寒旱区土壤盐渍土水盐迁移机理研究进展

我国西北大量的寒旱区广泛分布着盐渍土,其受季节性影响,盐渍土冻胀融对该地区房屋建筑、道路交通和农业生产等均有影响.为有效解决土壤的盐胀冻胀问题,需深入研究变化环境条件下水盐运移的机理.盐渍土中水盐分迁移的四大基本要素有未冻水含量、温度、土水势和盐分,介绍了4种国内外常见冻土水盐迁移模型并对基于盐渍土水盐迁移机理研究现状...     

温度梯度作用下非饱和盐渍土水盐迁移及变形特性研究

基于多孔介质理论以及连续介质力学原理,建立了温度梯度作用下非饱和盐渍土水-热-盐-力多场全耦合数学模型。该模型从固、液、气三相系统的质量、能量和动量三大守恒定律出发,考虑孔隙率演化、水体渗流、气体传输、盐分解吸-吸附效应、固体颗粒和孔隙流体可压缩性等因素的影响,更为准确地描述了非饱和盐渍土热质传输过程及其变形特性。此外,通过选取孔隙率、孔隙水压力、孔隙气压力、温度、含盐量和位移等基本未知量,并利用Comsol Multiphysics多物理场仿真软件对上述多场耦合过程进行了数值模拟。通过室内试验的实测结果对数学模型及模拟结果加以验证。结果表明,该模型可以较好地揭示非饱和盐渍土在温度梯度作用下的水、盐迁移机制和变形机制。同时,数值分析过程也进一步深化了对盐渍土水盐迁移及其变形特性的认识。对盐分吸附作用的研究也为进一步研究盐渍土的盐胀作用提供了理论准备。     

氯盐粉质黏土冻结过程中变形特性及其机制研究

近海和海底粉质黏土受海水浸渍形成氯盐土,为研究氯盐粉质黏土冻胀变形特性,揭示其冻胀变形机制,通过开放系统单向冻结试验监测冻结过程中不同氯盐含量土体冻胀变形及水盐迁移规律;开展核磁共振试验获得冻结过程中孔径分布,探讨微观结构变化与宏观冻胀变形内在联系。单向冻结试验结果表明：含盐量对冻结锋面发展、水盐迁移以及冻胀均有显著影响;冻结锋面先快速发展后趋于稳定,含盐量越低冻结锋面稳定位置距离冷端越远。土水势梯度是水盐迁移的驱动力,含盐量越低土水势梯度越大,引起的水盐迁移越明显。冻胀随含盐量增加而减小,补水引起冻胀占总冻胀的主要部分。冻结结束时的冻胀率随含盐量增加表现为先降低后增加,存在一个临界含盐量,即1%含盐量的冻胀率最低。核磁共振试验表明：试样中的孔隙主要由中孔隙组成,冻结过程中中孔隙向大孔隙和小孔隙转化,含盐量越低孔隙体积转化比例越大。这是由于低含盐量土中发生更多冰水相变,微观孔隙结构改变更为明显,产生冻胀也更为显著。     

盐渍土冻结过程中的特征温度研究

盐渍土在降温冻结过程中出现过冷温度和冻结温度两种特征温度,分别表示在降温过程中孔隙溶液中晶核形成和孔隙溶液与冰晶共存时的临界温度,对判断土体的冻结状态有着重要的意义.首先,通过不同含盐量的土体冻结试验,得到了相应的过冷温度和冻结温度;然后,基于热力学与经典成核理论给出了盐渍土冻结过程中的两种特征温度的理论计算模型,并与...     

盐渍土冻结过程中的特征温度研究

盐渍土在降温冻结过程中出现过冷温度和冻结温度两种特征温度,分别表示在降温过程中孔隙溶液中晶核形成和孔隙溶液与冰晶共存时的临界温度,对判断土体的冻结状态有着重要的意义。首先,通过不同含盐量的土体冻结试验,得到了相应的过冷温度和冻结温度;然后,基于热力学与经典成核理论给出了盐渍土冻结过程中的两种特征温度的理论计算模型,并与试验结果进行对比,验证了该模型的有效性;最后,分析了盐渍土特征温度的影响因素,重点考察了孔隙溶液中结晶盐析出对冻结温度和过冷温度的影响。结果表明,提出的模型可以实现对盐渍土冻结特征温度的有效预测。通过冻结特征温度随含盐量的关系曲线,可以得到结晶盐析出时的含盐量。冻结时孔隙溶液的浓度与冻结温度存在负相关关系,结晶盐的析出引起冻结时孔隙溶液浓度下降,从而使冻结温度升高。而结晶盐析出导致孔隙溶液浓度降低和土颗粒与冰晶接触角减小的双重影响,是盐渍土过冷温度的升高的原因。     

