含鹽量對軟黏土凍結溫度的影響

王秦澤

(陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075)

0 前 言

而凍結溫度在土的凍結與融化過程中起到了至關重要的作用，土的凍結溫度是判斷土是否處于凍結狀態的直接物理指標[1]，土體溫度低于自由水的凍結溫度時，土中水開始凍結，由于易受到其他溶質的影響，起始凍結溫度往往低于純水的凍結溫度，同時含水量和含鹽量在土中分布的不均勻性，也會導致凍結溫度發生變化[2]。影響凍結溫度的宏觀參數是含水量[3]，但含鹽量在凍結過程中對凍結溫度的變化也起到了重要作用，鹽分會導致凍結溫度的降低，并在低溫下影響未凍水的含量[4]。Watanabe等[5]研究了多種凍結粉砂和黏土中未凍水含有的溶質(NaCl、KCl 和 MgCl2)對凍結溫度的影響后，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動力是溫度梯度、含水量和溶質濃度。

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

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%，塑性指數為20.2，液性指數為1.37，屬于中液限黏土。

1.2 試樣制備

根據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%?？刂仆翗痈擅芏扰c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節冷液溫度的方法測定不同含鹽量條件下的凍結溫度。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，即環境溫度，溫度傳感器通過數據采集儀連接到計算機，通過數據采集儀和采集軟件就可以在計算機上實時測定土樣和環境的溫度。

2 含鹽量對凍結溫度的試驗結果與分析

2.1 土體凍結曲線分析

土的凍結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(未凍區向凍結鋒面)遷移，形成水分遷移通道，凍結鋒面在溫度梯度的影響下不斷向前推進。因此，土的凍結一般會經歷過冷、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態過冷溫度Tsc，但試樣仍處于未凍結狀態，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，且在凍結過程中由于水的凍結而釋放大量潛熱，導致土的溫度快速上升；③穩定階段，該階段的凍結溫度基本穩定，試樣內的未凍水開始凍結，此階段土的溫度變化達到平衡狀態，土體內的凍結溫度恒定，為自由水的初始凍結溫度Tf；④遞降階段，第三階段土中未凍水完成凍結后，土體中的束縛水，如結合水、薄膜水也開始凍結，土的凍結溫度繼續下降。

圖1 土的凍結溫度-時間曲線[8]

2.2 含鹽量對凍結溫度的影響

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

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

對于含鹽量對凍結溫度的影響，本文在所測得的凍結溫度和含鹽量數據的基礎上，排除了凍結速率和干容重等因子的影響，得出了凍結溫度和含鹽量的具體關系，如式(1)所示。含鹽量的增大會降低凍結溫度，且在一定的范圍內(Xs≤2%)，含鹽量越大，凍結溫度越低，超過該范圍，凍結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，可由實驗數據分析得到。

3 結 論

通過對江蘇省軟黏土在不同含鹽量下的凍結溫度試驗分析，可得出以下結論。

1)含鹽軟黏土凍結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特征密切相關。

2)凍結溫度隨含鹽量的增加而降低，且一定范圍內，含鹽量越大，凍結溫度越低。

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

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

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