一种可区分盐渍土冻胀量与盐胀量的联合测定方法与流程

1.本发明涉及盐渍土盐胀量、冻胀量测量技术领域，尤其涉及一种可区分盐渍土冻胀量及盐胀量的联合测定方法。


背景技术：

2.盐渍土广泛分布于我国西部内陆以及东部黄海、渤海一带，由于盐渍土中含有一定数量的易溶盐，在一定条件下容易产生盐胀、翻浆、腐蚀等各种工程病害。以硫酸盐渍土为例，在温度降低或者失水的情况下，硫酸钠会从其液相中析出，生成芒硝晶体，体积增大为无水硫酸钠的3.1倍，进而引起土体的鼓胀、起包，导致土体结构疏松、强度下降等盐胀现象。当土体温度降低到一定程度，冰晶体会析出，导致液相总体积扩大9％，称为冻胀现象。电解质的溶解度随着温度降低而减小，同时冻胀引起的液态水分损失会增大土-水系统孔隙溶液的电解质浓度，进一步促进了盐胀发生。盐渍土的冻胀和盐胀对温度变化表现得较为敏感，其造成的冻胀盐胀、融沉等不均匀变形严重影响着工程构筑物的正常修筑、运营及维养护。
3.要解决盐渍土的盐胀及冻胀危害，首先应从盐胀与冻胀的机理出发，区分温度作用下盐渍土盐胀量与冻胀量的大小，根据两者的权重确立主要治理目标，从而采取高效防治措施。目前，对于盐渍土总胀量的观测手段主要来自于硫酸盐渍土盐胀性室内试验，然而这种试验方法过于依靠人为观察滴定管液面高程的变化，总胀量的测定容易受到读数误差的影响，且无法获得连续的读数，因此存在较多弊端。再者，对于观测到的总胀量，尚缺乏具体方法对盐胀与冻胀作以区分，无法进一步指导盐胀与冻胀的灾害防治。
4.因此，如何进一步完善盐渍土盐胀、冻胀相关试验仪器的功能，提高总胀量的测量精度，并从盐胀及冻胀的机理出发，获取分离盐胀量与冻胀量的具体方法，最终为盐渍土的灾害治理提供技术支撑，成为重要的研究方向之一。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明公开了一种可区分盐渍土冻胀量及盐胀量的联合测定方法，对净胀量和温度分别关于时间t的变化曲线进行对比研究，以冻结过程中试样温度的过冷点作为冻胀与盐胀的主要边界，给出了冻胀量与盐胀量的具体计算方法，原理明晰，且计算简便。
6.本发明的一种区分盐渍土冻胀量及盐胀量的试验方法，其包括以下步骤：
7.a、环刀样制作。配制指定含水量、含盐量、干密度条件下的测试试样。取两个直径50mm、高50mm的环刀，分别在其内壁涂上薄薄一层凡士林，刃口向下，均放在试样上，先后将环刀垂直向下压，边压边削，至土样伸出环刀为止，随后削去周围余土并修平，得到两个环刀样i和ii。
8.b、环刀样密封。取环刀样i，用具有良好弹性的透明橡皮膜密封，保证橡皮膜紧贴于环刀样的上下表面，且无鼓起现象，随后使用宽扎带沿环刀侧壁分别将毗邻端部的两侧
橡皮膜束紧。
9.c、滴定装置a的安装。用量筒量取体积为v1的氯化钙溶液，全部注入广口瓶a内，记录此时的液面高度(h1)；再将密封后的环刀样i置入广口瓶a内(确保环刀样i完全浸没于广口瓶a内的氯化钙溶液中)，记录上升后的液面高度(h2)，则密封后的环刀样i体积为πd2(h
2-h1)/4，d为广口瓶的直径。再用嵌有双敞口滴定管的泡沫瓶塞将瓶口封堵，瓶口的接缝处用密封胶带缠绕密封，确保溶液不会从接缝处渗漏。再用量筒量取体积为v2的氯化钙溶液，并使用胶头滴管将吸取的氯化钙溶液从滴定管顶部开口处向广口瓶a内继续滴注，直到液面上升至与泡沫瓶塞上表面等高，从而得到滴定装置a。记量筒内剩余氯化钙溶液体积为v2′
