岩土力学 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (7): 1883-1893.doi: 10.16285/j.rsm.2020.1754

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

比表面积对土冻结特征曲线影响的试验研究

孔令明,梁珂,彭丽云   

  1. 北京建筑大学 土木与交通工程学院,北京 100044
  • 收稿日期:2020-11-26 修回日期:2021-04-06 出版日期:2021-07-12 发布日期:2021-07-16
  • 通讯作者: 彭丽云,女,1979年生,博士,副教授,主要从事特殊土岩工程问题方面的研究工作。E-mail: pengliyun@bucea.edu.cn E-mail: konglingming@bucea.edu.cn
  • 作者简介:孔令明,男,1988年生,博士,讲师,主要从事冻土力学方面的研究。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No. 41902284);北京市自然科学基金(No. 8204057);北京市教委一般项目(No. KM201910016015);北京市自然基金-市教委联合重点项目(No. KZ201810016020)

Experimental study on the influence of specific surface area on the soil-freezing characteristic curve

KONG Ling-ming, LIANG Ke, PENG Li-yun   

  1. School of Civil and Transportation Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China
  • Received:2020-11-26 Revised:2021-04-06 Online:2021-07-12 Published:2021-07-16
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (41902284), the Beijing Municipal Natural Science Foundation (8204057), the General Science and Technology Project of BMEC (KM201910016015) and the Joint Key Project of BNSFC and BMEC (KZ201810016020).

摘要: 土冻结特征曲线受土颗粒比表面积的影响显著。目前关于冻结特征曲线与比表面积关系的研究一般以天然土为研究对象,无法完全排除干密度、总含水率等其他因素的干扰,所获得的试验结果较为离散。将青藏粉质黏土和膨润土以不同比例混合,人工配置具有不同比表面积的土样,对土样开展低温核磁共振测试和冻结温度试验,结果表明:与常见的3段式冻结特征曲线不同,混合土样的冻结特征曲线分为4段,即过冷段、快速下降段、缓慢下降段和稳定冻结段。随着比表面积增大,快速下降段中未冻水含量变化幅值减小,缓慢下降段中未冻水含量变化率增大,而稳定冻结段中最终未冻水含量增多;在冻结温度试验获得的温度?时间曲线中,恒温段持续时间随比表面积的增大而缩短,相应的冻结温度则降低;通过分析横向弛豫时间T2分布曲线随温度变化的规律,发现比表面积大的土样结合水相对含量高,而结合水受土颗粒束缚作用强、冻结温度低,从而导致比表面积大的土样难以冻结。这是比表面积对冻结特征曲线产生影响的根本原因。

关键词: 冻土, 未冻水含量, 比表面积, 冻结温度, 核磁共振

Abstract: The soil-freezing characteristic curve (SFCC) is significantly affected by the specific surface area of soil particles. The existing studies about the relationship between the SFCC and the specific surface area so far have mainly taken natural soils as research objects, which cannot avoid the interference of other factors such as dry density and total water content, and the test data obtained are discrete. In the present study, Qinghai-Tibet silty clay and bentonite are mixed in different proportions to prepare artificial soils with various specific surface areas. The temperature-controlled nuclear magnetic resonance (NMR) test and the freezing temperature test are conducted on these artificial mixtures. The test results indicate that: (1) In comparison with the classical three-stage SFCC, the SFCC of the mixtures consists of four stages, i.e., the super-cooling stage, the rapid-drop stage, the slow-drop stage, and the stable stage. As the specific surface area increases, the changing range of the unfrozen water content (wu) in the rapid-drop stage narrows, correspondingly the changing rate of wu in the slow-drop stage and wu in the stable stage both increase. (2) As for the temperature-time relationship curve obtained from the freezing temperature test, the duration of its isothermal stage decreases with the rise of specific surface area, while its corresponding freezing temperature decreases. (3) According to the evolution of transverse relaxation time distribution curve with temperature, it is found that the mixture with a larger specific surface area has a higher content of bound water. Bound water is strongly constrained around soil particles and exhibits lower freezing temperature, making the mixture with the larger specific surface area more difficult frozen, which is the rudimentary reason that the specific surface area influences the SFCC.

