盐渍土冻结温度的试验研究

冻结温度是判别土体是否处于冻结状态的指标,在人工冻结和数值模拟计算中影响冻结壁的厚度和计算精度.通过采用不同土体添加不同的盐分,对不同含水量和含盐量土体进行盐渍土的冻结温度试验,考虑了不同因素对土体冻结温度的影响.实验表明：不论何种土含有何种离子,土体的冻结温度随含盐量的增加而降低,随含水量的增加而增大;土中易溶盐的含...     

含盐土导热系数的试验研究

室内试验表明, 含盐土的导热系数与其含盐成分(盐类)及含量有很大的关系. 同类土在含水量和干容重相同时, 在同一正温条件下粘土和砂土的导热系数是随氯化钠盐含量的增加而增大, 随硫酸钠盐含量的增加而减小; 在同一负温条件下, 无论何种土和含何种盐其导热系数均随含盐量的增加而减小, 含盐砂土和含硫酸钠盐土减小幅度显著. 硫酸钠盐土在含盐量相同时, 导热系数在负温区随温度升高而减小, 在正温区随温度升高而增大; 硫酸钠盐土在含盐量和温度相同时, 其导热系数随含水量的增加而增大.     

盐渍土与盐溶液冻结温度关系的试验研究

通过不同降温方式的冻结温度试验,明确了降温速率对土体冻结温度的影响,并采用快速降温方法,测定了不同含水率的三种天然氯（亚）盐渍土和黄土的冻结温度,以及不同浓度Na₂SO₄、NaCl溶液和由溶液配制的黄土的过冷温度和冻结温度,分析了降温速率、含水率、含盐量、盐类对土和溶液相变过程的影响。结果表明,快速降温得到的冻结温度值比缓慢降温得到的值偏低。当含水率低于盐渍土的塑限含水率时,水分是冻结温度的主要制约因素;当含水率大于土的塑限含水率时,天然盐渍土的含盐量对土的冻结温度起控制作用,Na₂SO₄含量控制含盐土的第一次相变,NaCl含量控制含盐土在低温下的第二次相变;低含盐量黄土含水率低于塑限含水率时,冻结温度随含水率增大而增大,但当含水率高于饱和含水率时,冻结温度随含水率变化不大。含Na₂SO₄的土和溶液的过冷温度变化规律与冻结温度变化规律类似,且其温度差值较小,通过Na₂SO₄溶液的冻结温度试验,可近似得到同浓度下含水率为16%只含Na₂SO₄黄土的冻结温度。     

盐分对土的冻结温度及未冻水含量的影响研究

利用测温法和核磁共振法测量了不同浓度典型盐溶液（NaCl、Na2CO3）饱和重塑粉土的冻结温度及冻结特征曲线，并与不同浓度的NaCl、Na2CO3纯溶液作对比分析，研究初始含盐量对冻结温度及未冻水含量的影响。结果表明：土样冻结温度随初始含盐量的增加而逐渐降低；相同浓度NaCl溶液饱和土样的冻结温度低于相应纯溶液的冻结温度，但相同浓度 （<0.6 mol/L）Na2CO3溶液饱和土样的冻结温度却比纯溶液的冻结温度高；同一负温下，土样中未冻水含量随NaCl初始含盐量的增加而增多，但随Na2CO3初始含盐量的变化不明显。通过机制分析，表明盐类型和含盐量对土水势具有不同的影响。基于改进的广义Clapeyron方程，将含盐分土冻结温度表达式引入未冻水含量预测模型，得到了能够考虑不同含盐量影响的土体未冻水含量的定量表达，并与实测数据进行对比，验证了该模型能够较为合理的预测不同温度下含盐土体的未冻水含量。     

海相沉积软土地区人工冻土强度特性试验研究

人工冻土的物理力学指标是地铁隧道工程冻结壁设计参数和开挖的依据。通过对宁波轨道交通一号线联络通道②～⑤海相沉积软土地层人工冻土的室内单轴抗压强度和抗剪强度试验,获得了冻结前后②～⑤土层的比热容、导热系数、内摩擦角和粘聚力的对比结果以及不同温度条件下冻土的极限抗压强度、弹性模量和泊松比结果。试验结果表明:②～⑤土层人工冻结土的物理力学指标较原状土有很大的提高,人工冻土极限抗压强度、弹性模量随温度的降低而增大,近似呈线性关系。各土层泊松比、温度的变化对冻土泊松比影响较小,随温度的降低有一定的减小。在-10℃条件下,冻结前淤泥质土、粘土层的内摩擦角和粘聚力有了大幅的提高,而③1砂土层的内摩擦角增幅较小。     

