城市环境下粘性土细观结构的热力学行为研究
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摘要
城市规模日益扩大及人口不断集中，“热岛”现象日趋突出，这将致使城市下伏岩土体内的温度场发生变化。城市附加地温度场必然导致土中含水量和离子化学场的变化，引起土体液、固相物理化学性质的改变，从而使土颗粒连接、吸附及其性状发生变化，直接影响土体的结构强度。在此情况下，土体的结构强度如何变化?存在何种“热敏组份”?这是非常值得研究的两个问题。在我国，关于温度对岩土介质影响的研究工作开展较多的是寒冷地区低温条件下冻土的力学变形特性及工程影响，这些研究一般是针对0℃以下的冻土，主要研究其冻融循环作用及其水份迁移机理等。关于高温条件下岩石的温度效应问题也得到一定的重视，其工程背景主要是核废料和放射性物质的处置和贮存，研究的对象一般为岩体材料，而对于常温常压下，土体孔隙液含有不同盐份的有关粘性土热力学行为的研究则极为少见。因此，基于城市环境下，选择以上两个问题作为本论文的研究课题具有重要的理论和实际意义。
本文针对上述研究问题，分析地表温度变化对城市下伏粘性土的扰动水平，研究常温常压下粘性土受热作用的物理-化学表现，讨论了外界温度变化引起土中温度场、化学场变异的事实。同时，在温度差的作用下，通过试验探讨了粘性土力学属性的差异，并且对影响粘性土热力学行为的两个外部因素(温度和时间)进行了试验研究，给出了粘性土细观结构温度效应与时间效应的分析结果：随着温度升高，粘聚力c值不断增大，在30℃～50℃之间存在一陡峭段，而内摩擦角φ变化有起伏；当时间序列加长后，粘聚力c亦是增大，而内摩擦角φ有起伏变化，整体呈递减趋势。因此，从温度场变异引发湿度场、化学场改变的试验结果，证实了城市“热岛”会波及城市下伏粘性土，会导致土体性状变异的事实。
土中的液相是土体结构中非常活跃的部分。热岛效应引发城市下伏粘性土受热扰动，于是土体内部离子的运动也发生了改变，它通过土中孔隙溶液组份的析出与颗粒矿物的溶入来改变粒间的连接，进而影响土体的结构强度。本文研究土体细观结构固有的内在属性(包括土中水份、孔隙溶液组份、pH值)在温度场作用下的力
欧孝夺.城市环境下粘性土细观结构的热力学行为研究2004年5月
学表现，揭示温度及其作用时间、孔隙溶液组份、酸碱度对粘性土细观结构力学行
为的影响。试验结果表明，在40℃环境中，浸泡NaZSZO;土样的粘聚力c最大，在
60℃环境中，浸泡FeC13土样的c值最大:当环境温度由40℃升高到60℃，c值增幅
最大的是Feel3，其次是Fe和MnSO4;而Ca(OH)2的‘值减小，MgCI:增幅不大;
而当环境温度由40℃升高到60℃，FeC13、NaZSZO;的内摩擦角仍是减小的，Fe和
AICI;变化不大，而MgC12、Ca(OH):增幅相当，仅次于去离子水。将FeC13、Nael、
Mnso4、ca(OH):分别配制成不同浓度的溶液，浸泡后土样的热力学性质的变化规律
也不一样，有正效应也有负效应。经pH=2的酸溶液浸泡的土样在40℃的温度环境
中作用168h后，粘聚力c达到最小值(c=62.skPa);内摩擦角尹在小于30℃时变化
不大，而环境温度大于30℃后，急剧增大;pH=12土样随着温度升高，粘聚力‘与
内摩擦角尹有起伏变化现象，40℃时c值最小，c=80.skPa;50℃时沪值最小净二4.4。;
经酸碱液浸泡后的土样，其粘聚力c随热作用时间T发生不同的变化，热作用时间
为168h时，酸性土样的粘聚力c有最小值;而碱性土样c值随热作用时间T不断减
小，两者的。值均小于未浸泡土样;内摩擦角价的变化相对平缓，碱性土样的内摩
擦角沪是最小的。
在以上试验研究的基础上，对粘性土细观结构的热力学行为进行机理研究，首
先从温度场与湿度场的相互作用出发，开展土体含水量、内作用力、水势的热作用
阐述，并引入分形几何理论，对粘性土的热敏粒组进行了理论解释;其次从温度场
引起化学场的变化，尤其是可溶盐的溶蚀、结晶析出与氧化还原反应证实了热敏化
学组份的存在，最后从热一化学一力学三者联动揭示粘性土细观结构热效应的本质。
提出粘性土热敏系数及其表达形式，建立了土体热敏性分类标准，在此基础上，
进行粘性土热敏性模糊评测，结果显示:粘聚力c和孔隙比。对粘性土热敏性影响
较大;最后建立粘性土的热敏性与孔隙液中各离子浓度的线性回归模型。
With the urban expansion and the population condensation, the "heat island" phenomenon becomes prominent day by day, and this causes changes in temperature field in the urban underlying rock-soil mass. The additional urban geothermal field is bound to cause changes in moisture content of the soil, ion-chemical field and the physical-chemical properties of liquid and solid phase of the soil mass, and thereby changes the connection, the absorption and the behaviors of the soil particles, and influences the structural intensity of the soil mass. In this case, how will the structural intensity of the soil mass change and what heat sensitive component will be there? These two problems are worth being studied in geo-technical field. In our country, the researches on the influence of temperature on the rock-soil medium are carried out mostly for the mechanical-deformational behavior of the frozen soil under low temperature conditions in cold areas and its engineering influence. These researches generally based on t
he frozen soil below 0C mainly study its freeze-thaw cycle action and its moisture migration mechanism. The problems about the temperature effect of rock under high temperature conditions also are paid certain attention to. Its engineering backgrounds are mainly the disposal-storage of nuclear waste and radioactive materials, and its research object is usually the material of rock mass. But we can rarely find the researches on the thermodynamics of clayey soil with different salt components in pore liquid of soil mass at normal temperatures (below 60C) and pressures. So, basing on the urban environment, it has important theoretical and practical significance to choose these two problems as the research issues of dissertation.
