封闭系统中饱和黏土冻胀率的计算方法技术方案

本发明专利技术公开了一种封闭系统中饱和黏土冻胀率的计算方法，该方法是通过在现场黏土层中取土，通过室内土工试验测得天然状态下标准土样质量和余土质量，利用烘干法测量余土颗粒质量，采用比重瓶法测量相对密度，从而得到土样的含水量和土粒相对密度；利用抽真空法对土样进行饱和，测其饱和后质量，并计算饱和含水量；根据土样总体积、土粒密度和饱和含水量计算土颗粒体积和土中水体积，建立封闭系统中饱和黏土冻胀率关于饱和含水量和土粒相对密度的计算公式。有益效果是弥补了人工冻结领域封闭系统中黏土体积膨胀计算空白，建立了以饱和含水量和土粒相对密度为自变量的函数公式，可更有效的确定出封闭环境下饱和黏土的冻胀率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及人工冻±
，具体设及一种封闭系统中饱和黏±冻胀率的计算 方法。
技术介绍
在人工冻结法加固地层的过程中，随着热交换进行，地层溫度逐渐下降，当±体溫 度达到冰点时，伴随着±中因孔隙水和迁移水冻结的结晶体、透镜体、冰夹层等冰侵入体的 形成，±体体积增加，进而使±体产生冻胀现象。人工地层冻结法应用过程中的±体冻胀现 象一直W来都是实际工程中所关注的焦点。 特别对于采用冻结法施工的地铁隧道工程，由于地铁隧道多位于城市繁华地段， 地面建筑物和周边设施较多，同时地层埋设的管线各种各样、错综复杂。如果出现设计考虑 不周详或施工手段不当，导致地层冻胀量未得到有效地预估和监测，将对工程周边环境产 生直接的不良影响，造成巨大的经济和人员损失。运就要求在人工地层冻结法施工前，对于 ±体冻胀效应进行预测。因此，研发一种饱和黏±的冻胀率计算方法，对可能引起的地层冻 胀效应进行模拟预测，把冻结法应用的成本和风险降到最低，具有重大工程实用价值。 在工程认知实践中，人们发现±在开放系统中和封闭系统中饱和黏±的冻胀变形 是不一样的。开放系统下饱和黏±的冻胀除了水结冰后体积膨胀约9%，还有在冻结过程中 水分迁移使细黏粒±的含水量增加，迁移水的体积加剧了饱和黏±的冻胀。但是±在冻胀 过程中的水分迁移，目前还没有比较完整可靠的计算理论，对水分迁移规律的认识，还停留 于定性解释，在很多方面尚未进行定量的研究，理论计算还很不成熟，且基本局限于用差分 法对一维问题进行探讨。因此，对于开放系统中饱和黏±冻胀率的计算方法的研发尚不成 熟，需要大量的科研人员不断对±体冻胀规律深入研究。 封闭系统中饱和黏±的冻胀主要是由饱和±体中孔隙水原位冻胀引起的，而±中 毛细水由于没有外部补水，在冻结过程中水分迁移量极其微小，并不对饱和±体冻胀效果 产生影响。同时总结前人研究发现，虽然±中各组成物质由于溫度改变而有胀缩现象，但是 冻±中冰的体积膨胀系数约化20 X 1(TV1，水的体积膨胀系数约为200 X 1〇-心1，黏±粒的 体积膨胀系数约为20Χ10-6?Γ?，它们的胀缩效应非常小，可忽略不计，故仅需考虑±中水结 冰产生的体积膨胀变化。运些因素决定了封闭系统中饱和黏±冻胀率的计算方法应用简单 和准确性高。 因此，在总结现阶段众多学者对±的冻胀变化特性认知的基础上，研究封闭系统 中饱和黏±体冻胀率的一种计算方法，并应用该方法对可能引起的地层冻胀效应进行模拟 预测，把冻结法应用的成本和风险降低，具有重大理论意义和工程实用价值。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供封闭系统中饱和黏±冻胀率的计算 方法，W利于简便、快捷地计算±体冻胀率。 为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是提供封闭系统中饱和黏±冻胀率的 计算方法，该方法包括W下步骤： 1)在现场黏±层中取±，按照指定规格将取±加工为标准±样，并保留一定量加 工后的剩余±;首先测得天然状态下所述标准±样的质量m和剩余±的质量心，然后利用烘 干法测得剩余±的±颗粒质量ms/，并对烘干后的剩余±的±颗粒利用比重瓶法测定其± 粒相对密度ds，通过下述公式得出标准±样的自然含水量*和±粒质量ms: 2)利用抽真空法对标准±样进行浸水饱和，饱和时间为24h; 3)饱和完成后，取出标准±样称重，测得标准±样的饱和质量msat，并计算其饱和 含水里Wsat ：饼 4)将饱和的标准±样冻结前的体积Vo等效成饱和的标准±样中±颗粒的体积Vs和 水的体积Vw叠加，贝IJ(斗) 式中，化为±粒密度，数值上等于±粒相对密度山;Pw为纯水的密度，Pw=lg/cm3; 5)将饱和的标准±样冻结后的体积Vi等效成冻结完成后饱和的标准±样中±颗 粒的体积Vs和冰的体积Vi叠加，贝U巧 式中，化为冰的密度，化= 0.917g/cm3; 6)建立饱和的标准±样冻结前后体积变化率公式，并通过公式(4)(5)中饱和的标 准±样冻结前后体积等效变换，得到饱和标准±样的冻胀率α的计算公式： 通过上述步骤得到了封闭系统中饱和黏±冻胀率α关于饱和含水量*33*和±粒相 对密度cU的计算公式。 