冻结水泥土无侧限抗压试验研究

城市地铁盾构进出洞及联络通道施工中常常采用水泥土预先加固辅以人工冻结法补充加固的施工工艺,为掌握冻结水泥土的力学性能及相关设计参数,开展了系列冻结水泥土无侧限抗压性能室内试验研究,研究结果表明:水泥土无侧限抗压强度随温度的降低、水泥掺入比的增加呈线性增大,随养护龄期的增加呈对数增大;水泥土的抗压强度和弹性模量随着温度的降低基本呈线性增大,在常温下随水泥掺入比呈线性增大,在-10℃下随水泥掺入比呈指数增大,并随着养护龄期的增加呈对数增大;温度、水泥掺入比和龄期三个因素中温度对水泥土抗压强度的影响最大;随水泥掺入比、龄期的增加,冻结水泥土与常温水泥土强度及弹性模量差异呈指数规律减小,最终趋于稳定比值.     

盐分对土的冻结温度及未冻水含量的影响研究

利用测温法和核磁共振法测量了不同浓度典型盐溶液（NaCl、Na_(2)CO_(3)）饱和重塑粉土的冻结温度及冻结特征曲线,并与不同浓度的NaCl、Na_(2)CO_(3)纯溶液作对比分析,研究初始含盐量对冻结温度及未冻水含量的影响。结果表明：土样冻结温度随初始含盐量的增加而逐渐降低;相同浓度NaCl溶液饱和土样的冻结温度低于相应纯溶液的冻结温度,但相同浓度（0.6 mol/L）Na_(2)CO_(3)溶液饱和土样的冻结温度却比纯溶液的冻结温度高;同一负温下,土样中未冻水含量随NaCl初始含盐量的增加而增多,但随Na_(2)CO_(3)初始含盐量的变化不明显。通过机理分析,表明盐类型和含盐量对土水势具有不同的影响。基于改进的广义Clapeyron方程,将含盐分土冻结温度表达式引入未冻水含量预测模型,得到了能够考虑不同含盐量影响的土体未冻水含量的定量表达,并与实测数据进行对比,验证了该模型能够较为合理地预测不同温度下含盐土体的未冻水含量。     

宁波地区人工冻土抗折特性研究

依托宁波地区甬舟铁路金塘海底隧道工程,针对隧道洞身范围的粉土和粉质黏土,在不同温度和不同含水率条件下进行冻土抗折强度试验,研究人工冻土抗折强度随温度和含水率变化的规律特征。结果表明：粉土和粉质黏土冻土抗折强度均随冻结温度的降低而增大,冻土抗折强度受冻结温度影响明显;不同含水率对粉土和粉质黏土抗折强度有一定影响,粉土试样在含水率为30%时,其抗折强度最大,粉质黏土试样在含水率为34%时,其抗折强度最大;当土层的含水率超过饱和最优含水率时,冻结土的抗折强度减小。试验结果可为金塘海底隧道冻结法设计和施工提供科学指导。     

氯化钠的掺入对冻土基本热学性质的影响

应用稳定态的比较法，测定了不同总含水量，不同土中溶液浓度的冻结兰州砂土、兰州黄土的导热系数，同时应用量法测定了土骨架和纯氯化钠在同一负温下的比热，并据此计算了土的导温系数。结果显示，在同一负温下各种土质的比热均随含盐量的增加而增大，兰州砂土的导热系数和导温系数随含盐量的增大而降低，而兰州黄土的这两个参数随含盐量从零开始增加，首先增大，在土中溶液切浓度约为５％时，达到最大值，接着逐渐减小。     

粉质粘土的冻胀特性研究

利用冻胀试验装置,对京包、包兰线上冻害频发地段的粉质粘土进行了开敞系统中的一维冻胀试验,分析了不同环境冻结温度下土样冻结和冻胀的全过程。试验结果表明:(1)粉质粘土属冻胀敏感性土,土质加上外界水分的补给是该地区出现冻害的主要原因;(2)环境冻结温度直接影响土样的冻结过程进而对冻胀量产生影响,土样的冻结深度随环境冻结温度的降低而增加,开敞系统中土样的冻胀量随环境冻结温度的降低而减小;(3)土样的冻胀率和冻结速率之间成反比关系,冻结速率非常小的情况下,冻结深度几乎不再增加,但土冻胀率较大。     

