降温过程中含盐土孔隙溶液相变规律研究

降温过程中,盐渍土中孔隙溶液的相变过程直接影响着土体的物理力学性质。以大同盆地的盐渍土为研究对象,研究了不同类型盐渍土的孔隙溶液在降温过程中的相变过程。结果表明NaCl可以显著降低土体的冻结温度,NaCl盐渍土的冻结温度与溶液的冻结温度相比有一定的偏差,且随含盐量的增加,这种偏差逐渐增大。当浓度超过二次相变点浓度后,土体的冻结温度保持不变,冻结温度的偏差达到最大。NaCl盐渍土二次相变温度受冰结晶量的影响显著,冰晶含量越多,二次相变的温度越低。Na_2SO_4和Na_2CO_3对冻结温度的影响较小,当浓度低于二次相变点的浓度时,土体的冻结温度主要受盐分浓度的影响;若浓度高于二次相变浓度,盐分结晶量使得土体二次相变的温度进一步降低。受孔隙半径的影响,土体孔隙溶液中盐分的溶解度比一般溶液中的更高。通过比较相图与试验结果,发现土体的相变规律和溶液的相变规律有一定的相似性,盐渍土孔隙溶液二次相变过程为盐晶体和冰晶体共同生成的过程。在较高含盐量的情况下,Na_2SO_4盐渍土和Na_2CO_3盐渍土的冻结温度点实际上是土体的二次相变点的温度。     

单向冻结过程中NaCl盐渍土水盐运移及变形机理研究

冻结过程中的水盐迁移机理一直是冻土学研究的热点。通过单向冻结试验,研究了冻结过程中的水盐运移过程及土体变形。研究表明,在土体初始含盐量为0.8%的条件下,土体的冻胀变形显著减小,盐分的存在强烈影响着冻结缘处水分的集聚,盐对土体的冻胀具有抑制作用。在补给不同浓度NaCl溶液的条件下,土体初期的冻胀变形规律一致,随着盐分在冻结锋面处的累积,土体在后续冻结过程中水分迁移动力不足,从而使得土体冻胀过程中冻胀明显减小。基于溶液的性质并考虑盐分对土体冻结温度和未冻水含量的影响,建立了冻结过程中NaCl盐渍土水盐迁移规律及变形的计算模型,计算结果显示,计算模型能够很好地反映含盐土体在冻结过程中的温度、水分、盐分及变形的规律,从而为深入了解盐渍土在冻结过程中的变形机理提供理论参考。     

冻融和干湿循环下盐渍土水盐迁移规律研究

通过单向冻结试验研究盐分在土体冻结过程中对水分重分布与变形的影响,并结合模型试验分析冻融、蒸发、辐射和降水过程中的水盐迁移规律。研究表明:盐分的存在会减弱土体在冻结过程中的水分迁移,进而抑制土体的冻胀变形。Na Cl盐渍土在冻结过程中只有冰晶产生,土体只发生冻胀变形。而2 4Na SO对温度极其敏感,降温过程中会产生冰晶体和盐晶体,土体发生冻胀和盐胀两种变形。硫酸钠的结晶还会降低土体导水系数,进而减弱土体的水分迁移。在高含盐量的2 4Na SO盐渍土(3.6%)冻结过程中,土体的分凝冻胀现象消失,只有冻结初期的原位盐胀和冻胀。模型试验表明2 4Na SO含量为2%的盐渍土冻融过程中,水盐迁移同样微弱。蒸发条件使得盐分向表面集聚,降水条件使得表层盐分向下迁移。干湿循环是土体发生盐胀破坏的主要原因,其远比冻结过程中的盐分迁移来的剧烈。盐胀发生在土体表面,而冻胀破坏主要在冻结锋面。基于以上试验,探讨了盐渍土在冻结过程中的水盐迁移过程以及盐胀和冻胀的成因。     

