文摘
虽则孔隙水压力响应对多年冻土的工程地质性能有至关重要的影响。然而,有一个缺乏文学的测量孔隙水压力在冻土由于挑战关于技术和操作方法。验证一代的孔隙水压力和揭示其在冻土变化属性在低于冰点的温度接近于0°C,一个微型压力传感器是用来进行一些限制压缩测试。双壁结构冻结土壤采样期间避免损坏传感器。传感器样品底部压力波动视为不同的空气压力对样品表面,证明之间的连接孔与滞后影响冻土压力传播。孔隙水压力增长经历了一个渐进后跟消散慢不变的载荷和温度条件下排水许可时,观察压力增加而单调的排水系统的样本。与降低温度、峰值较小和更缓慢的耗散是显示。当样品被暴露在逐步变暖过程中,又发生了类似的性能压力与温度突然上升的转折点。
1。介绍
总应力行为一直是应用于冻土的力学分析和工程设计被认为是一个完全固体材料(1- - - - - -3])。保存一个可观数量的水解冻,然而,使冻土多孔介质,特别是在低于冰点的温度接近0°C (4,5]。饱和冻土压缩时,孔隙水压力(PWP)增加土壤解冻,表示总压力并不代表实际的压力由固相。因此,利用有效应力理论分析饱和冻土的力学性能比使用更准确的总应力理论。实验说明,土壤的冻结状态仍有相当大的不冻的水渗透迁移下孔隙压力梯度(6- - - - - -8]。这导致有效应力随时间的增加,改变了冻土的变形和强度行为。评估有效应力行为,测量的PWP饱和冻土是必需的。然而,冰水相变发生在土壤工务计划在低于冰点的温度使测量更复杂的比土壤解冻。巨大的努力已经由工务计划研究如何测量土壤冻结或解冻的变化,加深理解的水热迁移的机理和冻融过程中力学行为(9- - - - - -16]。同时,一直注意增加越来越多的科学家在冻土工务计划的测量方法具有重要意义的应用负荷下变形与强度特征(1,17- - - - - -21]。
2。孔隙水压力测量的方法
科学家和工程师都集中在测量工务计划冻结,解冻,或部分冻土几十年了。各种实验室调查使用几种测量方法执行。这些方法通常可以被分为四个种类:张力计,多孔圆盘或环传输设备,filter-less刚性压强计、微型压力传感器,如图1和表1。(a)张力计是一种装置,由一个多孔杯、挠性管和压力传感器(图1(一))。一般是用来测量孔隙压力下降冻结土壤由多孔杯插入(9,10,12,13,16]。(b)多孔盘是一种传统的结构组装在一个三轴仪或固结仪(图1 (b)),转移液体压力通过一个通道压力传感器(14,17,22- - - - - -24]。Eigenbrod et al。25]修改这种结构横向多孔环通过软管连接传感器,可以测量各级压力。(c)一个filter-less刚性压强计设计的克钦独立军(18)由一个小直径管和光纤压力传感器(图1 (c))。管提示没有过滤直接插入冻土获得更快的响应和更准确的工务计划的变化。(d)微型压力传感器有一个非常小的尺寸,组装传感膜和多孔过滤器内刚性住房(图1 (d))。它可以直接安装在土壤保持传感膜片和土壤之间的空间尽可能小(20.,21,26,27]。
(一)
(b)
(c)
(d)
作者试图上面提到的所有方法来访问多余PWP冻土的变化引起的外部负载在低于冰点的温度接近0°C。前三个设备,然而,未能收到的压力可能有多个原因。当有很长一段压力传输管或通道,很难完全排除气泡从液体介质内管或通道,这可能会导致失败或不准确传输的压力。此外,测量系统的密封是另一个重要的问题需要注意。冷冻样本放在多孔盘的时候,他们之间的空隙是压缩加载后,导致过量液体压力传输的传感器并不代表真正的工务计划内的冷冻样本。压力传输通道堵塞的问题时面临filter-less压强计插入冻土工务计划测量。微型压力传感器是证明测量冻土的多余的工务计划有效地揭示他们的行为变化20.,21]。采样期间的准备,然而,换能器结构插入示例非常容易受到巨大的冻胀压力快速冷冻样品时不允许的条件下的体积变形,导致传感膜的损伤28]。为了解决这个问题,我们提出了一种改进的微型压力传感器的结构,阐述了在压缩测试的详细过程观察冻土的工务计划的变化。
3所示。试验装置和程序
3.1。改进的微型压力传感器