Key words: frozen soil, unfrozen water content, specific surface area, freezing temperature, NMR

中图分类号: 

  • TU 445
[1] 金爱兵, 巨有, 孙浩, 赵怡晴, 李海, 张舟, 陆通, . 相变储能充填体孔隙结构及强度劣化机制研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(10): 2623-2633.
[2] 李甜果, 孔令伟, 王俊涛, 王凤华, . 基于核磁共振的季冻区膨胀土三峰孔隙结构演化特征及其力学效应[J]. 岩土力学, 2021, 42(10): 2741-2754.
[3] 张 泽, 马 巍, ROMAN Lidia, MELNIKOV Andrey, 杨 希, 李宏璧. 基于冻融次数−物理时间比拟理论的冻土 长期强度预测方法[J]. 岩土力学, 2021, 42(1): 86-92.
[4] 杨高升, 白冰, 姚晓亮, 陈佩佩, . 非饱和冻土水汽迁移与相变过程的 光滑粒子法模拟[J]. 岩土力学, 2021, 42(1): 291-300.
[5] 张继文, 穆青翼, 廖红建, 刘芬良, . 考虑土体孔隙比和比表面积影响的未冻 结体积含水率曲线模型[J]. 岩土力学, 2020, 41(9): 2913-2921.
[6] 房营光, 陈建, 谷任国, 巴凌真, 舒浩恺, . 基于有效比表面积修正的Kozeny-Carman方程 在黏土渗透中的适用性研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(8): 2547-2554.
[7] 李昆鹏, 赵晓彦, 肖 典, 李 晋. 酸雨水化学损伤加剧粉砂质泥岩崩解机制研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(8): 2693-2702.
[8] 张明礼, 温智, 董建华, 王得楷, 岳国栋, 王斌, 高樯. 考虑降雨作用的多年冻土区不同地表土质 活动层水热过程差异分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(5): 1549-1559.
[9] 胡田飞, 王天亮, 常键, 刘建勇, 卢玉婷, . 基于有限体积法的冻土水热耦合程序开发及验证[J]. 岩土力学, 2020, 41(5): 1781-1789.
[10] 杨赫, 程卫民, 刘震, 王文玉, 赵大伟, 王文迪. 注水煤体有效渗流通道结构分形特征 核磁共振试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(4): 1279-1286.
[11] 孟祥传, 周家作, 韦昌富, 张坤, 沈正艳, 杨周洁, . 盐分对土的冻结温度及未冻水含量的影响研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(3): 952-960.
[12] 杨高升, 白冰, 姚晓亮, . 高含冰量冻土路基融化固结规律研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(3): 1010-1018.
[13] 彭家奕, 张家发, 沈振中, 叶加兵, . 颗粒形状对粗粒土孔隙特征和渗透性的影响[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 592-600.
[14] 马东东, 陈庆, 周辉, 滕起, 李科, 胡大伟, . 砂砾岩液态CO2破裂机制试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(12): 3996-4004.
[15] 周智超, 王淼, 孟上九, 孙义强, . 低温影响下FBG永久变形计算方法研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(12): 4005-4014.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 程 涛,晏克勤,王靖涛. 不同固结条件下黏土数值化建模的研究[J]. , 2009, 30(11): 3352 -3356 .
[2] 谭晓慧,王建国,冯敏杰,毕卫华. 土钉支护结构可靠度分析的电子表格法[J]. , 2009, 30(11): 3447 -3452 .
[3] 王宏祥,闫澍旺,冯守中. 强夯置换墩法处理公路软基的机制研究[J]. , 2009, 30(12): 3753 -3758 .
[4] 田湖南,孔令伟. 细粒对砂土持水能力影响的试验研究[J]. , 2010, 31(1): 56 -60 .
[5] 岑威钧,顾淦臣,闵家驹,隋世军. 黄土动力特性试验及深厚黄土地基上土石坝抗震分析研究[J]. , 2010, 31(1): 187 -192 .
[6] 赵春彦,周顺华,袁建议. 基于一维和三维固结挤土桩沉降时效计算分析[J]. , 2009, 30(9): 2629 -2632 .
[7] 李方华. 高液限土填料改良的最佳掺砂砾石比试验研究[J]. , 2010, 31(3): 785 -788 .
[8] 齐志刚,王翠英,王家阳. 预应力双排支护桩的计算理论研究及工程应用[J]. , 2010, 31(3): 911 -917 .
[9] 杨 涛,周德培,马惠民,张忠平. 滑坡稳定性分析的点安全系数法[J]. , 2010, 31(3): 971 -975 .
[10] 孙 锋,张顶立,姚海波. 土坝坝体底部劈裂灌浆加固效果研究[J]. , 2010, 31(4): 1187 -1192 .