冻区盐渍土水热耦合效应及对力学性能的影响分析汇总
内蒙古河套灌区冻融土壤水热盐耦合运移特征分析
冻融期气温与土壤水盐运移特征分析李瑞平1，史海滨1 ※，赤江刚夫2，张艺强3（1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特，010018；2.日本冈山大学环境理工学部，冈山，700－85303，日本；3.内蒙古河套灌区解放闸管理局沙壕渠试验站，杭锦后旗，015400）摘要：在我国西北干旱、寒冷地区，降雨稀少、土壤蒸发强烈、土壤母质含盐、地下水位较高，冻融作用是土壤盐碱化独特的形成机制。
本文以内蒙古河套灌区为例，基于土壤冻融期间的水分、盐分和温度的田间实测资料，对多年水分、盐分和温度的变化规律进行分析。
研究表明不同土层各个年度的地温变化规律基本一致，地温的变化滞后于气温的变化，而且滞后时间随着土层深度的增大而增大；气温的降低引起了地温的降低，形成一个地温梯度，从而引起水分盐分的迁移；盐分的时间变异系数Cv（0.30~0.85）要大于水分的变异系数Cv（0.02~0.40），说明盐分的运移机制比水分运移机制复杂。
研究结果为河套灌区冻融土壤水热盐耦合模拟的研究和秋浇制度的制定提供了基础理论依据。
关键词：河套灌区；冻融土壤；水-热-盐；耦合迁移；秋浇中图分类号：S27 文献标识码：A 文章编号：0引言土壤的冻融是一个非常复杂的过程，它伴随物理、物理化学、力学的现象和子过程，最主要的包括水分、热量的传输、水分相变和盐分的积聚。
据统计，全球陆地面积70%存在冻土，其中14%为永久冻土，56%为季节冻土；我国是世界上第三冻土大国，其中多年冻土分布面积为2.068×106km2，占我国国土面积的21.5%，季节性冻土分布面积很广，为5.137×106km2，占我国国土面积的53.5%，两者合计约占全国总面积的3/4左右[1]。
我国季节性冻土主要分布在北纬30°以北地区。
而这些地区又大多属于干旱、半干旱的缺水地区。
在干旱、寒冷气候条件以及地下水埋深较浅与矿化度较高的自然条件下，土壤冻融所造成的盐碱化对作物的危害十分严重[2-3]。
盐渍土的工程性质 精品
盐渍土的工程性质
1
2 3
盐渍土的成因及主要特征
盐渍土的物理化学性质
盐渍土的工程力学性质
4
盐渍土地基的工程处治措施
一、盐渍土的成因及主要特征
盐渍土的定义
岩石在风化过程中分离出少量的易溶盐类（氯盐、硫酸盐、碳酸盐）， 易溶盐被水流带至江河、湖泊洼地或随水渗入地下溶入地下水中，当地下水沿 土层的毛细管升高至地表或接近地表，经蒸发作用水中盐分分离出来聚集于地 表或地表下土层中，当土层中易溶盐的含量大于0.5%时，这种土成为盐渍土。
一、盐渍土的成因及主要特征
盐渍土的分类
1.按分布的区划分 a 滨海盐渍土:滨海一带受海水侵袭后，经蒸发作用，水中盐分聚集于地表或地 表下不深的土层中，即形成滨海盐渍土。其主要分布在长江以北，江苏、山东、河 北、天津等滨海平原。长江以南也有零星分布。 b 内陆盐渍土：易溶盐类随水流从高处带到洼地，经蒸发作用盐分凝聚而成。一 般因洼地周围地形坡降较大、堆积物颗粒较粗多为碎石土，因此，土层盐渍化的发 展，向洼地中心较为严重。主要分布在盆地型盐渍土，在卧高新疆的塔里木盆地、 准葛尔盆地、青海柴达木盆地、宁夏银川平原等都是这类盐渍土。 c 冲积平原盐渍土：主要由于河床淤积或兴修水利等，使地下水为局部升高，导 致局部地区的盐渍化。主要分布在黄河、淮河、海河冲积平原，松辽平原以及三江 平原上。 2. 按含盐成分划分
在求得含液量后,其它计算指标凡是用含水量的均以含液量带入即可:如:
d
1 0.01 B
(1 0.01 B )GS
e
1
Sr
B GS
e
二、盐渍土的基本性质－物理性质
氯盐渍土的可塑性 研究资料表明,液、塑限随含盐量的增加而降低，有色西安勘察 院对察尔汗盐湖区的氯盐渍土进行试验时，土的可溶盐含量为6%-10%, 进行了洗盐（自来水和蒸馏水各洗三遍）及未洗盐的可塑性试验，发 现未洗盐的土其液限含水量平均值比洗盐后的土小2%-3%, 塑限含水量 小1%-2%。另外人工配置的含盐量的试验也表明含盐量越大，土的可塑 性越低。 不同含盐量的可塑行试验
