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        基于凍融作用的土體含水率降低技術(shù)研究

        2015-05-30 10:48:04魏國帥
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年3期
        關(guān)鍵詞:脫水含水率土體

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

        關(guān)鍵詞:土體,含水率;凍結(jié)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(jīng)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(huán)境負擔(dān),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(xiàn)場試驗對高含水率土體進行脫水作用,結(jié)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(zhuǎn)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(jié)高含水率土體,產(chǎn)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(jié)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(qū)土體的凍結(jié)從而降低高含水率地基的含水率。在土體凍結(jié)過程中,細粒土易發(fā)生凍脹,水分從未凍層遷出,在凍結(jié)面附近形成冰透鏡體。隨著溫度降低,熱平衡被打破,凍結(jié)區(qū)域向深層延伸,導(dǎo)致凍結(jié)區(qū)域的冰透鏡成層分布。當(dāng)這些冰透鏡體完全形成,使得下面不凍區(qū)的水分降低,土體的含水率會也顯著降低。

        3 試驗方法

        當(dāng)土體凍結(jié)的區(qū)域越大,脫水效果越好,因此凍結(jié)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(jīng)過凍結(jié)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(yīng)與沙袋豎向方向?qū)ΨQ。

        在所有的試驗中,南北方向即為水平方向,通過溫度應(yīng)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(zhì),基于粒度的凍結(jié)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(zhì)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(dāng)沙袋內(nèi)土體的溫度測量結(jié)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(yīng)在凍結(jié)之前立即把土體灌入沙袋。

        5 結(jié)束語

        本研究通過對寒冷地區(qū)降低土體含水率的方法進行研究,得到如下結(jié)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(nèi)到外大規(guī)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(fā)。(2)本研究的結(jié)論表明在寒冷地區(qū)采用凍結(jié)干燥的方法降低土體含水率是可行的,該技術(shù)使土樣的改良操作簡單,且經(jīng)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.

        [2]王鐵行,王娟娟,張龍黨.凍結(jié)作用下非飽和黃土水分遷移試驗研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,44(1):7-13.

        [3]董曉宏,張愛軍,連江波,等.反復(fù)凍融下黃土抗剪強度劣化的試驗研究[J].冰川凍土,2010,32(4):767-772.

        [4]中華人民共和國水利部.GB/T 50123-1999.土工試驗方法標準[S].北京:中國計劃出版社出版,1999.

        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。

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