不同因素对浅表土冻结温度的影响

结果显示两种不同干密度的土样冻结温度均为 - 1. 80℃。土样在初始含水率一定时 ,干密度对冻结温度
未产生显著影响 ,土样干密度的改变只是使土中孔隙分布发生了变化 ,并没有改变土样含水率 ,对冻结时
形成冰晶核未产生较大影响 。
3 结 论
(1)淤泥质黏土 、淤泥质粉质黏土 、粉砂 3种土质的冻结温度差异较显著 ,含水率相同时 ,淤泥质黏土 冻结温度相对较低 。用自来水配制冻结温度试验土样 ,得到冻结温度较低 ,改用去离子水或沸腾后快速冷 却水 (硬度较小 )后在某种程度上提高了土体冻结温度 ,证明水质对冻结温度有较大影响 。
由图 2可见 ,使用自来水时 , 3种土质冻结温度随含水量增长趋势有所差异 ,淤泥质黏土随含水率增 大冻结温度上升较快 , 3种土质冻结温度随含水率增加时增长趋势由大到小为 :淤泥质黏土 ,淤泥质粉质 黏土 ,粉砂 。使用去离子水时 ,淤泥质黏土和淤泥质粉质黏土冻结温度随含水量增长趋势基本相当 。
图 2 含水率对土体冻结温度的影响 F ig. 2 Effects of m o isture con ten t on freez ing tem pera ture
第 33卷 第 4期 2009年 7月
南京 林 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) Journal of Nanjing Forestry University (Natural Science Edition)
Vol. 33, No. 4 July, 2009
不同因素对浅表土冻结温度的影响
中图分类号 : T265 文献标志码 : A 文章编号 : 1000 - 2006 (2009) 04 - 0132 - 03
Effect of d ifferen t factors on the freez ing tem pera ture of sha llow top so il
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南京 林 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
第 33卷
2. 3 含盐量对冻结温度的影响
水中含有一定浓度的盐分时 ,使水溶液的冻结温度降低 ,当人工冻结法遇到含盐地层或受盐水侵害时
达到冻结壁有效厚度的时间比普通地层要长 。试验中的含盐量指外加 NaCl盐分的溶液浓度 ,未考虑土样
配置时不同水质中已有矿物浓度的影响 。
E2mail: yangp ing@ njfu. com. cn。 引文格式 :张 婷 ,杨 平. 不同因素对浅表土冻结温度的影响 [ J ]. 南京林业大学学报 :自然科学版 , 2009, 33 (4) : 132 - 134.
第 4期
张 婷 ,等 :不同因素对浅表土冻结温度的影响
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(mol/L )的增大 ,土体冻结温度主要受盐分浓度控
制 ,冻结温度随含盐量增加直线降低 。由淤泥质黏
土 (ω = 28% )和粉砂 (ω = 24% )两种土质掺入盐分
后冻结温度 (θ)与盐浓度 (ξ)关系式得知 (图 3) ,盐
分对粉砂冻结温度影响较大: 盐分浓度每增加
1. 0 mol/L ,淤泥质黏土冻结温度降低约 3. 2℃,而粉 砂冻结温度降低约 4. 1℃。
ZHANG Ting, YANG Ping3
( College of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)
Abstract: The shallow top soil in Nanjing was selected as the samp le to investigate, the freezing temperature was meas2 ured by self2developed equipment. Freezing temperatures of different soils, such as muddy clay, silty clay, mealy sand, at different moisture content, salt content and water quality were analyzed. The results showed that soil freezing tempera2 ture enhanced nearly2linearly w ith moisture content increasing at the equipmental condition. On the other hand, soil freezing temperature decreased sharp ly w ith the salt content increasing. However, changes of dry density had hardly in2 fluence on freezing temperature. Key words: freezing temperature; soil; moisture content; salt content; dry density
采用不同浓度的盐溶液将淤泥质黏土和粉砂分别配制成饱和的土样 ,盐分的加入使得土体冻结温度
大为降低 ,土体冻结温度随盐溶液浓度增大而线性降低 (图 3) 。土中未加入盐分时 ,使用自来水配制土
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样 ,水中矿物浓度对土体冻结温度影响较大 , 导致土
体冻结 温 度 偏 低 。随 着 外 加 NaCl 溶 液 盐 分 浓 度
收稿日期 : 2008 - 06 - 12 修回日期 : 2008 - 11 - 19 基金项目 :江苏省“六大人才高峰 ”资助项目 (2004) ;南京地下铁道有限公司资助项目 (2008) 作者简介 :张 婷 (1976—) ,讲师 ,博士生 。 3 杨 平 (通讯作者 ) ,教授 ,研究方向为城市环境岩土与地下工程 、人工冻结技术 。