冻土水热力三场耦合机理及本构关系
在这一部分，作者结合实际工程案例，分析了冻土水热力耦合作用在实际工 程中的应用和影响。这些案例既验证了理论研究的正确性，也为工程实践提供了 有益的参考。
结论部分总结了本书的主要研究成果和观点，展望了未来冻土研究的发展方 向。这一部分既是对全书内容的总结，也是对未来研究的期许。
《冻土水热力三场耦合机理及本构关系》一书目录结构清晰，内容丰富，既 有对冻土基本属性的深入剖析，也有对水热力耦合机理的详细阐述，还有对工程 应用的案例分析。这本书不仅为冻土工程领域的学者和工程师提供了宝贵的参考， 也为推动冻土研究的发展做出了重要贡献。
本书对冻土的基本物理性质进行了详细阐述。介绍了冻土的形成过程、分类及基本特征，包括冰 晶的形成、水分迁移、温度分布等。通过对冻土微观结构的分析，揭示了冻土中水分、热量和力 学行为之间的相互关系。
本书重点研究了冻土的水热力耦合机理。从水分迁移、热量传递和力学变形三个方面，深入探讨 了冻土在不同环境条件下的响应。
这本书给我留下的最深刻的印象，就是它系统而全面地介绍了冻土的基本力 学性质和特点，以及相关理论与数值模拟研究方法。通过阅读，我了解到冻土是 在低温环境下，土壤中的水分结冰形成的一种特殊土体。这种土体在冻结和融化 过程中，会受到温度、水分和应力等多种因素的影响，表现出复杂的水-热-力三 场耦合行为。
分析了冻土中水分迁移的规律，包括液态水、汽态水和冰晶的相互转化；研究了冻土中热量传递 的过程，揭示了温度对冻土物理性质的影响；同时，探讨了冻土在应力作用下的变形行为，包括 弹性、塑性和蠕变等。
在此基础上，本书进一步探讨了冻土的本构关系。建立了考虑水分、热量和应力耦合的冻土本构 模型，通过数学方法和实验手段，揭示了冻土在复杂应力状态下的变形规律。该模型能够更准确 地描述冻土在实际工程中的行为，为冻土工程的设计提供了有力支持。
冻融条件下土壤中水盐运移机理探讨
冻融条件下土壤中水盐运移机理探讨随着全球气候变化的不断加剧，冻融现象在土壤中的影响日益显著。
在冬季，土壤中的水分和盐分往往会受到冻结的影响，导致水盐运移的机理发生改变。
因此，探讨冻融条件下土壤中水盐运移的机理具有重要的理论和实践意义。
一、冻融条件下土壤水分运移机理1.冻融循环对土壤水分运移的影响在冻融条件下，土壤中的水分往往会经历一系列的冻融循环。
具体来说，当土壤中的水分遇到低温时，会逐渐冻结形成冰晶，此时土壤中的孔隙度会逐渐减小，导致水分的渗透能力下降。
当温度升高时，土壤中的冰晶会逐渐融化，此时土壤中的孔隙度会逐渐增大，导致水分的渗透能力上升。
因此，冻融循环对土壤中水分的渗透能力有着重要的影响。
2.冰膜形成对土壤水分运移的影响在冻融条件下，土壤中的水分往往会形成冰膜，这种冰膜会对土壤中的水分运移产生重要的影响。
具体来说，冰膜的形成会导致土壤中的孔隙度减小，从而使得水分的渗透能力下降。
此外，冰膜的存在还会导致土壤中的水分分布不均，使得一些地方的水分含量过高，而另一些地方的水分含量过低。
3.冻融条件下土壤水分运移的影响因素在冻融条件下，土壤中的水分运移受到多种因素的影响。
首先，土壤的物理性质会影响水分的渗透能力，如土壤的孔隙度、孔径分布等。
其次，土壤的化学性质也会影响水分的渗透能力，如土壤的盐分含量、pH值等。
最后，气候条件也会对土壤水分运移产生影响，如温度、湿度等。
二、冻融条件下土壤盐分运移机理1.盐分渗透的机理在冻融条件下，土壤中的盐分也会发生运移。
具体来说，当土壤中的水分遇到低温时，会逐渐冻结形成冰晶，此时土壤中的盐分会逐渐浓缩，导致盐分的渗透能力上升。
当温度升高时，土壤中的冰晶会逐渐融化，此时土壤中的盐分会逐渐稀释，导致盐分的渗透能力下降。
因此，盐分的渗透能力与土壤中的水分运移机理有着紧密的联系。
2.盐分浓缩的机理在冻融条件下，土壤中的盐分往往会发生浓缩现象。