提高了压力传感器在我们的研究提出一般的微型传感器,组成的不锈钢圆柱住房、多孔过滤和传感膜片。双壁结构一层薄的缺口为住宅设计,如图2。饱和土壤冻结准备测试样品时,传感器的外墙抗冻胀压力发生在样本。墙上承认差距的小变形的外墙和避免了变形可能摧毁传感膜片的内壁。
传感器有一个大小为10毫米直径20毫米的高度。多孔过滤器是固定的住房和工作,以防止土壤颗粒阻塞PWP传播的渠道。在安装之前在测试细胞,多孔过滤器以及背后的空间内的传感器充满硅油和脱气真空干燥器。液体在冻土水压力通过硅油转移到传感膜片。信号线是由一个灵活的透明管,以防止水进入传感器的内部。传感器可以测量范围内的-100 + 500 kPa的精度±0.1%的阅读和温度漂移的±0.02%的阅读每°C。
3.2。试验装置
检查提高传感器的性能,进行了一系列限制压缩测试使用一个特殊设计的细胞从一个普通的固结仪(图修改3)。细胞由100毫米厚度,62毫米内径,有机玻璃筒和一个不锈钢基地。这两个部分是螺纹一起一个o形环保证它们之间的密封。空心螺栓用于附加传感器紧紧固定在底座上,保持10毫米高于水面。的垂直运动传感器被允许样本压缩时,防止从集中应力传感器。土壤表面被允许排泄水使用多孔石和滤纸测试期间。
加载框架和一个空气压缩机气缸由供应所需的负载测试,如图4。的恒温箱修改冻土工程国家重点实验室,中国,用于控制测试温度的精度约±0.05°C,实时接收由四个热敏电阻在压缩单元。样品温度由环境温度控制在恒温箱中。房间里的设备被放置到一个恒定的温度控制,15°C,降低环境温度的影响对土壤标本。
样本位移记录使用tr - 100提供的线性可变差动变压器(线性)Novotechnik Siedle集团,德国。50 mm的有一个线性范围和一个非线性的±0.15%的阅读。数据包括温度、工务计划和土壤位移记录不断使用DT500数据采集系统由热费希尔科学有限公司,澳大利亚。
3.3。土壤样品制备
青藏粉质粘土从Beilu流域在青藏高原进行了测试研究。物理参数和土壤的颗粒级配曲线如表所示2和图5,分别。湿土壤是由混合干燥土壤和水在给定的质量比1:2毫米直径0.16,筛分网格使样本更均匀(图6(一))。然后,潮湿的土壤是放在一个塑料包24小时完全浸泡土壤颗粒。内部墙壁上的凡士林®是细胞的样品压实之前最小化soil-cell摩擦(图6 (b))。设计的潮湿的土壤都是在细胞中预先安装的微型压力传感器(图6 (c)),压缩所需的高度根据所需的干密度(图6 (d))。样品是饱和水在真空容器不允许变形(图6 (e))。所有标本都准备30毫米62毫米直径的大小和高度。最后,细胞迅速冻结在-30°C冰箱至少12小时,以确保样品完全冻结,没有冻胀。
(一)
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(d)
(e)
3.4。测试程序
在冻结过程中冷冻的样品,样品内的液态水无法立即冻结,将向外迁移到样品表面冻结初期阶段。迁移后的水积累在样品表面,形成一层冰阻塞解冻水的排水系统在测试阶段。提供了条件,2.0毫升盐水的浓度6%是喷在测试前的冷冻样品表面细胞放置在恒温箱。相反,一个橡胶膜放在示例创建一个严格不排水条件。恒温箱的样品一直调整到所需的温度超过12个小时之前开始测试,证明样品已达到热稳定状态。然后对样本恒定负载。图5显示了在恒温箱温度变化。它不同的ca。±0.03°C左右所需的值(图7),提出一个令人满意的温度条件。5个测试在不同条件下进行,列在表中3宣布在冻土改善传感器的适用性。
4所示。结果和讨论
4.1。在冻土水相的连续性