氯盐渍土的失水变形机理研究

由于盐渍土具有特殊的四相组成使得其表现出不同于一般土的工程性质。采用室内收缩变形试验,研究了氯盐渍土的失水变形与含水率w、干密度ρd及含盐量C之间的关系。研究发现:氯盐渍土失水变形分为三种类型,即收缩型、膨胀型、先缩后胀型;氯盐渍土失水收缩与膨胀的界限含盐量为2%;对于膨胀型变形的氯盐渍土初始含水率不同,起胀含水率也不相同。所得结论对于进一步研究氯盐渍土性质、指导盐田地建设有所裨益。     

冻结盐渍土三轴剪切试验过程中的损伤及压融分析

三轴剪切过程中损伤及压融等力学性质对冻结盐渍土的强度及变形影响显著。通过对-15℃德令哈含盐砂土进行一系列的三轴剪切循环试验及CT扫描试验,分析冻结盐渍土在三轴试验过程中的损伤演化以及压融量变化规律。研究发现,在三轴剪切中损伤变量随静水压力的变化而改变,在本文条件下当静水压力在1~12 MPa之间时,损伤变量随围压的增加而增加,当静水压力超过12 MPa时,损伤变量反而呈现减小趋势。同时,定义压融阈值p_s以及压融量达到最大值时对应的静水压力值p_m,研究表明:当静水压力小于p_s时,试样内部几乎不存在压融现象;当静水压力大于p_s且小于p_m时试验内部的压融量可用二次函数描述;当静水压力超过p_m时,试样中的压融量达到最大值λ_m,且压融极值点与损伤变量极值点对应的静水压力值基本一致。     

察尔汗地区盐渍土水热状态变化特征与水盐迁移规律研究

为提高察尔汗盐湖区高氯盐含量盐渍土工程的稳定性,对该地区多年水热和蒸发量变化情况进行分析,在寒季进行气温、地温和现场土体不同深度位置含水率和含盐量试验和研究。由试验结果总结出该地区寒季月平均气温和地温温差变化特征,昼夜地温温差变化特征,月平均地温时程变化与传递变化特征,以及推导表征了温度随时间和深度热传递速率的变化特征回归方程。最后分析了热效应是造成土体中水盐迁移的主导因素,寒季土体热效应作用随深度的下降而减弱,在土体的地表和地表下1.0～2.5 m范围内出现两个盐分聚集区,在今后的盐渍土工程设计和施工中应得到重视。     

盐渍土在蒸发过程中的水盐相变行为研究

伴随蒸发过程,盐渍土孔隙内的溶液会产生汽化及结晶现象,且两种不同的相变间存在相互依赖性。为了揭示蒸发过程中的水盐相变特性,对盐渍土在蒸发过程中的汽化和盐结晶行为进行了理论和试验研究。首先,从热力学理论出发,通过考虑相间化学势平衡和Young-Laplace方程给出了起始结晶半径的理论表达,并分析了起始结晶半径与温度和相对湿度的关系。结合Van Genuchten土水特征曲线模型,建立了孔隙溶液浓度在不同状态下盐的溶解-结晶模型,并分析了温度和初始含盐量对盐结晶行为的影响规律。最后,通过开展控制温度和初始含盐量的蒸发试验结果对理论模型进行了验证。结果表明：环境湿度降低的过程中,土体温度以及初始含盐量对孔隙溶液中的水分和盐分相变有着显著的影响,土体温度越高,孔隙溶液中水分蒸发越快,液相最终饱和度越低;随着初始含盐量的增加,液相最终饱和度下降,盐晶体体积比增加。初始含盐量还会改变盐的盐析湿度,并且盐晶体的产生会抑制水分的蒸发。     

盐渍土中毛细水上升高度研究

通过盐渍土中毛细水上升高度的理论分析,选取不同土质、不同密实度、不同含水量的盐渍土,在设定边界系统中进行试验研究。试验结果表明:多重因素影响毛细水高度及速率,毛细水引起盐分的迁移。     

富水细砂单向冻结超声波时频特性研究

为了掌握富水细砂单向冻结超声波时频参数响应特征,利用NM–4A型非金属声波检测仪,对单向冻结条件下不同冻结锋面位置的富水细砂进行超声波纵波透射试验。利用小波分解、傅里叶变换及连续小波分析等方法,分析局部冻土的声波波形、频谱等参数变化规律。结果表明:(1)由下至上单向冻结的富水细砂土受水分迁移的影响形成3个声阻抗区域:下部冻结富水区、中部冻结水分降低区和未冻水分降低区,单向冻结过程中接收波时频特征一直受到未冻水分降低区散射衰减作用的影响;(2)随着冻结锋面高度增加,局部冻结冻土接收波波形周期数目逐渐增多,但散射衰减作用相比于恒温冻结冻土仍较明显;(3)单向冻结细砂土纵波波速随着冻结锋面高度提升而增加,二者满足三次函数关系,相关性很好;(4)随着冻结锋面高度增加,频谱特征发生变化,最终频谱出现多峰,主频难分辨,频带宽,高频部分所占比例与低频部分基本相同的现象,由此发现单向冻结后期频谱内不同峰值可表征试件内部已出现的特定声阻抗区主频;(5)随着冻结锋面高度增加,冻土散射衰减逐渐减小,尾波由较发育转变为不发育;(6)利用连续小波分析方法可以分析出试件的历史冻结模式:单向冻结冻土主频值位置偏向于...     

