含盐量对软黏土冻结温度的影响

王秦泽

(陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075)

0 前 言

而冻结温度在土的冻结与融化过程中起到了至关重要的作用，土的冻结温度是判断土是否处于冻结状态的直接物理指标[1]，土体温度低于自由水的冻结温度时，土中水开始冻结，由于易受到其他溶质的影响，起始冻结温度往往低于纯水的冻结温度，同时含水量和含盐量在土中分布的不均匀性，也会导致冻结温度发生变化[2]。影响冻结温度的宏观参数是含水量[3]，但含盐量在冻结过程中对冻结温度的变化也起到了重要作用，盐分会导致冻结温度的降低，并在低温下影响未冻水的含量[4]。Watanabe等[5]研究了多种冻结粉砂和黏土中未冻水含有的溶质(NaCl、KCl 和 MgCl2)对冻结温度的影响后，认为未冻水的含量随着盐分含量的增大而增大；Nassar等[6]建立了描述水分和盐分迁移的方程，并提出了盐分迁移的主要驱动力是温度梯度、含水量和溶质浓度。

本文以江苏软黏土为研究对象，分析冻结过程中含盐量对冻结温度的影响，建立相应的数值关系式，为实际工程特别是人工冻结技术的发展与应用提供一个理论依据。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验取用江苏省苏州市在建工地的软黏土，取土深度4.0～5.0 m。软黏土天然含水率w=49.3%，最大干密度ρdmax=1.75 g/cm3，液限为41.8%，塑限为21.6%，塑性指数为20.2，液性指数为1.37，属于中液限黏土。

1.2 试样制备

根据目标含盐量要求将所要添加的盐分溶解在去离子水中，待充分溶解后倒入土样中，制备软黏土试样。按照试样的密度要求将土样分层压实于试验容器中，静置24 h。试样高度为5 cm，直径为3 cm。本次试验含盐量控制为0、0.2%、0.5%、1.0%、2.0%和5.0%。控制土样干密度与天然干密度一致，以消除不同试样间干密度不同带来的差异。试样制备完成后放置于保湿缸内静置24 h，以保证水分和盐分在试样空间中均匀分布。

1.3 试验方法

本试验采用周家作等[7]提出的低温恒温槽调节冷液温度的方法测定不同含盐量条件下的冻结温度。将温度传感器插入直径为3 cm、高度为5 cm的试样中，用保鲜膜将土样密封后置于低温恒温槽的冷液中，同时用另一个温度传感器测量低温恒温槽中冷液的温度，即环境温度，温度传感器通过数据采集仪连接到计算机，通过数据采集仪和采集软件就可以在计算机上实时测定土样和环境的温度。

2 含盐量对冻结温度的试验结果与分析

2.1 土体冻结曲线分析

土的冻结是由于土中温度分布的不均匀性，在土体空间形成了温度梯度，水分在温度梯度的影响下，从暖端向冷段(未冻区向冻结锋面)迁移，形成水分迁移通道，冻结锋面在温度梯度的影响下不断向前推进。因此，土的冻结一般会经历过冷、跳跃、恒定和递降四个阶段[8]，如图1所示：①过冷阶段，该阶段在外界温度影响下，试样温度快速降至亚稳态过冷温度Tsc，但试样仍处于未冻结状态，土中无冰晶体生成；②跳跃阶段，该阶段在外界温度的影响下，土开始冻结，且在冻结过程中由于水的冻结而释放大量潜热，导致土的温度快速上升；③稳定阶段，该阶段的冻结温度基本稳定，试样内的未冻水开始冻结，此阶段土的温度变化达到平衡状态，土体内的冻结温度恒定，为自由水的初始冻结温度Tf；④递降阶段，第三阶段土中未冻水完成冻结后，土体中的束缚水，如结合水、薄膜水也开始冻结，土的冻结温度继续下降。

图1 土的冻结温度-时间曲线[8]

2.2 含盐量对冻结温度的影响

图2给出了江苏软黏土在含水量一定的情况下，冻结温度随含盐量的变化趋势。具体表现为：冻结温度随含盐量的增加而近似线性降低，且含盐量越大，冻结温度越低。

含水量一定时，冻结温度随含盐量的增大而降低。含盐量Xs<2.0%时，冻结温度曲线变化较陡，冻结温度的降低较为明显，降幅约为70%；含盐量2.0%

对于含盐量对冻结温度的影响，本文在所测得的冻结温度和含盐量数据的基础上，排除了冻结速率和干容重等因子的影响，得出了冻结温度和含盐量的具体关系，如式(1)所示。含盐量的增大会降低冻结温度，且在一定的范围内(Xs≤2%)，含盐量越大，冻结温度越低，超过该范围，冻结温度随含盐量增大而趋于平缓。

Tf=AXs+B

(1)

式中，Xs为土的含盐量；A和B为拟合参数，可由实验数据分析得到。

3 结 论

通过对江苏省软黏土在不同含盐量下的冻结温度试验分析，可得出以下结论。

1)含盐软黏土冻结过程中的温度变化曲线与一般土保持一致，均包括4个阶段，即过冷段、跳跃段、稳定段和递降段，每个阶段的温度变化特征均与土中未冻水的冻结特征密切相关。

2)冻结温度随含盐量的增加而降低，且一定范围内，含盐量越大，冻结温度越低。

3)通过数学关系式表达出冻结温度与含盐量的关系变化，其他条件一定时，冻结温度与含盐量呈近似线性降低趋势。

4)用数学关系将含盐量与冻结温度关系线性表示，可更加直接地反映出冻结温度与含盐量的关系变化。

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