南宁河流冲积相粘性土热力学性质研究

摘要

温度对粘性土力学特性的影响是当今岩土工程领域中一个重大课题，本文以广西南宁典型河流冲积相粘性土为研究对象，通过大量的室内试验，研究了粘性土的部分热力学性质及影响机理。本文主要做了以下几点工作：
　　 1．通过三轴剪切试验研究了不同初始含水量抗剪强度的温度效应，试样在剪切过程中都表现出应变硬化和剪缩特点，低含水量试样粘聚力随着温度养护时间的增加不断降低，在60℃时粘聚力在养护120h后达到稳定；摩擦角随养护时间的增加不断增大，并且在养护120h后也可达到基本稳定；高含水量试样粘聚力随养护时间的增加出现增大，并且在温度养护120h后可达到稳定，同等养护时间温度越高增长越明显；内摩擦角随养护时间的增加出现一定波动，变化规律不是太明显，但总体有下降趋势。粘性土在常温养护下矿物成分改变量是微小的，即通过矿物晶格的结构变化影响土的性质贡献率很小，可忽略。
　　 2．围绕土水特征曲线的初始含水量、初始干密度、加压前是否进行温度养护这三个影响因素进行压力板试验。试验结果表明：随着含水量的减小，基质吸力急剧增大，并且在含水量ω＜28％时，变化的特别显著，当含水量ω＞28％时，基质吸力随含水量变化幅度很小，土的非饱和土性质发生弱化；随着基质吸力的增大，含水量也逐渐趋于稳定值；初始含水量越大，进气值越大；不同曲线斜率差别不大，即储水系数变化不大；随着含水量的增大，不同初始含水量对土水特征曲线的影响也会减弱。干密度越大，进气值也越高，曲线的斜率也越小，排水更加困难；基质吸力在含水量较高时对干密度的变化不敏感，而在含水量较低时对干密度的变化较敏感，这些结论和其他学者所得到的干密度对土水特征曲线影响不重要的结论并不一致。加压前不同温度养护对土水特征曲线的影响总体较小，但仍存在一些不可忽略的变化，可认为加压前的60℃养护对土中有机质或者矿物质以及土体结构的影响较小。最后结合温度对基质吸力、渗透吸力、粘滞效应、土－水界面的影响从理论上对抗剪强度的温度效应机理进行微观解释。
　　 3．通过高端热特性分析仪KD2，进行一系列的试验对比不同含水量、不同干密度、不同温度、不同温度养护时间及冷却后试样的热物理指标，分析粘性土热物理指标的影响因素和变化规律，并对各种因素的影响机理做出合理解释。试验结果表明：粘性土的热导率、比热随含水量的增加而升高，热扩散率随含水量的增长变化曲线存在峰值，热阻率的变化在含水量较小范围内比在含水量较大范围内变化要更为显著；粘性土的热导率、热扩散率随干密度的增加而升高，在干密度较小含水量较高时比热随干密度的增大没有明显变化；粘性土的热导率随温度升高而明显升高，试样含水量越低，增长幅度越明显。随着温度升高，不同初始含水量的热导率差别越来越小，在接近80℃时最终趋于一稳定值(约为1.44W/m·K)，其增长曲线符合指数增长规律，相关性较显著，可认为此时含水量对热导率的影响较小。不同初始含水量在大约5。C～22。C范围内热导率随温度没有明显变化，此时可不考虑热导率的温度效应，但在高温情况下，土壤热导率会发生很大变化，此时应考虑温度对水汽潜热传热的影响，否则会带来较大误差。而粘性土的比热随温度的变化规律较复杂；粘性土的热物理指标在温度养护48h后随养护时间的变化不大，并且不论试样在40℃或者60℃养护不同时间再冷却到室温后，其热物理指标又再度回到室温态的数值，此时可认为60℃时养护48h后水汽潜热传输对热导率的影响已达极值。比热在20℃和40℃差别很小，而当温度为60℃时要明显增高。
　　 4．通过液、塑限联合测定法初探粘性土界限含水量的温度效应，结果表明当温度升至80℃，液限、塑限、塑性指数均出现一定幅度减小，并从双层水膜的厚度随温度的改变进行初步解释，各种因素的综合作用机理还有待于进一步的研究。