阿拉尔市区道路盐胀-冻胀变形破坏机理研究

阿拉尔市地处季节性冻土灾害区和严重盐胀灾害区。城市道路在建成后就遭受了严重的盐胀-冻胀变形破坏。本文通过对严重变形破坏路段的路基土与道路两侧绿化带土体的含盐量进行对比检测试验,试验分析认为阿拉尔市区道路的变形类型属于盐胀-冻胀变形。对其盐胀-冻胀变形破坏的原因与机理进行分析研究,提出要解决阿拉尔市道路盐胀-冻胀变形问题,需要在控制路基盐分、含盐量的基础上,必须要考虑地表水及地下水对路基盐胀-冻胀的影响。     

典型天然盐渍土多次冻融循环盐胀试验研究

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。从土的类别角度研究了天然盐渍土的盐胀规律。试验结果表明:低液限粘土前五次冻融循环过程中盐胀具有较好累加性,随着冻融循环次数的增加,盐胀量增长速度逐渐降低;含砂低液限粘土的盐胀过程可以被分为三个阶段;粘土质砂在冻融循环过程中的变形主要为冻胀和沉降变形,具有较好的溶陷累加性;低液限粘土、含砂低液限粘土的盐胀率和粘土质砂的溶陷率与冻融周期之间的关系符合二次抛物线变化规律。     

硫酸钠溶液和硫酸钠盐渍土的冻结温度及盐晶析出试验研究

为了探索硫酸钠盐渍土的盐胀与冻胀机理,对硫酸钠溶液分别在环境温度-20℃和变环境温度-5℃～-10℃下进行降温试验;并对硫酸钠盐渍土在环境温度-20℃下进行降温试验,通过试验研究了硫酸钠溶液和硫酸钠盐渍土中芒硝的析出规律及各自的冻结温度。试验表明：在相同外界环境温度下,浓度大的溶液,芒硝更容易析出;具备一定浓度的溶液,在环境温度变化缓慢条件下更容易析出但溶液的冻结温度的趋势一致;相同浓度硫酸钠盐渍土的冻结温度均低于硫酸钠溶液的冻结温度,随着含盐量增加,其冻结温度降低;在相同外界环境温度下,盐晶在土体中更容易析出。     

饱和正冻土中水热迁移的热力学模型(英文)

应用连续介质的混合物理论研究了饱和正冻土中的水热迁移问题。主要结果有：①提出了正冻土中层冰形成的一个判别法则；②将水热迁移问题化为含可动边界的非线性Ｂｕｒｇｅｒｓ方程，为研究冻土水热迁移的非线性效应提供了一个理论上的出发点。     

冻融循环作用下含盐量对Na_2SO_4土体变形特性影响的试验研究

冻融循环作用下,土体孔隙溶液中的盐分不断结晶与溶解,水分不断冻结与融化,使得含盐土体的变形不断变化。以青藏高原粉质黏土为研究对象,对洗盐后的素土分别加入质量分数为0%,1%,2%,3%的Na_2SO_4盐,研究了封闭系统下Na_2SO_4盐渍土在冻融循环作用下的变形规律。结果表明,在冻融循环过程中,不含盐土体和较低含盐量的土体表现出明显的冻胀融沉现象,且土体的融沉大于其的冻胀。而较高含盐量的土体在冻结过程中,土体的冻—盐胀作用显著,融沉现象却不再明显,甚至消失。利用多孔介质力学的方法,探讨了Na_2SO_4盐渍土在冻融循环作用下土体的变形规律,得出土体的变形由冰水/盐分相变、热胀冷缩、相变过程中的密度变化等引起的变形综合而成。结合Na_2SO_4溶液的性质,还分析了Na_2SO_4的结晶机理,从而为进一步研究盐渍化冻土中的变形机理提供一些参考。     

冻融过程中未冻水含量及冻结温度的试验研究

 土体冻融过程中的未冻水含量是控制水分迁移及冻胀融沉的关键因素,而冻结温度是判断土体是否处于冻结状态的重要指标。基于频域反射法(FDR),测定不同初始体积含水率条件下青藏高原粉质黏土,冻融过程中的体积未冻水含量及温度变化,分析引起体积未冻水含量及冻结温度产生差异的主要原因。试验结果表明：初始含水率较高的土体,冻结过程中出现了很明显的过冷现象以及温度和体积未冻水含量的突变,而初始含水率较低的土体,这种现象并不明显。初始含水率较大的土体冻结先于初始含水率较小的土体,并且对温度突变的敏感性大于初始含水率较小的土体。对冻融过程体积未冻水含量的滞后分析发现,体积未冻水滞后度?θ和温度滞后度?T均是先增大后减小,体积未冻水滞后度?θ的峰值发生在相变区附近,其峰值随着初始含水率的增大而增大。当初始含水率等于或高于液限含水率时,含水率对冻结温度影响不大;当初始含水率低于液限含水率时,冻结温度随含水率减小而降低。