不冻的水存在于粒子表面和冰粒子界面,即使在非常低的温度(28]。孔隙水相的连续性是一个保证液态水可以传递静水压力的饱和冻土(18]。冻土中的水相是归类为土壤颗粒周围的结合水由于自由水冻结的冰,在零度以下的温度。一些研究人员提出,束缚水不能传输解冻土壤的水压力,因为土壤颗粒电子的吸引力。米切尔和苏29日)认为,束缚水的粘度和扩散行为基本上是自由水一样。此外,李30.]的结论是通过对饱和粘土三轴测试,结合水的能力传递静水压力,但它可能减弱初始压力水平当土壤受到了一个很大的围压。我们检查的连续性饱和冻土运用气压在样品表面和监控工务计划相应的响应。当传感器检测到水压力引起的空气压力,解冻的水被认为是连续的。图8为土壤提供连续性的例子验证在5°C和-1.0°C。测量的压力提供了一个协议,气压与一个非常小的偏差申请解冻的样本。冷冻样本为-1.0°C,测量压力的变化大致符合的空气压力,但显示了显著推迟的趋势。试验结果证明了束缚水饱和冻土的连续性,但展出了一个滞后字符传输液体的压力可能由于最小厚度和粘度的液体水膜。我们应该指出,空气压力的应用可能会导致土体的压缩引起孔隙压力的增加,带来了疑问,连续性测试的结果。然而,孔隙的连通性在冻土在很大程度上仍然可以验证与后续的测试结果进行比较。当然,仍然需要一个更可靠的方法来执行在未来更好地理解传输的压力或束缚水的连续性。
4.2。工务计划变化在恒定的温度
图9情节PWP反应和压力排水和不排水样品-0.3°C。很明显的反应压力两个排水条件下观察。工务计划排样,经历了一个逐步增加到峰值,70 kPa,紧随其后的是一个缓慢的释放压力。相比之下,单调增加压力排水系统的观察样本,接近100 kPa的最后测试。记录轴向应变实质上是一个体积应变引起的侧向约束的细胞,它经历了一个逐步增加的近线性趋势。趋势没有平稳在测试结束,表明变形没有达到残余状态和结构的变化仍在继续。即使在冻结状态,排水条件仍然强加一个伟大的影响数量的体积应变,展现一个更大的应变为排水样本。作者认为,上覆岩层压力主要是由土壤颗粒和冰在初始时间和部分转移到液体水孔隙紧凑排列造成持续的体积压缩。样品被消耗时,土壤孔隙水将被驱逐出大幅开放系统导致的PWP释放同时进行压力上升,伴随着同等数量的体积收缩驱逐了水量。土壤系统关闭后,土壤的水不能流出,显示一个单调上升的工务计划由土壤蠕变引起的。
孔隙水压力的变化在不同的温度下表现出类似的趋势和一些不同的峰值和耗散过程,如图10增加和下降阶段表现出的曲线工务计划测试KY-03 -0.3°C和KY-05 -0.5°C。KY-03在更高的温度下,所包含的样本数量较大的水解冻(7]了更大的压力从固体转移矩阵。然后,工务计划更大的值的峰值点曲线。此外,KY-03渗透系数更大,以应对更高的土壤温度(21),导致更快的耗散。对应于上述过程,KY-03似乎开发一个体积应变率比KY-05变形。
4.3。工务计划变化与气候变暖的温度
图11工务计划情节的变化与步骤增加温度恒定负载下。工务计划曲线表明,没有反应在加载初始时间,可能造成很低温度-1.5°C。之后的温度加热到-1.0°C,第一峰值压力迅速增加,17个kPa,紧随其后的是一个下降的趋势。当温度进一步增加到-0.5°C,另一个压力小幅度的上升阶段再次发生。工务计划之后,提出了一个连续下降趋势,即使温度相对高的水平,又增加了-0.25°C。有一个走增量位移逐步变暖的温度。样品的急剧压缩似乎不给工务计划突然崛起的出生,可能是因为样品包含一些气泡,影响压实对液体孔隙水。
5。结论
基于这项研究,可以得出一些有用的结论如下:
工务计划中可用的微型压力传感器是测量冻土。双壁结构冻结土壤采样期间避免损坏传感器。可能是实验证实,有一个连接在冻土在毛孔,但压力滞后特性的传播。
工务计划在恒定负载下,经历了一个逐步增加,后跟一个缓慢解冻时耗散水获准出院,而单调增加观察的样本不排水。体积应变的差异可能意味着固结变形引起的孔隙水驱逐。
冷冻样品在较低的温度下表现出明显不同的工务计划性能峰值较小和较慢的耗散。工务计划逐步增加,温度时显示一个类似的性能在一个恒定的温度,但是突然崛起后,温度上升。
数据可用性
通过我们的实验获得的数据。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
胡锦涛张提供测试数据。杨Suiqiao写手稿的主要内容。Huijun金提出论文的结构设计和编辑语言。Mengxin刘给一些讨论想法和文本的语法检查。
确认
这项研究是由中国国家自然科学基金(No.41971085),美国国家科学基金会为黑龙江省优秀青年学者,中国(没有。YQ2022D001)和博士项目的创新基金会东北林业大学林业工程(没有。LYGC202221)。