本专利技术的效果是弥补了人工冻结领域封闭系统中饱和黏±的体积膨胀计算的空 白，建立了 W饱和含水量和±粒相对密度为自变量的函数公式。将该方法应用于工程实践 中，可W更有效、更快速地对相对封闭环境中饱和黏±体引起的地层冻胀效应进行模拟预 测，把冻结法应用的成本和风险降到最低。因此，研发封闭系统中饱和黏±冻胀率的计算方 法具有重大理论意义和工程实用价值。【具体实施方式】 下面将结合实例对本专利技术的封闭系统中饱和黏±冻胀率的计算方法做详细说明。 本专利技术的封闭系统中饱和黏±的冻胀率的计算方法设计思想，主要是基于封闭系 统中饱和黏±的冻胀主要是由饱和±体中孔隙水原位冻胀引起的，而±中毛细水由于没有 外部补水，在冻结过程中水分迁移量极其微小，并不对饱和±体冻胀效果产生影响。同时总 结前人研究发现，虽然±中各组成物质由于溫度改变而有胀缩现象，但是冻±中冰的体积 膨胀系数约为120 X 1(TV1，水的体积膨胀系数约为200 X 1(TV1，黏±粒的体积膨胀系数约 为2〇xi(T6ri，它们的胀缩效应非常小，可忽略不计，故仅需考虑±中水结冰产生的体积膨 胀变化。运些因素决定了封闭系统中饱和黏±冻胀率的计算方法应用简单和准确性高。因 此，采用±样的饱和含水量巧33*和±粒相对密度ds，作为影响封闭系统中饱和黏±冻胀率α 的参数。[002引 本专利技术的封闭系统中饱和黏±冻胀率的计算方法，该方法包括W下步骤： 1)在现场黏±层中取±，按照指定规格将取±加工为标准±样，并保留一定量加 工后的剩余±;首先测得天然状态下所述标准±样的质量m和剩余±的质量心，然后利用烘 干法测得剩余±的±颗粒质量ms/，并对烘干后的剩余±的±颗粒利用比重瓶法测定其± 粒相当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种封闭系统中饱和黏土冻胀率的计算方法，该方法包括以下步骤：1)在现场黏土层中取土，按照指定规格将取土加工为标准土样，并保留一定量加工后的剩余土；首先测得天然状态下所述标准土样的质量m和剩余土的质量m′，然后利用烘干法测得剩余土的土颗粒质量ms′，并对烘干后的剩余土的土颗粒利用比重瓶法测定其土粒相对密度ds，通过下述公式得出标准土样的自然含水量w和土粒质量ms：w=m′-ms′ms′×100%---(1)]]>ms=m(1+w)---(2)]]>2)利用抽真空法对标准土样进行浸水饱和，饱和时间为24h；3)饱和完成后，取出标准土样称重，测得标准土样的饱和质量msat，并计算其饱和含水量wsat：wsat==msat-msms×100%---(3)]]>4)将饱和的标准土样冻结前的体积V0等效成饱和的标准土样中土颗粒的体积Vs和水的体积Vw叠加，则V0=Vs+Vw=msρs+msat-msρw=msds+msat-ms=msds+wsatms---(4)]]>式中，ρs为土粒密度，数值上等于土粒相对密度ds；ρw为纯水的密度，ρw＝1g/cm3；5)将饱和的标准土样冻结后的体积V1等效成冻结完成后饱和的标准土样中土颗粒的体积Vs和冰的体积Vi叠加，则V1=Vs+Vi=msρs+msat-msρi=msds+msat-ms0.917=msds+wsatms0.917---(5)]]>式中，ρi为冰的密度，ρi＝0.917g/cm3；6)建立饱和的标准土样冻结前后体积变化率公式，并通过公式(4)(5)中饱和的标准土样冻结前后体积等效变换，得到饱和标准土样的冻胀率α的计算公式：α=V1-V0V0×100%---(6)]]>α=0.09wsatds(1+wsatds)×100%---(7)]]>通过上述步骤得到了封闭系统中饱和黏土冻胀率α关于饱和含水量wsat和土粒相对密度ds的计算公式。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李顺群，王凯，柴寿喜，石茜，杜红普，贾红晶，王杏杏，张彦，
申请(专利权)人：天津城建大学，
类型：发明
国别省市：天津;12