基于冻融作用的土体含水率降低技术研究

摘 要：外部环境温度降低，土体表面开始冻结，形成冰透镜体，使未冻结土体中的水分向上迁移到达冻结峰面，从而降低高含水量土体中的含水率。本研究采用大型沙袋代替现场土体罐，进行冻结干燥试验的研究，试验结果表明：采用冻结干燥的方法，可以降低土样中的含水量；在寒冷地区采用冻结干燥的方法降低土体含水率是可行的，该技术使土样的改良操作简单，且经济有效。

关键词：土体，含水率；冻结干燥；冰透镜；脱水

1 概述

由于河流、湖泊和沼泽等土的含水率高，强度低，未经处理的土无法用作土木工程材料。这些废土的丢弃势必会占用水率土地面积，增加环境负担，同时造成资源浪费。因此，亟需研究对这种高含水率土的有效利用。

文章利用寒冷气候的作用来降低高含水率土体的含水率。sato等利用寒冷气候的作用以及专门制作的土体罐通过现场试验对高含水率土体进行脱水作用，结果表明，该方法对降低土体含水率有良好的效果（sato等2009、2010、2011）。然而，该方法在实际使用中成本较高，其主要原因是这种特殊土体罐的造价高且土体改良前后土体罐的转运困难。因此，文章基于寒冷气候的脱水的方法，采用大型沙袋代替特制的土体罐，通过冻结高含水率土体，产生冰透镜来降低含水率。相比于之前的方法，该方法会大大降低土体改良费用。

2 冻结干燥的原理

冷冻干燥原理如图1所示，该原理适用于寒冷地区土体的冻结从而降低高含水率地基的含水率。在土体冻结过程中，细粒土易发生冻胀，水分从未冻层迁出，在冻结面附近形成冰透镜体。随着温度降低，热平衡被打破，冻结区域向深层延伸，导致冻结区域的冰透镜成层分布。当这些冰透镜体完全形成，使得下面不冻区的水分降低，土体的含水率会也显著降低。

3 试验方法

当土体冻结的区域越大，脱水效果越好，因此冻结干燥使用球形沙袋。本试验采用宽120cm、高70cm，体积为1m3的聚酯袋装满高含水率土，将其置于寒冷气候条件下，经过冻结一段时间后测试其性能。

试验用土为湖中选取的高含水率土体，选取两组（即A、B）进行土体改良试验。

A样本的温度与含水率测试都沿竖直方向测试，同时测量沙袋顶部与底部的水平方向上温度和含水率的变化；对于B样本，温度与含水率测试沿水平方向测试，测试位置应与沙袋竖向方向对称。

在所有的试验中，南北方向即为水平方向，通过温度应变计自动记录每小时试验土体温度和气温变化情况，其中温度计布置于南北方向的主要原因是研究太阳辐射（南）与太阳未辐射（北）对土体温度和含水率的影响。每隔一个月打开沙袋，并取沿沙袋南北方向中心位置的土体样本，采用烘箱干燥法测样本含水率。

表1所示为试验用土的基本物理性质，基于粒度的冻结敏感性评估方法，A是高含水率细粒土，对冻胀敏感性强，而B粉质土，对冻胀敏感性较弱，无法确定其稠度界限。这些试验用土都是软而不可压实的材料。当沙袋内土体的温度测量结束后，从中收集样本，测量含水率。

试验前先对土样进行充分搅拌，然后将其灌入八个沙袋，其中一个用于温度测量，其余七个用于含水率测试。表2所示为试验条件和测量位置，在A、B测试时，应在冻结之前立即把土体灌入沙袋。

5 结束语

本研究通过对寒冷地区降低土体含水率的方法进行研究，得到如下结论：（1）利用寒冷气候条件和大型沙袋使高可以降低含水率土样的含水率，因为袋子增加了土样与外部空气接触的面积，从而促进沙袋中土样的水分从内到外大规模迁移并在整个外表面升华。此外，土样解冻后，沙袋也促进了表面水分的蒸发。（2）本研究的结论表明在寒冷地区采用冻结干燥的方法降低土体含水率是可行的，该技术使土样的改良操作简单，且经济有效。

参考文献

[1]Sato A.Nishimoto S. Suzuki T. Nakamura D. A technique to reduce moisture content using freeze-thaw action in cold climatic conditions [J].Cold Regions Engineering， 2012.

[2]王铁行，王娟娟，张龙党.冻结作用下非饱和黄土水分迁移试验研究[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2012，44（1）：7-13.

[3]董晓宏，张爱军，连江波，等.反复冻融下黄土抗剪强度劣化的试验研究[J].冰川冻土，2010，32（4）：767-772.

[4]中华人民共和国水利部.GB/T 50123-1999.土工试验方法标准[S].北京：中国计划出版社出版，1999.

作者简介：魏国帅（1989-），男，汉族，河南省安阳市人，主要研究方向为岩土工程。