，则总滴加量为(v
2-v2′
)，此时滴定装置a内氯化钙溶液总体积为(v1 v
2-v2′
)。
10.d、滴定装置b的安装。用量筒量取体积为v1的氯化钙溶液后，全部注入广口瓶b内，再用嵌有双敞口滴定管的泡沫瓶塞将瓶口封堵，瓶口的接缝处用密封胶带缠绕密封，确保溶液不会从接缝处渗漏。再用量筒量取体积为v3的氯化钙溶液，并使用胶头滴管将吸取的氯化钙溶液从滴定管顶部开口处向广口瓶b内继续滴注，直到液面上升至与泡沫瓶塞上表面等高，从而得到滴定装置b。记量筒内剩余氯化钙溶液体积为v3′
，则总滴加量为(v
3-v3′
)，此时滴定装置b内氯化钙溶液总体积为(v1 v
3-v3′
)。(滴定装置a、b的区别仅在于滴定装置a内置有封装完备的环刀样i，而滴定装置b仅作为排除氯化钙溶液盐胀、冻胀影响的对照试验，不放置封装试样。)
11.e、温度探头布设。取环刀样ii，将特制的温度探头埋置于该环刀样中心部位，并将探头的线路穿过长塑料套管，然后将环刀样以及塑料套管整体用橡皮薄膜密封包裹，随后将其置于呈有氯化钙溶液的广口瓶内，此时氯化钙溶液只要能够完全浸没包裹后的环刀样即可，再用中心留有狭小孔隙的泡沫瓶塞将瓶口封堵，内置有传输线的塑料套管从该狭小孔隙引出，随后封堵该孔隙。瓶口的接缝处用密封胶带缠绕密封，橡皮薄膜的包裹长度也需延伸至泡沫瓶塞外部，保证溶液既不从瓶口的接缝处渗漏，也不侵入塑料套管并浸湿环刀样及套管内的线路。
12.f、雷达测距装置安装。不断调整三脚架的位置，直至两个雷达测距装置的出射光方向与两个滴定管的中轴线依次重合。
13.g、传输线路连接。将雷达测距装置和温度探头的信号传输线分别连接至数据采集仪的相应端口，并与数据显示屏连通。
14.h、设备检查。开启雷达测距仪a和b，用量筒量取体积v4的氯化钙溶液，待胶头滴管吸取少量氯化钙溶液后，先向滴定管a内滴加，同时观察所探测到的液面数据是否发生变化，用以判断雷达测距装置的出射光线是否与滴定管的中轴线重合(若不重合，则必须重新调整测距仪的位置)；不断滴加、观测、调整，直至测距仪a的位置满足试验条件，记滴定管a内滴加完毕后，量筒内剩余氯化钙溶液体积为v4′
。
15.向滴定装置b内进行同样的操作，确保用于观测滴定管b内液面变化的测距仪b位置满足试验条件，记滴定管b内滴加完毕后，量筒内剩余氯化钙溶液体积为v5。
16.故滴定装置a内氯化钙溶液总体积va可表示为：
[0017]va
＝v1 v
2-v2′
v
4-v4′ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0018]
滴定装置b内氯化钙溶液总体积vb可表示为：
[0019]vb
＝v1 v
3-v3′
v4′‑v5
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0020]
另一方面，显示屏上温度探头的探测结果若接近室温，则说明温度探头数据正常。
[0021]
i、启动装置。接通制冷系统、温控系统以及其余所有设备的电源，在温控系统的智能显示屏上设置预定负温。
[0022]
j、试验数据处理。
[0023]
本发明的优点：
[0024]
首先，与现有技术相比，本发明实现了对同一盐渍土试样净胀量和温度的同步测量，是一种综合性更强的联合测定方法，可以通过净胀量、温度、时间t三者的变化关系更深层次地探索冻胀与盐胀的内在变化规律。
[0025]