硫酸钠溶液在降温结晶过程中的盐胀与冻胀

在降温过程中,硫酸钠溶液溶解度降低,硫酸钠结晶析出。当温度降低到一定温度时,除硫酸钠结晶外,溶液中的水也结晶析出。溶液在孔隙中的结晶是导致孔隙介质变形与破坏的主要原因。为探明孔隙介质中溶液结晶导致孔隙介质变形与破坏机理,构建了Na_2SO_4+H_2O二元体系在降温结晶过程中的体积变化率计算方法。该方法依据Na_2SO_4+H_2O二元体系中各相态的平衡浓度计算各相态在不同温度下的含量,进而根据该温度条件下溶液及晶体体积计算体系的体积变化。计算结果与前人试验结果比较发现,计算方法能很好地预测Na_2SO_4+H_2O二元体系在平衡态转化过程中盐胀与冻胀量。此外,在降温冻结过程中,盐胀率远远小于冻胀率;当晶体为Na_2SO_4·7H_2O时,盐胀阶段的体积增长率较小,而冻胀阶段体积急剧增长。     

路用砂类盐渍土盐胀及融陷特性试验研究

砂类硫酸盐及亚硫酸盐渍土广泛分布于中国西部地区,研究其作为路堤填料的可用性,可充分利用当地资源和节约建设资金。以路基填筑标准及合理的防排水设施为前提条件,基于5 mm筛法配制盐分,研究了不同含盐量水平下砂类盐渍土的盐胀变化特点和在冻融循环作用下砂类盐渍土体的融陷特性,试验结果表明:砂类亚硫酸盐渍土比砂类硫酸盐渍土的盐胀起胀温度和敏感温度区间低约5℃;对于4砂类硫酸盐渍土,含盐量不大于1%时,盐胀率小于1.5%;对于砂类亚硫酸盐渍土,含盐量小于2.3%~2.5%时,盐胀率小于1%;在冻融循环作用下,砂类亚硫酸盐渍土具有较强的融(溶)陷特性;路面容许变形量取2 cm,下路堤填筑厚度为2.0 m时,砂类硫酸盐渍土的含盐量极限值为1.0%,砂类亚硫酸盐渍土的含盐量极限值为2.3%。     

软弱地层联络通道冻结法施工温度及位移场全程实测研究

研究软弱地层联络通道冻结法施工的冻结温度场、解冻温度场、冻胀融沉发展规律,是解决其冻胀及工后融沉预测与控制的前提。以软土隧道联络通道冻结法工程为背景,对冻结温度场、解冻温度场、地表变形、深层土体冻胀融沉及温度变化规律等进行了全程实测,对冻结壁的形成及解冻全过程进行了分析。结果表明:冻结过程温度变化规律可分为温度快速下降、降温减慢、降温速度加快、土体温度稳定、维护冻结等5个阶段。解冻期间,土体温度经历快速回升、0℃附近稳定、温度持续回升3个阶段。冻结圆柱交圈是产生迅速冻胀的临界时间点,冻胀主要发生在冻结18~45 d;联络通道解冻15 d,部分土体温度达到0℃附近,冻土进入相变阶段,因此应在15 d后开始融沉跟踪注浆;入土深度越大土体相变阶段持续时间越长,粉土融沉主要发生在解冻前2个月,其完全解冻需要100 d左右,此为跟踪注浆至少应持续时间。深部土体温度、冻胀融沉位移均随深度增大呈线性递增。实测拱顶冻结壁处最大冻胀及融沉位移分别是对应地表冻胀、融沉量的3.6倍、4.9倍。地表冻胀融沉槽为联络通道中线两侧符合拟正态分布规律,其影响范围约为隧道底部埋深的1.2倍。     

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。     

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及存在的问题进行分析,展望了新形势下盐渍土水盐迁移的发展趋势,旨在为今后土体水盐迁移模型研究提供新的思路.     

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。     

硫酸盐渍土未相变含水率与温度关系研究

以硫酸盐渍土为研究对象,从理论上建立了冻结温度以上未相变含水率与温度的关系,并通过室内试验测试了硫酸盐土体及对应溶液中盐晶体初始析出温度和硫酸盐渍土未相变含水率在不同温度环境下的变化。从土体降温温度曲线、不同温度下核磁共振信号强度分析了温度对未相变含水率的影响。研究结果表明:在特定降温速率下,十水硫酸钠晶体析出存在滞后性,初始析出温度均低于其饱和浓度所对应的温度,并随着初始含盐量的减小,初始析出温度大幅度降低,且与土体比较,溶液中盐晶体易于析出;土体中十水硫酸钠晶体的析出造成含水率的减小明显大于溶液中晶体的析出引起的减小,且随着温度递降,未相变含水率递减;冻结温度以下,高含盐量的硫酸盐渍土未冻含水率与温度呈指数规律减小,-10℃以下,其含水率不再变化。对于低含盐量硫酸盐渍土,冻结温度以下其未冻含水率随温度降低同样按指数规律减小,且随着含盐量的增加,土体的含水率有所增加。     

