發(fā)布時(shí)間：2021-07-04 05:34

　　高含水率飽和淤泥質(zhì)軟黏土在封閉系統(tǒng)中由凍結(jié)引起的土體內(nèi)部水分遷移是影響其凍脹速率的重要因素。為揭示冷端溫度對(duì)沿海軟黏土水分遷移特性的影響,采用上海第四系濱海-淺海相淤泥質(zhì)黏土,在-5～-20℃冷端溫度條件下開展了封閉系統(tǒng)單向凍結(jié)試驗(yàn),測(cè)定了試樣凍脹量及沿著溫度梯度方向的試樣溫度,得到了凍結(jié)鋒面高度隨凍結(jié)時(shí)間的發(fā)展規(guī)律、引起水分遷移的臨界溫度梯度、水分遷移入流通量及入流速率。結(jié)果表明:試樣凍結(jié)鋒面高度是關(guān)于凍結(jié)時(shí)間的函數(shù),其擬合公式形如X（t）=t（at+b）-1;凍結(jié)區(qū)內(nèi)溫度梯度降低至臨界溫度梯度是水分遷移起始的判據(jù),隨著冷端溫度的降低,臨界溫度梯度線性增大;水分入流速率隨凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后減小,水分入流通量-凍結(jié)時(shí)間曲線隨冷端溫度的降低由"S型"逐漸趨于線性;結(jié)合臨界溫度梯度-冷端溫度關(guān)系式和凍結(jié)鋒面高度-凍結(jié)時(shí)間擬合公式,可預(yù)測(cè)某一冷端溫度條件下封閉系統(tǒng)單向凍結(jié)過程中試樣內(nèi)部水分遷移的起始時(shí)刻。以上試驗(yàn)結(jié)果有助于推進(jìn)封閉系統(tǒng)單向凍結(jié)過程中高含水率軟土水分遷移特性的定量研究,為沿海軟土地區(qū)凍結(jié)法施工中凍脹量預(yù)警提供重要參考依據(jù)。 

【文章來源】：工程地質(zhì)學(xué)報(bào). 2020,28(05)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

封閉系統(tǒng)單向凍結(jié)儀及傳感器示意圖

凍結(jié)過程中實(shí)時(shí)記錄距離冷端不同高度處的試樣溫度，使用二次多項(xiàng)式函數(shù)對(duì)測(cè)點(diǎn)溫度與測(cè)點(diǎn)高度進(jìn)行擬合，由此獲得0i℃等溫線(凍結(jié)鋒面)高度隨凍結(jié)時(shí)間的變化關(guān)系(圖2)。由圖2可見，凍結(jié)鋒面高度隨凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，凍結(jié)鋒面推進(jìn)速率逐漸減小。隨著冷端溫度的降低，凍結(jié)鋒面推進(jìn)至試樣頂面(50imm)所需的時(shí)間縮短。在相同凍結(jié)時(shí)間下，冷端溫度越低，試樣凍結(jié)鋒面高度越大。這是由于在試驗(yàn)過程中低溫冷卻液、凍結(jié)儀底座及試樣組成一個(gè)熱交換系統(tǒng)。低溫冷卻液與凍結(jié)儀底座發(fā)生熱對(duì)流，凍結(jié)儀底座再與試樣發(fā)生熱傳導(dǎo)使試樣溫度降低。在冷端初始溫度下，系統(tǒng)熱交換達(dá)到平衡，試樣維持穩(wěn)定的初始溫度。當(dāng)冷端降溫至目標(biāo)溫度后，原先的熱交換平衡被打破，系統(tǒng)熱能排出量大于熱能補(bǔ)給量，導(dǎo)致試樣溫度降低，凍結(jié)鋒面持續(xù)推進(jìn)。在凍結(jié)初期，冷端僅與其上部小范圍試樣進(jìn)行熱交換，熱能排出量遠(yuǎn)大于熱能補(bǔ)給量，試樣溫度迅速降低，因此凍結(jié)鋒面推進(jìn)速率大。隨著凍結(jié)鋒面的推進(jìn)，熱交換范圍不斷擴(kuò)大，熱能補(bǔ)給量增大，系統(tǒng)熱交換向平衡狀態(tài)過渡，試樣降溫速率減小，因此凍結(jié)鋒面推進(jìn)速率減小。當(dāng)冷端溫度降低，系統(tǒng)熱能排出量增大，凍結(jié)鋒面推進(jìn)速率增大，因此在相同凍結(jié)時(shí)間下凍結(jié)鋒面高度增大，且凍結(jié)鋒面推進(jìn)至試樣頂面所需的時(shí)間縮短。凍結(jié)鋒面高度隨凍結(jié)時(shí)間的變化可由式(1)描述，不同冷端溫度條件下擬合參數(shù)a、b的值見表3。

根據(jù)Konrad(1989)提出的分凝凍脹理論可知，單位凍結(jié)時(shí)間內(nèi)試樣分凝凍脹量遠(yuǎn)大于原位凍脹量，因此在試樣內(nèi)部發(fā)生分凝凍脹的凍結(jié)時(shí)間區(qū)間內(nèi)可不考慮原位凍脹對(duì)總凍脹量的影響。通過凍結(jié)鋒面的水分遷移入流通量由其高度表示(式2)，入流通量根據(jù)試樣凍脹量由式(3)計(jì)算，將式(3)對(duì)凍結(jié)時(shí)間t求導(dǎo)即得入流速率。式中:hw為通過凍結(jié)鋒面的入流通量(mm);mw為通過凍結(jié)鋒面的遷移水質(zhì)量(g);ρw為未凍水密度(g·cm-3);A為試樣橫截面積(cm2);S為凍脹量(mm)。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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