其次，当试验中的试样发生盐胀以及冻胀后，人们往往局限于使用肉眼直接观测滴定管内液面的刻度变化，这种观测手段受视角影响极易造成读数误差，且中断试验进行人为读数必然会影响试验的连续性，操作繁琐且极耗费时间成本。本发明首次利用雷达测距系统直接监测冻胀与盐胀引起的滴定管液面变化，实现了总胀量测量的连续化、自动化以及精准化，利于更高效地进行试验研究。
[0026]
再者，本发明首次将对净胀量和温度分别关于时间t的变化曲线进行对比研究，以冻结过程中试样温度的过冷点作为冻胀与盐胀的主要边界，给出了冻胀量与盐胀量的具体计算方法，原理明晰，且计算简便。
[0027]
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0028]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0029]
图1是含盐量为1％的硫酸钠盐渍土试样试验后其盐胀量、冻胀量的分析结果；
[0030]
图2是含盐量为0.6％的硫酸钠盐渍土试样试验后其盐胀量、冻胀量的分析结果；
[0031]
图3是含盐量为0.5％的硫酸钠盐渍土试样试验后其盐胀量、冻胀量的分析结果；
[0032]
图4为本发明的区分盐渍土冻胀量和盐胀量的方法图解。
具体实施方式
[0033]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0034]
参考图1～4，如图1～4所示，本发明的具体实施方案如下：
[0035]
本发明的一种区分盐渍土冻胀量及盐胀量的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0036]
a、环刀样制作。配制指定含水量、含盐量、干密度条件下的测试试样。取两个直径50mm、高50mm的环刀，分别在其内壁涂上薄薄一层凡士林，刃口向下，均放在试样上，先后将环刀垂直向下压，边压边削，至土样伸出环刀为止，随后削去周围余土并修平，得到两个环刀样i和ii。
[0037]
b、环刀样密封。取环刀样i，用具有良好弹性的透明橡皮膜密封，保证橡皮膜紧贴
于环刀样的上下表面，且无鼓起现象，随后使用宽扎带沿环刀侧壁分别将毗邻端部的两侧橡皮膜束紧。
[0038]
c、滴定装置a的安装。用量筒量取体积为v1的氯化钙溶液，全部注入广口瓶a内，记录此时的液面高度(h1)；再将密封后的环刀样i置入广口瓶a内(确保环刀样i完全浸没于广口瓶a内的氯化钙溶液中)，记录上升后的液面高度(h2)，则密封后的环刀样i体积为πd2(h
2-h1)/4，d为广口瓶的直径。再用嵌有双敞口滴定管的泡沫瓶塞将瓶口封堵，瓶口的接缝处用密封胶带缠绕密封，确保溶液不会从接缝处渗漏。再用量筒量取体积为v2的氯化钙溶液，并使用胶头滴管将吸取的氯化钙溶液从滴定管顶部开口处向广口瓶a内继续滴注，直到液面上升至与泡沫瓶塞上表面等高，从而得到滴定装置a。记量筒内剩余氯化钙溶液体积为v2′
，则总滴加量为(v
2-v2′
)，此时滴定装置a内氯化钙溶液总体积为(v1 v
2-v2′
)。
[0039]
d、滴定装置b的安装。用量筒量取体积为v1的氯化钙溶液后，全部注入广口瓶b内，再用嵌有双敞口滴定管的泡沫瓶塞将瓶口封堵，瓶口的接缝处用密封胶带缠绕密封，确保溶液不会从接缝处渗漏。再用量筒量取体积为v3的氯化钙溶液，并使用胶头滴管将吸取的氯化钙溶液从滴定管顶部开口处向广口瓶b内继续滴注，直到液面上升至与泡沫瓶塞上表面等高，从而得到滴定装置b。记量筒内剩余氯化钙溶液体积为v3′
