透鏡體。1#和6#試驗(yàn)的含冰量計(jì)算結(jié)果由圖4給出，并顯示了冰透鏡體的位置和厚度，圖中黑色橫線(xiàn)表示冰透鏡體。(a)1#試驗(yàn)(b)6#試驗(yàn)圖4含冰量和冰透鏡體計(jì)算結(jié)果Fig.4Simulatedicecontentandicelenses3.2凍脹與水分遷移以7#試驗(yàn)為例，圖5給出了邊界溫度的變化曲線(xiàn)，圖6給出了凍脹量和凍結(jié)鋒面的變化曲線(xiàn)。對(duì)比圖5、6可以看出，在10h時(shí)，底板溫度降低，凍結(jié)鋒面迅速上升，凍土段長(zhǎng)度增大，且凍脹量曲線(xiàn)陡增。在13h時(shí)，底板溫度升高并保持到24h，在這段時(shí)間內(nèi)，凍結(jié)鋒面下移，土樣處于融化階段?

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2 張少民;屈立軍;褚新穎;;標(biāo)準(zhǔn)受火條件下考慮水分遷移混凝土板溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算[J];火災(zāi)科學(xué);2006年04期

3 徐e呑

本文編號(hào)：2574642