温度循环下压实粗粒盐渍土水盐迁移与变形响应

“一带一路”规划的高速铁路频繁穿梭于盐质荒漠区,沿线优质不含盐路基填料极其匮乏。为解决粗粒盐渍土填筑高速铁路路基面临的技术难题,结合伊朗德伊高铁建设,以现场粗粒盐渍土路基填料为对象,开展了温度循环下压实粗粒盐渍土水盐迁移与变形响应试验研究。结果表明,每次温度循环后温度波幅值由土层浅表向深层土体衰减传递,土体埋深越浅、恒温时间越长,温度波幅值越大;水盐均匀分布的压实粗粒盐渍土经历多次温度循环后逐渐演化成非均匀分布,水盐向土体表面迁移聚集,越靠近土体表面水盐增量越大;前5次温度循环中压实粗粒盐渍土产生了塑性盐胀或塑性融沉,随着温度循环次数增加,盐渍土塑性盐胀或塑性融沉显著减小甚至消失;盐渍土层上设置非盐渍土层具有迟滞盐分向上迁移和消能减胀作用,粗粒盐渍土构筑高速铁路路基宜采用结构分层技术,非盐渍土层设置厚度一般不宜小于当地温度辐射影响显著深度;粗粒盐渍土路基设计宜考虑多次温度循环后形成的水盐非均质分布及其可能诱发的盐胀与融沉增大效应,路基压实度不宜过高。研究成果将为盐渍土地区高速铁路路基工程建造起到示范参考作用。     

细粒土含量对粗粒硫酸盐渍土路基填料盐胀特性的影响试验及分析模型

为了明确细粒土含量对粗粒硫酸盐渍土路基填料盐胀量的影响,针对 1% 和 3%含盐量工况下的砂、砾类盐渍土,采用降温试验研究了细粒土含量递增条件下粗粒硫酸盐渍土的盐胀特点。在此基础上,利用 PFC^3D技术模拟了粗粒盐渍土的盐胀变形并分析其机制,结合微观试验分析了盐胀状态中粗粒土骨架典型状态。结果表明：随着细粒土含量的增加,粗粒硫酸盐渍土的盐（冻）胀量均先增加后减少再增大,分界细粒土含量因含盐量及土类不同而异,1%、3% 含盐量的砂、砾类土样分别在15%和10%细粒土含量时产生最大盐（冻）胀量;3%含盐量砂、砾类土的起始盐胀温度约 20 ℃,1%含盐量土样的起始盐胀温度随细粒土含量及土种类不同差异较大且存在明显的界限细粒土含量,当细粒土含量低于界限值时土体的起始盐胀温度约为0.5～2 ℃,高于界限值时土体的起始盐胀温度约为 4～12 ℃;同时提出了盐胀状态中粗粒土骨架典型状态模型及其作为路基填料的细粒土含量界限值。     

天然盐渍土冻融循环时水盐迁移规律及强度变化试验研究

通过对新疆喀什地区12处天然盐渍土室内基本性质试验分析,选取典型天然盐渍土,在开放系统中进行反复冻融循环条件下的试验研究。研究了天然盐渍土在多次冻融循环时的水分和盐分迁移规律及强度变化特征。试验结果表明:经多次冻融循环,低液限粘土试样水分重分布与盐分重分布有很大的一致性,水分和盐分自下而上迁移;试样粘聚力自下而上线形减小,内摩擦角呈s形分布。含砂低液限粘土试样冻融循环过程中,易溶盐均随水分向冷端面迁移,离子剖面呈现中间大两端小的趋势;试样粘聚力呈反s形分布,内摩擦角均呈s形分布。     

