单向冻结条件下硫酸盐渍土热质迁移及变形特性研究

对水盐补给条件下硫酸盐渍土中的热质迁移、孔隙流体相变过程以及硫酸盐渍土盐冻胀变形进行了理论和试验研究。基于非饱和土力学和热弹性连续介质理论,建立了非饱和硫酸盐渍土中水-热-盐-力多物理场耦合的数学模型,其中考虑了孔隙内相变对热力学和水力学参数的影响,通过数值模拟分析了开放系统单向冻结条件下土体内部温度场、水分场、盐分场及应力场的变化过程,并利用室内降温试验对理论模型的有效性进行了验证。研究结果表明：盐分在结晶时所析出的潜热会直接影响到水分冻结成冰的过程;土体孔隙溶液浓度在开放系统单向冻结条件的影响下随时间先快速增长至峰值而后逐渐下降,最终趋于稳定;在负温的影响下,土体内部水分相变成冰,并逐渐形成冻结锋面,随着冻结锋面的下移,土体盐冻胀程度越来越大。     

不同冻结方式下盐渍土水盐重分布规律的试验研究

土体的冻融历史在土体的冻胀预报和评估的作用不可忽略,不同的冻结方式将影响土体中的水盐重分布及干密度的变化差异。选择土样底端温度相同情况下的单向冻结、正弦波曲线冻融循环和负温循环冻结3种冻结作用模式,对青藏高原铁路沿线红色粉质黏土进行了试验研究,分析了3种冻结模式下土体的冻胀量的变化、水分和盐分的重分布状况以及土体干密度的变化规律,试验结果表明单向冻结过程由于冰的自净作用,阻止了盐分的迁移;土体周期冻融循环后变形具有不可累加性,盐分在随水分发生对流迁移的同时会发生由浓度梯度诱导的扩散迁移;在冻融作用下,土体的压密变形是客观存在的,即体现了冻融对该试验条件下土体结构的强化作用     

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。     

吉林西部盐渍土多场作用下物质特性演化规律

在温度场、湿度场和人工水渠等多场耦合作用下,土体与外界环境的热交换条件和水热输运过程的改变极易引起土体成分和结构的变异,从而引发区域的生态失衡和次生盐渍化。本文选择吉林西部的农安、大安、乾安和镇赉4个典型盐渍化地区作为长期观测和研究评价的地点,对多场(水、热、盐)循环条件下不同盖层盐渍土进行现场调查取样,对室外内的工程地质性质、物理化学性质和物质组成进行了长期观测和测试分析。结果表明:吉林西部盐渍土属于碳酸型盐渍土,水分迁移量为3.5%4.6%;易溶盐质量分数总体随深度增加而降低,并且盐水在剖面上的分布明显受到季节影响,旱季蒸发作用和冬季土体冻结作用促使盐分随水分向上运移,浅表土体盐分大量集聚;随深度增加,阳离子交换量的变化趋势基本与易溶盐质量分数变化的趋势相同。     

莫玲粘土冻结过程中的离子迁移、水分迁移和冻胀

易溶盐在土中的存在及其在土冻结过程中的重新分布,对冻土物理化学性质和力学性质及土的冻结过程有重要影响。泰斯等(Tice,et al.)用兰州黄土和阿拉斯加粉土等作对比试验,证明在颗粒成分大致相同的情况下,冻结盐渍土中未冻水含量高于非盐渍土中未冻水含量。张伯伦(1983)的试验表明,对同一种土,增加其易溶盐含量可以减小土的冻胀量、总含冰量及冰透镜体的体积。至于冻结过程中盐分迁移的方向,可有不同情况。邱国庆等的实验表明,在水溶液单向冻结时,盐分向未冻溶液迁移,溶液原始浓度越大、冻结速度越大,则盐分的相对迁移量越小。奥斯托坎等(Oster-     