Aiming at aforementioned research problems, this dissertation analyses the disturbance level caused by the variation of the surface temperature to the underlying clayey soil, and the physical-chemical manifestation of clayey soil acted by heat at normal temperatures and pressures. At the same time, this dissertation approaches through experiments the discrepancy of the mechanical attribution of clayey soil under the action of temperature field, researches two external factors (temperature and time) that influenced the thermodynamic behavior of clayey soil, and presents the analytical results of temperature effect and time effect of the thin-view structure of clayey soil. With the increase of
temperature, the value of cohesion rises progressively and there is an abrupt segment between 30C and 50C, but the value of the angle of internal friction is fluctuated. After the time sequence has been lengthened, the value of cohesion still rises, while the value of the angle of internal friction fluctuates and the whole effect takes on a decreasing trend. Therefore, the experimental result that the variation of the temperature field causes the changes of the moisture and chemical fields confirms the fact that the urban heat island can affect the urban underlying clayey soil and cause the variation of the soil mass behavior.
The liquid phase of soil is a very dynamic part in the structure of the soil mass. When the urban underlying clayey soil has heat disturbance, the motion of internal ions in soil mass begins to change. It can change the inter particle connection through the separation of pore solution's component in soil and the dissolution of particle mineral, thus influencing the structural intensity of the soil mass. From the mechanical expression of inherent attributions (including the moisture content of soil, the pore solution's component and the value of PH) of the thin-view structure of soil mass under the action of temperature field, this dissertation researches the influence of temperature and its acting time, the pore solution's component and the acidity-alkalinity on the thin-view structure of clayey soil. The experimental results show that the value of cohesion of the soil sample soaked in Na2S2O4 solution is the maximum when the temperature is 40C while the value of cohesion o
本文针对上述研究问题，分析地表温度变化对城市下伏粘性土的扰动水平，研究常温常压下粘性土受热作用的物理-化学表现，讨论了外界温度变化引起土中温度场、化学场变异的事实。同时，在温度差的作用下，通过试验探讨了粘性土力学属性的差异，并且对影响粘性土热力学行为的两个外部因素(温度和时间)进行了试验研究，给出了粘性土细观结构温度效应与时间效应的分析结果：随着温度升高，粘聚力c值不断增大，在30℃～50℃之间存在一陡峭段，而内摩擦角φ变化有起伏；当时间序列加长后，粘聚力c亦是增大，而内摩擦角φ有起伏变化，整体呈递减趋势。因此，从温度场变异引发湿度场、化学场改变的试验结果，证实了城市“热岛”会波及城市下伏粘性土，会导致土体性状变异的事实。
土中的液相是土体结构中非常活跃的部分。热岛效应引发城市下伏粘性土受热扰动，于是土体内部离子的运动也发生了改变，它通过土中孔隙溶液组份的析出与颗粒矿物的溶入来改变粒间的连接，进而影响土体的结构强度。本文研究土体细观结构固有的内在属性(包括土中水份、孔隙溶液组份、pH值)在温度场作用下的力
欧孝夺.城市环境下粘性土细观结构的热力学行为研究2004年5月
学表现，揭示温度及其作用时间、孔隙溶液组份、酸碱度对粘性土细观结构力学行
为的影响。试验结果表明，在40℃环境中，浸泡NaZSZO;土样的粘聚力c最大，在
60℃环境中，浸泡FeC13土样的c值最大:当环境温度由40℃升高到60℃，c值增幅
最大的是Feel3，其次是Fe和MnSO4;而Ca(OH)2的‘值减小，MgCI:增幅不大;
而当环境温度由40℃升高到60℃，FeC13、NaZSZO;的内摩擦角仍是减小的，Fe和
AICI;变化不大，而MgC12、Ca(OH):增幅相当，仅次于去离子水。将FeC13、Nael、
Mnso4、ca(OH):分别配制成不同浓度的溶液，浸泡后土样的热力学性质的变化规律
也不一样，有正效应也有负效应。经pH=2的酸溶液浸泡的土样在40℃的温度环境
中作用168h后，粘聚力c达到最小值(c=62.skPa);内摩擦角尹在小于30℃时变化
不大，而环境温度大于30℃后，急剧增大;pH=12土样随着温度升高，粘聚力‘与
内摩擦角尹有起伏变化现象，40℃时c值最小，c=80.skPa;50℃时沪值最小净二4.4。;
经酸碱液浸泡后的土样，其粘聚力c随热作用时间T发生不同的变化，热作用时间
为168h时，酸性土样的粘聚力c有最小值;而碱性土样c值随热作用时间T不断减
小，两者的。值均小于未浸泡土样;内摩擦角价的变化相对平缓，碱性土样的内摩
擦角沪是最小的。
在以上试验研究的基础上，对粘性土细观结构的热力学行为进行机理研究，首
先从温度场与湿度场的相互作用出发，开展土体含水量、内作用力、水势的热作用
阐述，并引入分形几何理论，对粘性土的热敏粒组进行了理论解释;其次从温度场
引起化学场的变化，尤其是可溶盐的溶蚀、结晶析出与氧化还原反应证实了热敏化
学组份的存在，最后从热一化学一力学三者联动揭示粘性土细观结构热效应的本质。
提出粘性土热敏系数及其表达形式，建立了土体热敏性分类标准，在此基础上，
进行粘性土热敏性模糊评测，结果显示:粘聚力c和孔隙比。对粘性土热敏性影响
较大;最后建立粘性土的热敏性与孔隙液中各离子浓度的线性回归模型。