多次冻融条件下土体的融沉性质研究

以青藏铁路那曲物流中心站场路基填料为研究对象,通过室内试验深入研究和分析了压实度、荷载以及冻融次数对土体融沉性质的影响规律。研究结果表明：第1次冻融过程中压实度大的试样的冻胀融沉量小,而经历多次冻融后压实度大的试样的冻胀融沉量则变大;多次冻融后较大压实度的试样表现为隆起变形,而较小压实度的试样则表现为压密变形,即不同压实度试样在经历多次冻融后压实度趋于某一定值;存在一临界压实度值,该值下多次冻融后试样高度不发生变化;荷载的压密作用在抑制冻胀变形的同时也加剧了试样的融沉变形,总体变形量随荷载的施加和增大而增大;补水条件下多次冻融后试样的含水率远远大于初始含水率,因此应做好防排水措施;外界水源补给量随冻融次数的增加而减小,并在经历3次冻融后达到稳定,且冻结过程中的补水量远远大于融化过程中的补水量;融沉系数随冻融次数的增加先增大而后减小并在经历5次冻融后趋于稳定,因此可将5次冻融后的融沉系数作为评价土体融沉性质的指标。     

冻融循环下隧道非冻土段底部融沉变形规律

为研究寒区隧道非冻土段在冻融循环条件下的底部融沉规律以及洞内不同的气温对隧道底部融沉变形的影响.利用温度场解析解确定非冻土段范围,采用有限元进行建模计算.计算结果显示:在冷空气作用下,原来处于非冻结状态的围岩开始发生冻结,并产生向上的冻胀位移,表层围岩的冻融位移最大,初期最大冻胀位移可达8 mm,随着洞内气温的周期性变...     

粗粒盐渍土区既有高铁路基变形特性试验研究

为了探究某既有高速铁路路基变形特性,对路基填料进行了基础物理化学试验,得到了颗粒级配、最大干密度、最佳含水率和易溶盐含量等基本工程性质,然后选取典型标段路基填料,分别开展室内单次降温盐胀试验、溶陷试验、冻融循环试验和现场大型溶陷试验。结果表明:该段路基土体在单次降温试验中的最大盐胀率为0.96%,最大盐胀变形量与土样不均匀系数之间存在线性关系,土样最终盐胀量在很大程度上取决于土样级配和硫酸根离子含量; 在最不利工况下土样的最大溶陷系数为0.012,K87+950标段土样最终溶陷量最大,为5.67 mm,最大变形率为4.7%; K87+950标段路基变形量随温度变化呈现V形下降趋势,在第5次冻融循环周期相对融沉量达到最大,7次冻融循环后硫酸根离子沿土样高度呈现M形分布; 土样顶部接近制冷头部位的含水率明显增加,底部含水率减少,20～40 cm高度范围内土样含水率无明显变化,距土样顶部15～30 cm层位范围盐胀变形量最大; 由现场溶陷试验可知,注水量达到30 mm时,K31+000试验点路基溶陷量可达到最终溶陷量的80%,极端降雨不会引起该既有路基发生较大溶陷变形。     

低温冻融条件下岩体温度–渗流–应力–损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用

 寒区隧道的围岩冻胀问题涉及到岩体温度场、渗流场、应力场以及冻融损伤相互作用的多场耦合问题。在THDM耦合机制分析基础上,基于连续介质力学、热力学、渗流力学、损伤力学以及分凝势理论,建立低温冻融条件下岩体THMD耦合模型。该模型不仅考虑体积应变对岩体温度场和渗流场的影响,温度梯度和渗透压力对岩体应力场的影响,还根据寒区工程实际,考虑冻胀压力和冻融循环对岩体劣化损伤的影响。数值仿真某寒区管道工程的冻胀过程,与现场的实测结果对比表明：该模型能很好地反映岩土体由于负温所产生的冻胀现象。在此基础上,分析极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力的变化规律,并对隧道在经历不同冻融循环次数后的变形和受力特征进行探讨。研究结果表明：极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩的最大冻胀力达到1.6 MPa,冻融循环对隧道衬砌受力影响较大。     