，则总滴加量为(v
3-v3′
)，此时滴定装置b内氯化钙溶液总体积为(v1 v
3-v3′
)。(滴定装置a、b的区别仅在于滴定装置a内置有封装完备的环刀样i，而滴定装置b仅作为排除氯化钙溶液盐胀、冻胀影响的对照试验，不放置封装试样。)
[0040]
e、温度探头布设。取环刀样ii，将特制的温度探头埋置于该环刀样中心部位，并将探头的线路穿过长塑料套管，然后将环刀样以及塑料套管整体用橡皮薄膜密封包裹，随后将其置于呈有氯化钙溶液的广口瓶内，此时氯化钙溶液只要能够完全浸没包裹后的环刀样即可，再用中心留有狭小孔隙的泡沫瓶塞将瓶口封堵，内置有传输线的塑料套管从该狭小孔隙引出，随后封堵该孔隙。瓶口的接缝处用密封胶带缠绕密封，橡皮薄膜的包裹长度也需延伸至泡沫瓶塞外部，保证溶液既不从瓶口的接缝处渗漏，也不侵入塑料套管并浸湿环刀样及套管内的线路。
[0041]
f、雷达测距装置安装。不断调整三脚架的位置，直至两个雷达测距装置的出射光方向与两个滴定管的中轴线依次重合。
[0042]
g、传输线路连接。将雷达测距装置和温度探头的信号传输线分别连接至数据采集仪的相应端口，并与数据显示屏连通。
[0043]
h、设备检查。开启雷达测距仪a和b，用量筒量取体积v4的氯化钙溶液，待胶头滴管吸取少量氯化钙溶液后，先向滴定管a内滴加，同时观察所探测到的液面数据是否发生变化，用以判断雷达测距装置的出射光线是否与滴定管的中轴线重合(若不重合，则必须重新调整测距仪的位置)；不断滴加、观测、调整，直至测距仪a的位置满足试验条件，记滴定管a内滴加完毕后，量筒内剩余氯化钙溶液体积为v4′
。
[0044]
向滴定装置b内进行同样的操作，确保用于观测滴定管b内液面变化的测距仪b位置满足试验条件，记滴定管b内滴加完毕后，量筒内剩余氯化钙溶液体积为v5。
[0045]
故滴定装置a内氯化钙溶液总体积va可表示为：
[0046]va
＝v1 v
2-v2′
v
4-v4′ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0047]
滴定装置b内氯化钙溶液总体积vb可表示为：
[0048]vb
＝v1 v
3-v3′
v4′‑v5
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0049]
另一方面，显示屏上温度探头的探测结果若接近室温，则说明温度探头数据正常。
[0050]
i、启动装置。接通制冷系统、温控系统以及其余所有设备的电源，在温控系统的智能显示屏上设置预定负温。
[0051]
j、试验数据处理。
[0052]
(1)氯化钙溶液盐胀、冻胀总量：记雷达测距仪b测得其雷达镜面与滴定管b液面之间的起始距离值为h0′
，试验开始后任意时刻tn的距离值为h1′
，则该时刻滴定装置b内氯化钙溶液盐胀、冻胀总量v
″
可表示为：
[0053][0054]
其中d为滴定管a、b的直径；
[0055]
同时刻滴定装置a内氯化钙溶液盐胀、冻胀总量v
′
可表示为：
[0056][0057]
(2)环刀样i净胀量的计算：记雷达测距仪a测得其雷达镜面与滴定管a液面之间的起始距离值为h0，试验开始后任意时刻tn的距离值为h1，则该时刻滴定装置a内的总胀量v
t
可表示为：
[0058][0059]