With the urban expansion and the population condensation, the "heat island" phenomenon becomes prominent day by day, and this causes changes in temperature field in the urban underlying rock-soil mass. The additional urban geothermal field is bound to cause changes in moisture content of the soil, ion-chemical field and the physical-chemical properties of liquid and solid phase of the soil mass, and thereby changes the connection, the absorption and the behaviors of the soil particles, and influences the structural intensity of the soil mass. In this case, how will the structural intensity of the soil mass change and what heat sensitive component will be there? These two problems are worth being studied in geo-technical field. In our country, the researches on the influence of temperature on the rock-soil medium are carried out mostly for the mechanical-deformational behavior of the frozen soil under low temperature conditions in cold areas and its engineering influence. These researches generally based on t
he frozen soil below 0C mainly study its freeze-thaw cycle action and its moisture migration mechanism. The problems about the temperature effect of rock under high temperature conditions also are paid certain attention to. Its engineering backgrounds are mainly the disposal-storage of nuclear waste and radioactive materials, and its research object is usually the material of rock mass. But we can rarely find the researches on the thermodynamics of clayey soil with different salt components in pore liquid of soil mass at normal temperatures (below 60C) and pressures. So, basing on the urban environment, it has important theoretical and practical significance to choose these two problems as the research issues of dissertation.
Aiming at aforementioned research problems, this dissertation analyses the disturbance level caused by the variation of the surface temperature to the underlying clayey soil, and the physical-chemical manifestation of clayey soil acted by heat at normal temperatures and pressures. At the same time, this dissertation approaches through experiments the discrepancy of the mechanical attribution of clayey soil under the action of temperature field, researches two external factors (temperature and time) that influenced the thermodynamic behavior of clayey soil, and presents the analytical results of temperature effect and time effect of the thin-view structure of clayey soil. With the increase of
temperature, the value of cohesion rises progressively and there is an abrupt segment between 30C and 50C, but the value of the angle of internal friction is fluctuated. After the time sequence has been lengthened, the value of cohesion still rises, while the value of the angle of internal friction fluctuates and the whole effect takes on a decreasing trend. Therefore, the experimental result that the variation of the temperature field causes the changes of the moisture and chemical fields confirms the fact that the urban heat island can affect the urban underlying clayey soil and cause the variation of the soil mass behavior.
The liquid phase of soil is a very dynamic part in the structure of the soil mass. When the urban underlying clayey soil has heat disturbance, the motion of internal ions in soil mass begins to change. It can change the inter particle connection through the separation of pore solution's component in soil and the dissolution of particle mineral, thus influencing the structural intensity of the soil mass. From the mechanical expression of inherent attributions (including the moisture content of soil, the pore solution's component and the value of PH) of the thin-view structure of soil mass under the action of temperature field, this dissertation researches the influence of temperature and its acting time, the pore solution's component and the acidity-alkalinity on the thin-view structure of clayey soil. The experimental results show that the value of cohesion of the soil sample soaked in Na2S2O4 solution is the maximum when the temperature is 40C while the value of cohesion o
引文
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