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。     

冻融循环对固化盐渍土的抗压强度与变形的影响

 北方地区冬季结冰与春季融化引起土的冻胀和融沉问题,弱化了土的抗压性能。以研究冻融循环对固化盐渍土抗压性能的影响为目的,完成冻融前后盐渍土、石灰固化盐渍土、石灰+SH固化盐渍土的抗压试验。结果表明：盐渍土、石灰固化土和石灰+SH固化土的抗压强度随冻融次数的增加而减小,石灰+SH固化土的抗压强度均高于另2种土;冻融前后石灰固化土和石灰+SH固化土均为应变软化型,盐渍土则由应变软化型转变为应变硬化型。冻融循环次数相同时,石灰+SH固化土的抗压强度随含水率的增加而减小,其应力–应变曲线逐渐趋于平缓,土的脆性减弱。石灰+SH固化土具有相对较好的抗冻融性能,含水率是影响冻融后土的抗压性能的首要因素。     

冻融作用对黄土湿陷性的影响

为分析冻融作用对黄土湿陷性的影响,采用室内试验方法。首先,以Q₃黄土为研究对象,采用增(减)湿法配制不同含水量黄土试样,测试黄土在无水补给条件下受温度影响的冻融变形、压缩变形、湿陷变形;对原状黄土进行颗粒分析及基本物理力学参数试验。试验结果表明:黄土是否产生冻胀取决于其含水量是否超过“临界冻胀含水量”。冻融黄土与原状黄土相比压缩变形量较大,把部分浸水湿陷变形转化为压缩变形,冻融作用使黄土的湿陷性弱化。冷冻黄土在相同温度下,含水量越大,湿陷系数越小;在同一含水量下,冻结温度愈低湿陷系数愈小。     

冻融及细粒含量对粗粒土力学性质影响的试验研究

以粗粒土填料在冻土地区铁路路基中的应用和推广为研究背景,针对冻融作用及细粒含量对粗粒土填筑路基稳定性的影响,通过室内三轴试验深入研究和分析了冻融次数、细粒含量以及围压对粗粒土试样强度特性的影响规律。研究结果表明,随着细粒含量的增加,粗粒土的应力应变曲线由冻融前的应变软化现象过渡到冻融后的应变硬化现象;同时,随着细粒含量的增加,未经历冻融时,细粒土的黏结性有效地提高了粗粒土的剪切强度,而经历冻融后,细粒土的冻胀性反而削弱了粗粒土的剪切强度;粗粒土的剪切强度和抗剪强度指标随冻融次数的增加而减小并在经历6次冻融后达到稳定状态;围压的"围箍"作用有效地提高了粗粒土的抗剪强度;通过讨论和分析,建议冻土区铁路路基粗粒土填料的合理细粒含量为5%,并将粗粒土填料经历6次冻融后的力学指标作为工程设计值。     

不同含水率下黄土冻融循环对湿陷性影响探讨

黄土通常可作为公路路基主要的填筑材料,湿陷性黄土经压实后,很大程度消除了湿陷性,能够满足路基整体强度和稳定性的要求,但在季节冻土区,黄土路基运营几年后仍发生大量的不均匀沉降、塌陷等病害。为分析冻融循环作用下各级含水率对黄土湿陷性的影响,采用室内试验的方法,对湿陷性黄土进行不同的冻融次数,探究其在冻融循环过程中变形及冻融循环后湿陷情况。实验结果表明:冻融循环之后的各级含水率重塑黄土仍具有二次湿陷性;冻融循环作用下高含水率的土体结构比低含水率的土体结构破坏的较早;干密度一定时,低含水率的土体冻融循环之后的净变形量越大,湿陷系数越小,冻融循环之后的净变形量越小,湿陷系数越大。