甘肃省公路沿线典型地段含盐量对冻胀盐胀特性影响的试验研究

季节冻土区含盐土公路路基在季节性冻胀、盐胀和融沉作用下,发生大量的道路病害,给道路的安全运营带来了严重的隐患。在考察大量现场道路病害的基础上,针对甘肃省季节冻土区公路沿线盐渍化道路病害比较严重的地段,选取几种典型的盐渍土进行室内冻融循环试验来研究它们在周期波动温度条件下冻胀、盐胀和融沉特性,进一步探讨盐渍土地区道路病害产生的机制。试验结果发现,含盐量对路基土冻胀、融沉和盐胀等变形过程有明显的影响,不同的含盐量路基土膨胀机制不同。含盐量较高的土体,变形主要由盐胀引起,没有明显的融沉变形;含盐量较低的路基土,变形主要由冻胀和融沉引起,可能存在盐胀;对于无盐但冻胀敏感性路基土,其变形主要由冻胀和融沉引起。另外,开放系统下盐渍土反复冻融循环后含水率重新分布,含水率普遍增加,且形成了两端含水率高、中间低的现象。     

Experimental study on deformation of remolded sulfate saline soil under freeze-thaw cycles北大核心CSCD

季节冻土区特殊的温湿环境造成盐渍土累积变形是导致众多工程问题的主要原因,但其变形破坏机理尚不十分明确。通过配制不同含盐量的粉土开展冻融循环试验,研究试验过程中温度、未冻水含量、孔隙水压力、基质吸力和位移的变化规律。结果表明：孔隙水压力和基质吸力对土体温度敏感,对土体变形有重要影响。类比于非饱和土有效应力原理,给出了冻结盐渍土的有效应力方程,将土体变形分为温度应变、盐胀、冻胀、溶陷、融沉和残余应变,很好地解释了冻结盐渍土的变形机理。研究了含盐量对土体变形的影响程度,发现低含盐量时土体应变以冻胀和融沉为主;随着含盐量的增加,盐胀和溶陷的贡献越来越大;而含盐量为1%时土体变形最小,表明适当控制含盐量可有效抑制土体变形。     

硫酸盐渍土在多次冻融循环时的盐胀累加规律

通过室内模拟试验,研究了硫酸盐渍土在历经多次冻融循环时的盐胀累加规律,得出了盐胀累加的不同类型,给出了累加盐胀率与循环次烽之间的关系式,进一步揭示了盐胀累加的 和影响因素。     

吉林省大安地区盐渍土室内冻胀试验研究

吉林省大安地区分布着大量盐渍土,冬季温度降低后土体发生冻胀会引,会引发一系列工程危害。本文对吉林省大安地区盐渍土体进行野外取样,并进行室内基本物理、化学及物质组成试验,通过室内冻胀试验模拟土体冻胀过程,查明土体冻胀特性。试验结果表明,研究区土体为碳酸盐渍土,钠离子含量较高,交换性阳离子含量较高;土体在冻胀过程中其击实度、含水率及土体中含盐量均不同程度影响着冻胀结果,对于各含盐量下土样均存在最佳击实度;盐分过少时对冻胀产生抑制作用,达到一定含盐量后产生盐胀,对冻胀产生促进作用;研究区起始冻胀含水率为21%。该结论为防治吉林省西部盐渍土地区由冻胀作用带来的工程灾害防治提供理论依据。     

硫酸（亚硫酸）盐渍土单次盐胀和冻胀发育规律研究

对盐胀和冻胀规律的研究有助于深入认识硫酸（亚硫酸）盐渍土的工程性质。通过对天山北麓水磨河流域细土平原区硫酸（亚硫酸）盐渍土盐胀和冻胀试验研究发现：（1）随着温度的降低,试样盐胀和冻胀率逐渐增大。试样冻结前土体产生的膨胀是盐胀,试样冻结后产生的膨胀是盐胀和冻胀,当土体达到-15℃以后,土体盐胀和冻胀趋于稳定。（2）硫酸钠含量不变的情况下,随着含水量的增大,其起胀温度降低。土体起胀温度取决于土体中硫酸钠析水结晶温度、硫酸钠结晶含量的多少、土体结构、内摩阻力、粘聚力、土颗粒间的引力、土体孔隙间和孔隙接触间吸收结晶硫酸钠的程度。（3）硫酸钠含量增加,其单次盐胀和冻胀率变化区间增大。     