含水率 / % moisture content
35 ～42 30 ～40 14 ～28
分类 classification 中液限黏土 中液限黏土 粉质低液限砂土
土体降温过程中采用自制热电偶测温 、多通道 转换箱与静态电阻应变仪联合采集温度数据 ,热电 偶测温精度为 0. 1℃。 1. 3 试验方法
淤泥质黏土
37
19. 0
17. 2
1. 78
淤泥质粉质黏土
35
17. 5
16. 0
1. 69
粉砂
28
12. 3
注 : W op t为最优含水率 ;ρdmax为最大干密度 。
密度 / ( g·cm - 3 ) density
1. 76～2. 00 1. 85～1. 95 1. 85～2. 10
图 1 冻结温度试验装置 F ig. 1 Test equ ipm en t to m ea sure freez ing tem pera ture
2 结果与分析
2. 1 土质对冻结温度的影响 试验结果表明 :淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土 、粉砂在相同水质和含水率条件下 ,冻结温度均偏低 。一是
由于水中矿物成分增大使溶液浓度增大 ,因而水的冰点降低 ;二是因为试验土样本身所含矿物成分所致 。含 水率为 24%时 ,淤泥质黏土的起始冻结温度为 - 2. 65℃,淤泥质粉质黏土的为 - 1. 55℃,粉砂的为 - 1. 30℃。 说明土质对冻结温度的影响较为显著 ,含水率相同时淤泥质黏土冻结温度相对较低。这是由于黏土中含有 较多的结合水 ,自由水仅占其中一部分 ,而相同含水率条件下粉砂中自由水含量高于淤泥质粉质黏土及淤泥 质黏土的自由水含量 , 3种土质从而体现出不同的冻结温度数值 。 2. 2 含水率对冻结温度的影响
表 1 土样基本物理性质 Table 1 Ba sic physica l properties of so il
土质
液限 / % 塑限 / %
击实特性 hitting speciality
So il
liquid lim it p lastic lim it W opt / % ρdmax / ( g·cm - 3 )
按 GB / T 50123—1999《土工试验方法标准 》规定 , 制备满足要求的试验土样 。将配置好的土样按照设 定含水率及密度装入试样杯中 ,然后将热电偶两端分 别插入零温瓶和处于降温环境的土样中 ,待其降温并 通过热电偶采集温度数据 ,根据温度与时间的关系曲 线形状直接判定土体的冻结温度值 。
张 婷 ,杨 平 3
(南京林业大学土木工程学院 ,江苏 南京 210037)
摘要 :通过自制的冻结温度试验装置 ,以南京地区浅表土为研究对象 ,分析了淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、粉砂 3种 不同土质在不同含水率、盐分含量以及不同水质条件下的冻结温度规律。结果表明 :在试验的含水率范围内 ,土体冻 结温度随含水率增加呈近似线性升高 ,随盐分含量增加直线降低 ,而干密度的变化对土体冻结温度影响不大。 关键词 :冻结温度 ;土质 ;含水率 ;含盐量 ;干密度
人工冻结技术不仅给矿井建设提供了安全施工的手段 ,而且在城市地下铁道等地下工程中也得以广 泛应用 [ 1 - 3 ] 。土中水分子在土粒表面力场的作用下吸附在土颗粒表面 ,当土体温度低于自由水的冻结温 度 ,土中水开始冻结 。过去人们认为 0℃为土中孔隙水的冻结温度 ,以此来确定冻结壁的发展边界 [ 4 - 9 ] 。 土的冻结温度受到土颗粒的矿物化学成分 、分散度 、水溶液的成分和浓度等因素的影响 ,在人工冻结工程 中不能以 0℃作为判断土体冻结的标志 [10 ] 。根据温度场的分布规律计算冻结壁的厚度 ,确定开挖时间 , 因而冻结温度的研究对冻结壁设计具有重要意义 。笔者利用自行研制的冻结温度试验装置对南京地区常 见的浅表土层淤泥质黏土 、淤泥质粉质黏土 、粉砂进行冻结温度试验 ,研究含水率 、含盐量以及水质等因素 对土体冻结温度的影响 ,以期为人工冻结过程冻土变形数值模拟及冻胀预报提供参考依据 。
1 材料与方法
1. 1 土样 试验所用淤泥质黏土 、淤泥质粉质黏土 、粉砂 3种土样为南京地区典型的浅表土层 ,土样基本物理性
质见表 1。选择土质 、含水率 、含盐量 、水质等因素来研究土体冻结温度变化规律 。 1. 2 试验设备
试验在自行研制的冻结温度试验装置上完成 ,整套装置由土样降温系统 、测温系统 、数据采集系统组 成 ,满足 GB / T 50123—1999《土工试验方法标准 》[ 11 ] 。图 1为冻结温度试验装置 。
物成分后的水质 ,此时水中原有矿物浓度减小 ,水的冰点向正常零点靠近 ,因此相同含水率条件下使用去离
子水土样的冻结温度较使用自来水土样的冻结温度有所升高 (图 2a) 。砂土冻结温度试验中使用沸腾后快
速冷却水 (沸腾时溶质会减少 ) ,土体冻结温度较使用自来水配制试样的冻结温度有所上升 (图 2b) 。 针对淤泥质黏土进行了相同含水率 (ω = 28% )两种不同干密度 (1. 50、1. 55 g / cm3 )的冻结温度试验 ;
进行含水率单因素冻结温度试验时 , 3种土质均采用两种不同水质配制试样 。土中水分子受到固体 矿物颗粒表面能的作用 ,冻结顺序为自由水 、毛细管水 、薄膜水等 ,而含水率大小直接影响到土中自由水和 矿物浓度大小 :含水率大 ,自由水含量多 ,土中盐分被稀释 ,土体冻结温度偏高 ;含水率小 ,自由水含量少 , 土中盐分浓度相对增加 ,土体冻结温度偏低 。3种土质的冻结温度与含水率关系曲线见图 2。试验结果表 明 :在试验含水率范围内 (干密度相同条件下 ) ,土体冻结温度随含水率增大而呈近似线性升高趋势 。
图 3 含盐量对土体冻结温度的影响 F ig. 3 Effect of sa lt con ten t on freez ing tem pera ture
2. 4 水质及干密度对冻结温度的影响
试验使用自来水、去离子水、快速冷却水 3种不同水质配制土样 。用自来水配制的土体冻结温度偏低 ,
这是由于自来水中含有的矿物成分使土中水的冰点降低 。去离子水即自来水经过过滤器被去掉其中部分矿