含NaCl和Na2SO4双组分盐渍土的水盐相变温度研究

盐渍土相变温度是判断土体中水分冻结与融化、盐分结晶与溶解的重要参数。不同盐分含量相变温度的差异,给盐渍土在降温过程中的水盐迁移过程及变形规律的模拟带来极大的不确定性。通过降温试验,研究了降温过程中氯盐和硫酸盐综合作用盐渍土中水盐相变温度的变化情况。结果表明：全盐量相同时,盐结晶温度随NaCl和Na₂SO₄比例的不同而不同。随NaCl的加入,在Na⁺同离子效应的影响下,Na₂SO₄更容易结晶,但土体的冰和芒硝共晶点温度下降,使得冰含量显著减少,从而降低了孔隙溶液中固相的产生比例,起到抑制Na₂SO₄盐渍土盐冻胀变形的作用。当土中只含Na₂SO₄盐时,随Na₂SO₄浓度的增加,冰和芒硝共晶点的温度先上升而后缓慢下降,二次相变前冰盐的累积量是导致冰和芒硝共晶点产生这种变化的主要原因。盐渍土三相共晶点温度随NaCl含量的增加呈现上升趋势,这是因为随着NaCl的加入,在发生三相共晶前,孔隙溶液发生相变的固相含量减少,从而使孔隙结构对三相共晶点的影响减小。此外,含有NaCl与Na₂SO₄双组分的盐渍土,水分和盐分可能以单固相、双固相以及三固相状态析出。研究结果可为深入认识盐渍土的相变规律及物理性质提供理论支撑。     

单向冻结时土颗粒位移的热筛效应及对流迁移

自然界中不同粒径上颗粒的随机组合造成土体中孔隙分布的随机性。土体冻结时，由于不同孔径中水分势能的差异，导致孔隙不冻结在时间上的有序性，即在相同温度下，粗大孔隙中水分首先冻结，然后逐渐向细小孔隙发展。水分冻结体积膨胀，从而引起粗颗粒土向上抬升，称为热筛效应。     

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。     

粗粒土冻胀性分类

本文讨论的粗粒土,包括碎石土及除粉砂以外的砂类土。粗粒土冻结时水分迁移的特点与细粒土有质的差异。砂土颗粒可以有吸着水但无薄膜水,当粉粘粒含量小于某数值时,砂土中不存在连续结合水膜,因此就不像细粒土那样产生薄膜水正向迁移(水分向冻结面迁移)。相反,由于上部土层孔隙中自由水冻结后体积膨胀,对下层土体内孔隙水产生超静水压力,在有水分排出条件时,使水分反向迁移,即水分离开冻结面。根据博任诺娃所进行的土冻胀试验发现:在冻结粘土中,愈接近冷锋面水分含量愈增加,冻结后试样上部含水量达80.9％,下部含水量只有36.8％,平均含水量为63.9％;相     

典型天然粗粒盐渍土盐胀微观机制分析

为研究经多次冻融循环后天然粗粒盐渍土的盐胀特性及盐胀机制,对取自甘肃河西走廊地区嘉安一级公路沿线的某天然料场的粗粒盐渍土进行了室内基本工程性质试验和大尺寸多次冻融循环盐胀模型试验,并对经过多次冻融循环试验以后的天然盐渍土进行水盐迁移及扫描电镜分析。试验结果表明,粗粒盐渍土在降温阶段土体产生盐胀后亦会出现下陷,最终土体溶陷量大于盐胀量,冻融循环次数的增加会使粗粒盐渍土大颗粒骨架塌陷破坏及一维土柱体从上而下表现出热筛效应;多次冻融循环后的水分盐分在粗粒土柱剖面中的迁移呈现出不完全对应的分布关系。     

饱和正冻土中的水、热、力场耦合模型

土体在冻结过程中 ,不论是融土区、过渡区 (指正在形成的分凝冰及冻结缘区 )还是冻土区所涉及的问题不仅是温度场、水分场问题 ,而且涉及到力学场问题 ,并且力学场对土体的变形过程 (冻胀、压密 )及分凝冰的形成起着重要的作用 .依据连续介质力学、热力学原理 ,提出了土体冻结过程中的三场耦合方程 .并指出 ,土体冻结过程中的体积变化与应力状态、补 -排水条件、冻结条件密切相关 ;体变包含弹性部分、孔隙水变化引起的固结或膨胀部分、相变引起的体变及冻土区粘塑变形部分 ;水分驱动力控制着水分迁移量 ,它是由土基质势、溶质势、冰基质势、孔隙水压力及重力势组成 ;冻结缘现象是由于该区各点处的水分驱动力与相变温度同时满足相变条件而形成 ,冻结缘区含冰量的多少取决于冷能供给情况 ;分凝冰的形成及发展是引起较大冻胀的主要来源 ;分凝冰的形成条件由温度场及力学场统一控制 .即温度要达到相平衡条件 ;孔隙水应力除用于抵抗土骨架有效应力外 ,还需克服土颗粒间的粘聚力     