粗颗粒盐渍土路用填料可用性指标研究

盐渍土盐胀的主要控制因素有土、水、盐、温、力. 采用均匀设计方法, 通过系列室内单次降温盐胀试验, 研究了粗颗粒硫酸盐渍土的盐胀特性及其作为路基填料的可用性. 结果表明: 影响粗颗粒硫酸盐渍土盐胀量大小的主要控制因素是含盐量、含水率及初始干容重, 且三个因素互为联系及彼此影响.上覆附加荷载对盐胀量大小具有很强的抑制作用,砾类盐渍土起胀含盐量约0.4%, 砂类盐渍土起胀含盐量约为0.2%. 盐胀活跃温度区间主要为5～-5 ℃, 活跃温度区间主要控制因素是含水率;如果初始干容重较低, 盐胀过程中会发生体缩现象.     

粗粒土的破碎耗能计算及影响因素

粗粒土的颗粒破碎直接改变了土体本身结构,对粗粒土的剪胀和内摩擦角都会产生影响。在土体剪切过程中,体积应力和剪切应力在体积应变和剪切应变上做功,这部分能量在剪切过程中转化为颗粒的弹性储能、颗粒间的摩擦耗能、颗粒剪胀时对外做功和颗粒破碎耗能4部分。准确计算剪切过程中粗粒土破碎耗能的目的是：从能量角度分析颗粒破碎对土体本构关系的影响,为建立考虑颗粒破碎的粗粒土本构关系创造条件。通过分析粗粒土的常规三轴试验数据,计算得到了剪切过程中的粗粒土破碎耗能。计算结果表明,常规三轴试验条件下粗粒土破碎耗能主要受固结应力、土体摩擦系数M等因素的影响。     

Experimental investigations on the influence of cyclical freezing and thawing on physical and mechanical properties of saline soil

Uniaxial compressive strength experiments were performed on saline loess different water and salt contents, and multiple freeze/thaw cycles at room temperature. The experiments revealed changes to the stress–strain curve and the failure mode of the saline loess. The results indicated that soil strength is intensified or weakened during freezing and thawing due to the injection of sodium sulfate solute. Cyclical freezing and thawing is a process to get a new dynamic equilibrium, and under these experimental conditions, six freeze–thaw cycles are need for loess with sodium sulfate to reach a new dynamic equilibrium.     

基于冻融作用的氯盐渍土−钢块界面力学模型

在中国西北特殊气候环境下冻融作用是一种风化过程,反复改变着土体的微结构和物理性质,强烈影响着土体与结构的相互作用。针对冻融作用对盐渍土?结构接触面力学特性的影响,进行不固结不排水直剪试验,开展了冻融次数、含盐量、基质吸力等因素对非饱和氯盐渍土?钢块接触面力学性能影响的相关研究。试验结果表明,不含盐时接触面力学参数（黏聚力与内摩擦角）随冻融次数增加均先增大后减小,含盐时接触面黏聚力随冻融次数增加呈下降趋势,内摩擦角略有所增大;冻融前后接触面力学参数随着含盐量的增大先减小后增大,均存在含盐量阈值;未冻融时接触面力学参数含盐量阈值约为8%,随着冻融次数增加,该阈值有所变化;接触面基质吸力随冻融次数增加大体呈减小趋势并最终趋于稳定,随含盐量增加先减小后增大,基质吸力含盐量阈值约为10%;接触面剪应力?剪切位移分为线弹性变形阶段和强化阶段,竖向荷载较小时表现为弱硬化,未出现明显的应变软化现象。对接触面剪应力?剪切位移适用性模型进行评价发现龚帕兹模型能够与试验结果很好地吻合,据其建立了冻融作用的氯盐渍土?钢块界面力学模型,基于试验数据验证了其可靠性。     