故环刀样i净胀量vn(即排除滴定装置a内氯化钙溶液盐胀、冻胀影响后，环刀样i的总胀量)可表示为：
[0060][0061]
其中，va＝v1 v
2-v2′
v
4-v4′
，vb＝v1 v
3-v3′
v4′‑v5
；
[0062]
(3)环刀样i的冻胀量与盐胀量的区分：
[0063]
盐渍土孔隙溶液的溶解度会随温度的变化而相应变化，对于绝大多数溶质来说，溶液溶解度会随温度的降低而降低。对于这类溶质的饱和溶液，若温度降低会引起晶体析出并释放出一定的热量，致使试样的温度突然出现短暂上升，表现在图像上则为一个明显的跳跃点，因而该点可作为盐胀现象发生的起点。当试样温度继续降到负温并到达土体冻结温度时，水-冰相变发生，冰晶体析出并释放相变潜热，使试样的温度再次升高，表现在图像上则为另一个温度跳跃点，同理该点可作为冻胀现象发生的起点。
[0064]
待试样温度到达所设目标负温，且数据采集仪的各项数据基本稳定，则可开始绘制试样净胀量和试样温度分别关于时间t的关系曲线，如图4所示。试样温度随时间变化曲线存在两个明显的温度跳跃点：在t1时刻，试样处于正温度区间，无冻胀力作用，此刻至0℃前的总胀量全部为盐胀作用结果；t2时刻对应第二个温度跳跃点，此时冰晶体析出并释放相变潜热，发生冻胀现象。记t2时刻的净胀量为vs(vs即为盐胀量值)，试验后期数据稳定时测得净胀量为vn，则冻胀量vf可表示为：
[0065]vf
＝v
n-vs[0066]
(7)
[0067]
具体如图4所示。
[0068]
现配制了含盐量分别为1％、0.6％、0.5％的硫酸钠盐渍土。按上述试验方法，对不同含盐量的盐渍土，均进行以下三种操作：(1)设置滴定装置a：环刀取样；薄膜密封；置于含有氯化钙溶液的广口瓶内；瓶口封堵；滴加溶液；控制液面。(2)设置滴定装置b：取广口瓶，注入氯化钙溶液；瓶口封堵；滴加溶液；控制液面。(3)设置测温装置：环刀取样；嵌入温度探头；薄膜密封；置于含有氯化钙溶液的广口瓶内；接出线路；瓶口封堵。试验开始，滴定装置a、b内氯化钙溶液和试样逐渐发生盐胀、冻胀，反映到滴定管上表现为液面明显上升。滴定管内液面的实时高程与试样实时温度经由雷达测距系统和数据采集系统记录，最终通过公式(1)～(7)和试样净胀量(vn)与试样温度(t)分别关于时间t的关系曲线，分析得到三种盐渍土试样的盐胀、冻胀量，如图1-3所示。
[0069]
首先，与现有技术相比，本发明实现了对同一盐渍土试样净胀量和温度的同步测量，是一种综合性更强的联合测定方法，可以通过净胀量、温度、时间t三者的变化关系更深层次地探索冻胀与盐胀的内在变化规律。
[0070]
其次，当试验中的试样发生盐胀以及冻胀后，人们往往局限于使用肉眼直接观测滴定管内液面的刻度变化，这种观测手段受视角影响极易造成读数误差，且中断试验进行人为读数必然会影响试验的连续性，操作繁琐且耗费时间成本。本发明首次利用雷达测距系统直接监测冻胀与盐胀引起的滴定管液面变化，实现了总胀量测量的连续化、自动化以及精准化，利于更高效地进行试验研究。
[0071]
再者，本发明首次将对净胀量和温度分别关于时间t的变化曲线进行对比研究，以冻结过程中试样温度的过冷点作为冻胀与盐胀的主要边界，给出了冻胀量与盐胀量的具体计算方法，原理明晰，且计算简便。
[0072]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。