具体来说，当土壤中的水分遇到低温时，会逐渐冻结形成冰晶，此时土壤中的盐分会被固定在冰晶中，导致土壤中的盐分浓度上升。
基于热水力耦合效应的青藏高原多年冻土斜坡稳定性分析
基于热水力耦合效应的青藏高原多年冻土斜坡稳定性分析基于热水力耦合效应的青藏高原多年冻土斜坡稳定性分析摘要：青藏高原是世界上最大的高原，其地质环境非常特殊，多年冻土是其主要地貌类型之一。
由于气候变化和人类活动的影响，青藏高原多年冻土斜坡稳定性问题日益突出。
本文基于热水力耦合效应，通过文献资料分析和数值模拟，对青藏高原多年冻土斜坡稳定性进行了深入研究。
1. 引言青藏高原地处高原气候带，气候寒冷，几乎全年维持在低温状态，因此形成了大面积的多年冻土。
多年冻土在高原地区起着重要的地质和生态功能。
然而，气候变化和人类活动对多年冻土产生了极大的影响，特别是在斜坡稳定性方面，引发了大量问题。
2. 热水力耦合效应热水力耦合效应是指由于温度和水分变化引起的土体物理和力学特性的改变。
青藏高原多年冻土斜坡中，存在水分的运移和变化以及温度的升高等耦合效应。
这些效应使得多年冻土斜坡的稳定性产生了巨大的变化。
3. 多年冻土斜坡稳定性的危害青藏高原多年冻土斜坡稳定性问题主要表现在两个方面：一是多年冻土的融化和变形导致了斜坡的坍塌和滑坡，给山区民众的生命财产安全造成威胁；二是融化后的多年冻土中释放的大量甲烷和二氧化碳等温室气体导致了环境污染和全球气候变化等问题。
4. 数值模拟分析本研究采用COMSOL Multiphysics软件对青藏高原多年冻土斜坡进行了数值模拟分析。
首先建立了多年冻土斜坡的几何模型和边界条件，并考虑了土体的热物性、水分运移和力学特性等参数。
然后，通过斜坡稳定性分析模块，计算了不同温度和水分条件下的斜坡稳定性指标。
结果显示，热水力耦合效应对斜坡稳定性有着显著影响。
5. 结果与讨论通过数值模拟分析，我们得出以下结论：首先，随着温度升高和水分的运移，多年冻土的强度和抗剪强度降低，导致斜坡的稳定性下降；其次，多年冻土的融化会引起通气孔隙率增加，土体内的压力会由正压变为负压，进而导致土体产生损伤和破坏；最后，斜坡的降雨量和坡度对稳定性影响较大，增加了斜坡的失稳风险。
冻融土壤水热盐运移规律研究及数值模拟
冻融土壤水热盐运移规律研究及数值模拟土壤季节性冻融作用是影响旱寒区农业发展的一个重要因素,尤其是冻融期土壤水盐向上运移将会导致越冬期农田地表积盐,从而影响春季播种。
由于冻融土壤水热盐运移过程的复杂性,其演化机理及模拟一直是旱寒区土壤水热盐运移过程研究的瓶颈,开展这一问题的研究对于全面深入理解旱寒区水循环规律和土壤盐渍化形成机理,科学地进行水盐调控和土壤盐渍化的防治具有重要的现实意义和学术价值。
本文以内蒙古河套灌区为背景,通过室内和田间试验,测定了不同盐分条件下的冻融土壤水热运动参数、水盐运移过程和蒸发过程,分析了水热盐运移规律。
改进了水热盐运移模型(CoupModel)并引入GLUE(Generalized Likelihood Uncertainty Estimation)不确定性分析方法,对冻融土壤水热盐运移模拟不确定性进行了深入分析,取得了如下成果：1)通过室内及野外原位观测试验,测定了含盐冻融土壤水热特性参数,分析了水热参数随水分、盐分及温度的变化规律,建立了含盐冻融土壤水热参数估算模型。
试验结果表明,冻融土壤的比热容与热传导率与土壤负温之间分别呈幂函数和线性关系,土壤冻结曲线受土壤初始含水量、盐分种类与含盐量共同影响。
2)通过室内和野外土柱及测坑试验,研究冻融土壤水热盐运移过程和规律。
研究发现,地下水位的高低影响土壤冻结锋的向下推进速度,不同地下水位及不同土壤初始盐分条件对冻融期内土壤蒸发有显著影响。
高地下水位及高盐分含量为土壤蒸发提供了便利。
3)建立了冻融土壤水热盐运移模型--CoupModel,并结合不确定性分析方法GLUE对冻融土壤水热盐运移特性进行了模拟分析,深入探讨了模拟结果的不确定性。
冻融土壤水热运移模拟存在较大不确定性,而提高试验观测手段及完善模型结构则是减小模拟结果不确定性的有效途径。