土层结构对非饱和毛细水盐运移的影响

层状土层之间孔隙结构和水力学性质的不连续性对土体水盐运移有显著影响。基于现场调查,设计了两种不同粒径土层二元结构组合(黄土-砂质粉土和黄土-粉质黏土)的室内土柱试验,通过模型试验讨论了不同地下水补给条件下土层结构对毛细水分布和盐分累积的影响。试验结果表明:在毛细水补给条件下,黄土-砂质粉土构成的上细下粗型土层结构有利于毛细水盐运移,经过60 d蒸发后,其表层SO_4~(2-)含量是上粗下细型土柱的两倍。在无毛细水补给条件下,砂质粉土层中水盐向上迁移总量和迁移速率大于粉质黏土层,最终上细下粗型土柱中上覆土层各层位离子含量均大于上粗下细型土柱。研究结果为层状土区盐渍土病害的防治提供了试验参考。     

低温盐侵蚀环境下砂浆孔隙水相变特性研究北大核心CSCD

砂浆孔隙溶液水盐相变特性是研究其水-热-盐耦合模型以及水泥基材料损伤机理的关键理论基础。为探究河西走廊盐渍土地区砂浆孔隙溶液水、盐相变规律,首先利用差示扫描量热法测定水盐相变过程中热流、相变温度等热参数;其次基于热量守恒和水分质量平衡方程,初步实现水盐分离;然后分别计算不同温度下的冰、盐晶和未冻水含量,揭示了低温下砂浆孔隙溶液水盐相变机理;最后结合微观扫描和物质能谱图,明晰了砂浆内部劣化机制。研究结果表明:随着盐浓度增大,砂浆孔隙溶液冻结温度降低、相变时间延后、水盐相变顺序调换及未冻水含量向低温方向移动;相同盐浓度下,氯化钠对砂浆孔隙溶液冻结温度的降幅最大,混合盐次之,硫酸钠最小;砂浆在低温盐侵蚀下遭受物理化学耦合作用,其中氯化钠对砂浆破坏性最大,混合盐次之,硫酸钠劣化相对较轻。     

盐渍土水-热场耦合效应与盐胀变形试验

为了研究西北干旱地区盐渍土在自然气候条件下的水-热场变化特征与盐胀变形规律,在4.5 m深试验坑内埋设了若干套竖向变形观测设备、含水率和温度传感器,对坑内不同深度土层的温度场、水分场和盐胀变形随季节性变化状况进行了为期1 a的动态监测和分析研究。结果表明：0.6 m以上土层相较于其他土层对气候温度变化的响应更加积极、温差变化幅值也更大,且土层间的温差幅值随降温期的不断深入而增大;土体含水率变化主要受降水、蒸发和温度梯度的耦合影响, 0.4 m以上土层水分的变化幅度较其他土层而言更为显著,土层水分迁移沿深度方向表现出分带现象;盐胀变形主要受温度和水分迁移的影响,盐胀变形主要发生在距地表1.0 m土层深度内,主要发展时间在当年11月至次年2月之间。     

含水率单次递减条件下粗颗粒硫酸盐渍土盐胀的室内模拟试验

为探究粗颗粒硫酸盐渍土含水率单次递减条件下的盐胀特性,利用自主设计的多功能盐胀试验装置,开展了粗颗粒硫酸盐渍土盐胀率随4因素(孔隙比、含盐量、温度、初始含水率)变化规律的试验研究。试验结果表明,硫酸盐渍土的体积变化受两种效应的影响:含水率递减引起的干缩效应以及土体中硫酸钠相态变化引起的盐胀效应。含水率单次递减过程中硫酸盐渍土的失水速率与硫酸盐渍土的孔隙比、试样温度、初始含水率呈正相关关系;而与硫酸盐渍土的含盐量呈负相关关系。试验结果中部分试样的盐胀率达到了9%,这表明粗颗粒硫酸盐渍土在含水率单次递减条件下引发的盐胀不容忽略。其研究结果可为西北地区高含盐量的残余型硫酸盐渍土的盐胀性评价提供参考依据。     