Study on the freezing temperature of saline soil

Freezing temperature is an important parameter in studying the freezing mechanism of saline soil. An equation for calculating the freezing temperature is proposed based on the phase transition theory in porous medium, including two main influencing factors, the water activity and pore size. In this equation, the effect of the water activity on the freezing temperature of soil is calculated by Pitzer model, while the impact of pore size is replaced by water content. Through comparing the calculated results with the published experimental data, the equation is proved to be competent in predicting the freezing temperature for the saline soil with sodium chloride or calcium chloride. For the saline soil with sodium carbonate, the effect of salt hydrate crystallization should be taken into consideration. With respect to the saline soil with sodium sulfate, it is difficult to determine the freezing temperature, since there is uncertainty of the resultant when freezing (that is, heptahydrate or decahydrate). In addition, the effects of pore size and multi-component solutes on freezing temperature are also discussed. The study would be helpful for revealing the freezing mechanism and also providing a useful theoretical method for engineering design of saline soil in cold regions.     

青藏高原季节冻土区土壤冻融过程水热耦合特征

青藏高原被誉为“中华水塔”, 其广泛分布的多年冻土和季节冻土在保证我国水资源安全上具有重要的地位。基于2015年7月 - 2016年6月青海海北站季节冻土的水热监测数据（土壤含水量为未冻水含量）, 分析了冻结深度的季节变化和冻融过程水热运移特征。结果表明： 各土层土壤温度与土壤水分含量变化均表现为“U”型。土壤温度变化规律与日平均气温基本一致, 但滞后于日平均气温的变化, 滞后时间取决于土层深度。与多年冻土冻融规律不同, 海北站季节冻土表现为单向冻结、 双向融化特征, 冻融过程大致可划分为三个阶段： 冻结初期、 冻结稳定期和融化期。同时, 季节冻土消融速率大于冻结速率, 且融化过程中以浅层土壤融化为主。在冻结过程中, 土壤水分沿上、 下两个方向分别向冻结锋面迁移, 各土层土壤含水量迅速下降。而在融化过程中, 各土层土壤含水量逐渐增加, 且在浅层土壤形成一个土壤水分的高值区。土壤冻融过程中未冻水含量与各土层土壤温度具有较好的相关关系, 且浅层土壤拟合效果优于深层土壤。本研究对揭示高原关键水文过程以及寒区水热耦合模型构建具有重要意义。     

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。     

细粒硫酸钠盐渍土盐冻胀特性试验研究

为探究温度与硫酸钠含量对细粒硫酸钠盐渍土盐冻胀率及盐胀占比的影响,取兰州黄土作为素土人工配盐,用平衡公式进行理论推导,并设计了室内试验对其进行验证。结果表明：当压实度为92%、含水率为最优含水率16.8%时,随着含盐量的升高,细粒硫酸钠盐渍土的冻结温度随硫酸钠含量的增大而降低,且随着温度的降低,盐胀率的变化趋势与盐冻胀率基本一致。在冻结温度以下至-5 ℃盐胀发展速度最快,在-5 ℃以下盐胀率增长很小;在压实度为92%、含水率为最优含水率16.8%条件下,在硫酸钠含量不变时,温度越低,盐胀占比越大;温度不变时,硫酸钠含量越高,盐胀占比越大,在冻结温度以上盐胀占比为100%,但当温度降至-3~-4 ℃时盐胀占比降到50%,在-10 ℃以下盐胀占比基本保持不变。     

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。     

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...     

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。     

砾石地层冻土热物理特性研究

地铁建设中时有穿越富含砾石的地层,需使用冻结法施工,而砾石地层的热物理性质是冻结法设计的重要依据。为研究人工冻结砾石土热物理特性,通过自制试验仪器,开展了砾石土冻结温度、导热系数和容积热容量测定方法及其特性研究,并与黏土、粉土等典型土层进行对比分析。结果表明:砾石土冻结温度曲线变化符合常规变化规律,且冻结温度为-0.21 ℃,高于黏土、粉土等;砾石土容积热容量与黏土、粉土等相近,随颗粒粒径增大,常温和冻结状态下土体容积热容量比值减小,其中砾石土的比值为1.19;砾石土导热系数较大,冻结状态下达3.89 W/(m·k),是常温状态下的1.65倍,符合颗粒粒径对导热系数的影响规律。砾石土导热系数可按各组成物质的导热系数及其相应的体积比推算。