季节冻土区水盐迁移及土体变形特性模型试验研究

为研究盐渍化冻土水分、盐分迁移规律以及变形特性,探索寒区旱区土壤盐渍化机制,配制了不同含盐量的粉质黏土进行模型试验。试验结果表明,温度、水分、盐分和土体变形之间相互耦合。温度降低有利于盐晶体析出和未冻水结冰;反之,温度升高易于晶体溶解和冰融化。水盐相变过程中伴随能量的释放或吸收,影响土体温度。盐分改变了流体的动力黏度和土体冻结温度,并且盐分结晶使土体产生较大的吸力,加剧了未冻水含量的变化。水分是盐分迁移的介质,盐分以离子形式随未冻水迁移。降温期水分盐分向上迁移,升温期迁移方向相反。迁移速率与吸力有关,冻结缘附近吸力最大,速率最快。盐渍化冻土的变形是盐分和水分共同作用的结果,含盐量较低时冻胀和融沉是土体变形的主要因素;当含盐量较高时盐胀和溶陷占主导作用。     

冻融循环对盐渍土黏聚力影响的试验研究

通过室内试验,测试了冻融循环对不同含盐量和不同含盐类别盐渍土黏聚力的影响规律。从结晶体位置变化、微观结构、盐类性质及未冻结水含量三个方面分析了冻融循环对盐渍土黏聚力的作用机理。研究结果表明,在含水率一定的情况下,无论是向土中加入Na2SO4,或者是CaCl2,经冻融循环后黏聚力都随冻融次数的增加而减小,且第1次和第2次循环为主要减小阶段;加入CaCl2后黏聚力的减小程度比加入等量Na2SO4后小;冻融循环过程中结晶体析出时位置的变化是土体黏聚力和干密度减小的主要原因;经SEM图片分析,大孔隙占总孔隙面积的比例随冻融次数的增加而减小;盐渍土中CaCl2溶液的含量对冻融循环中黏聚力的变化有重要影响。     

考虑含水率影响的非饱和原状黄土冻融强度试验研究

提出了用于非饱和原状黄土增湿的蒸汽增湿方法,给出了蒸汽增湿试验步骤,通过对比试验分析确定了适宜的试验参数,从增湿后水分分布是否均匀、土体密度是否改变等方面论证了蒸汽增湿方法的有效性。对含水率的测试结果表明,微波炉法测试结果能满足精度要求,酒精燃烧法在测试较高含水率时误差较大。进一步应用蒸汽增湿法得到的不同含水率原状土样测定了非饱和黄土冻融后的强度指标,揭示出当非饱和原状黄土含水率过低时,冻融作用对黄土的粘聚力值基本没有影响,当含水率较高时,经历冻融循环后黄土粘聚力值较冻融前降低,冻结温度越低以及冻融循环次数越多,降低值越大。经历冻融循环后黄土内摩擦角值较冻融前增加,冻结温度越低,增加值越大。在含水率较低时冻融循环次数几乎不引起内摩擦角值发生变化,在含水率较高时冻融循环次数越多,引起内摩擦角增加值越大。     

科尔沁草甸地冻融期土壤水热盐动态迁移规律

为掌握科尔沁草甸地冻融期土壤水、热、盐迁移规律,以科尔沁左翼后旗阿古拉生态水文试验站2013年10月—2014年5月土壤冻融期实测气象、土壤等数据为基础,用统计分析法对研究区草甸地冻融期土壤温度、水分、盐分的变化规律进行了分析。结果表明:气温对土壤剖面温度的影响随着土壤深度的增加而降低,土壤剖面温度变化滞后于气温变化的时间取决于气温升降幅度,且没有显著的规律;由于气温回升速度大于降温速度,导致土壤消融速度比冻结速度快;土壤冻结过程由表层向下进行,冻结温度与土壤含盐量呈负相关关系,用温度的线性内插法准确确定草甸地于2014年3月9日达到最大冻深104 cm;土壤消融时受地下暖土层热流和地表温度双重影响,由底部向地表和由地表向冻结层进行双向消融;地下水位埋深较浅,受土壤冻融作用影响,升降趋势显著;草甸地土壤冻结期盐分向地表积聚,并于2月达到最大,后经消融及雨水淋润作用开始下降;冻融期盐分变异性大于水分变异性,说明盐分的运移过程更为复杂。