硫酸钠盐渍土冻结温度计算模型构建及验证

土的冻结温度是使土体物理力学性质发生显著变化的关键温度,盐渍土中由于盐分存在使冻结温度的预测变得困难。本文提出了一种适用于硫酸盐渍土有盐分析出时的冻结温度计算模型,分别对硫酸钠自由溶液、硫酸钠盐渍土及石英砂的冻结温度变化规律展开了研究。首先,依据固液两相平衡时化学势的规律、冰晶表面曲率影响以及盐分结晶析出对溶液浓度的影响,构建了自由溶液、盐渍土及石英砂的冻结温度预测模型;然后,开展室内冻结试验得到了冻结温度测量值,通过计算测量值与计算值二者的均方根误差(RMSE)、显著性水平(α)及一致性系数(LA),验证了本文模型的精度与适用性。结果表明:土样中初始含水率越小,土样表面的毛细作用和吸附作用越强,使土样冻结温度越低。在土样孔隙中盐溶液有效浓度越大,冻结温度越小。由于盐分结晶的影响,有效浓度随盐浓度增大先增大后减小,然后保持不变。土样孔隙半径越小,冰晶表面曲率影响越大,冻结温度越低。该研究成果能为盐渍土盐冻胀变形及人工冻结中的温度参数分析提供一种新的方法。     

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。     

黏性土失水开裂多场耦合离散元数值模拟

黏性土在失水过程中逐渐变形开裂,裂隙相互交错形成网络,这一过程涉及水热力等多场耦合的作用。本文基于南京大学自主研发的三维离散元软件MatDEM,采用紧密堆积离散元模型对土体开裂进行模拟。在此模型中,每个离散元单元代表一定体积的土颗粒、孔隙和孔隙水的集合体。单元具有含水量属性,并采用有限差分思想计算水分运移量,实现了水分场模拟。同时,考虑水分场对土体抗拉强度等力学性质的影响,建立水分场和应力场的耦合。在数值模拟中,假定土体表面水分以一定速率蒸发,根据试验数据由含水量计算单元直径和力学参数,从而实现黏土蒸发失水、收缩和开裂变形过程模拟。数值模拟与前人室内试验结果基本一致,能较好地再现开裂过程中的各个阶段。本文为研究多场作用下土体变形破坏模拟提供了一个新的思路。     

基于分层核磁测试新技术的未冻水变化规律研究——以砂土冻融过程为例北大核心CSCD

土体冻融过程中的未冻水动态变化与冰-水相变过程密切相关,是冻融过程中非饱和土研究的重要基础。利用在线控温以及分层扫描的核磁共振新技术直观测试冻融过程中非饱和砂土的未冻水含量。结合T_(2)分布曲线(曲线上不同的T;值对应着孔隙水类别特性,曲线下方的面积对应试样水分含量)在冻融过程中的峰值大小和峰面积数据反演土体中含水量的大小与赋存的位置,而曲线的峰形态以及弛豫范围(各峰起始值以及终止值)等信息反演不同类型水分(吸附水与毛细水)以及土体结构的分布。在处理试验结果时,首先依据测试得到的冻结温度划分试样冻结区与未冻区。冻结区与未冻区未冻水含量及其孔隙变化差异明显,究其原因是冰水相变与水分迁移。在土样冻结区域冰水相变占主导地位,水分主要由未冻区向冻结锋面附近的e、f层迁移。首先以中大孔隙中毛细水迁移为主,其次以小孔隙中的吸附水迁移为辅。依据水相变成冰体积增大和孔隙体积占比数据分析可知,冻结区微小孔隙会在冻结过程中连通形成中大孔隙;而在未冻区水分迁移占主导地位。未冻区受固结作用中大孔隙压缩形成为小孔隙。试验过程中冻结锋面附近的e、f层孔隙变化最为剧烈。     

开放系统下硫酸钠盐对土体冻胀的影响

易溶盐在土中的存在及其在冻结过程中的重新分布对土体的冻结过程有重要影响.在开放系统单向冻结条件下,对青藏铁路沿线粉质红粘土进行了冻结试验.结果表明:随着冷能的持续传递,硫酸钠盐和水分向温度较低处迁移,土体0℃曲线持续降低;但基于测定的含盐土大量冻结温度的基础上,对土体冻深的研究发现,在开放单向冻结条件下土体冻深随着水盐迁移进程的发展而减小,造成与补蒸馏水的土体相比,土体的冻胀较小.同时,利用冻深发展曲线和硫酸钠水溶液相图及溶解度曲线,对土柱中的冻胀和盐胀分别进行了计算,结果认为:土体变形主要是由冻胀引起,硫酸钠结晶膨胀只发生在未冻土段,这与试验结束后对土体冻土段和未冻土段的干密度分层测定的试验结果相一致.