基于试验结果对含盐土壤冻结特性的认识,考虑盐分对土壤冻结特性的影响,对CoupModel中土壤冻结曲线模型进行了改进。
冻融条件下土壤中水盐运移机理探讨
冻融条件下土壤中水盐运移机理探讨随着全球气候变化的不断发展，冻融现象在土壤中的作用越来越受到人们的重视。
冻融现象会对土壤中的水盐运移产生影响，进而影响土壤中的生物和化学过程。
因此，研究冻融条件下土壤中水盐运移的机理对于理解土壤中的生态系统和生物地球化学循环具有重要意义。
一、冻融条件下的水盐运移机理冻融条件下，土壤中的水分会形成冰晶，导致土壤孔隙度减小，土壤中的水分流动性下降。
同时，土壤中的盐分会因为水分的减少而更容易发生结晶，进一步影响土壤中的水盐运移。
冻融条件下，土壤中的水盐运移机理主要包括以下几个方面：1.土壤中的水分运移在冻融条件下，土壤中的水分会形成冰晶，导致土壤孔隙度减小，土壤中的水分流动性下降。
水分在冻融过程中从液态变为固态，它的占据体积也会随之增大，因此土壤孔隙度的减小会进一步影响水分的流动性。
随着冰晶的增加，土壤中的水分会逐渐被固定在其中，从而导致土壤中的水分流动性下降。
2.土壤中的盐分运移在冻融条件下，土壤中的盐分会因为水分的减少而更容易发生结晶。
当土壤中的盐分结晶时，其占据的体积也会相应地增大，导致土壤孔隙度的减小。
因此，土壤中的盐分结晶会进一步影响水盐运移。
此外，盐分的结晶还会导致土壤中的盐分浓度增加，从而影响土壤中的生物和化学过程。
3.土壤中的微生物活动冻融条件下，土壤中的微生物活动也会受到影响。
土壤中的微生物会根据温度和水分条件来生长和繁殖，但是在冻融条件下，土壤中的水分流动性下降，微生物的生长和繁殖也会受到影响。
此外，盐分的结晶还会影响土壤中的微生物生长和繁殖。
二、影响冻融条件下土壤中水盐运移的因素冻融条件下，土壤中的水盐运移会受到多种因素的影响，包括土壤类型、土壤水分含量、土壤温度、盐分浓度等。
1.土壤类型不同类型的土壤具有不同的孔隙结构和孔隙分布，从而影响土壤中的水分运移。
例如，在粘土土壤中，孔隙结构复杂，孔隙分布不均匀，土壤中的水分流动性较差，而在砂质土壤中，孔隙结构简单，孔隙分布均匀，土壤中的水分流动性较好。
冻融循环下粗粒盐渍土动力变形及细观结构分析撤回
02
冻融循环下粗粒盐渍土动力变 形研究
冻融循环对粗粒盐渍土的影响
01
02
03
物理性质
冻融循环会导致粗粒盐渍 土的物理性质发生变化， 如密度、孔隙率等。
力学性质
冻融循环会引起粗粒盐渍 土的力学性质改变，如压 缩性、抗剪强度等。
结构特性
冻融循环会改变粗粒盐渍 土的结构特性，导致颗粒 排列和接触方式发生变化 。
03
冻融循环下粗粒盐渍土细观结 构分析
粗粒盐渍土的细观结构特性
颗粒组成
粗粒盐渍土由不同粒径的盐颗粒 组成，这些颗粒通常具有较高的
孔隙率和渗透性。
结晶结构
粗粒盐渍土中的盐颗粒通常具有 不均匀的结晶结构，这使得土体
在冻融循环下容易发生变形。
微观孔隙
粗粒盐渍土中存在大量的微观孔 隙，这些孔隙在冻融循环过程中 会发生变化，进而影响土体的动
冻融循环下粗粒盐渍土动力变形 及细观结构分析
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目录
• 引言 • 冻融循环下粗粒盐渍土动力变形
研究 • 冻融循环下粗粒Байду номын сангаас渍土细观结构
分析
目录
• 冻融循环下粗粒盐渍土动力变形 及细观结构分析实验研究
• 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
冻融循环对粗粒盐渍土的影响
冻融循环是一种自然现象，对粗粒盐渍土的动力变形和微观结构有显著影响，可能导致工程结构的破坏和环境的 恶化。因此，研究冻融循环下粗粒盐渍土的动力变形和微观结构具有重要意义。
1. 冻融循环对粗粒盐渍土物理 性质的影响；
2. 冻融循环对粗粒盐渍土力学 性质的影响；
研究内容与方法
• 冻融循环对粗粒盐渍土微观结构的影响； • 冻融循环下粗粒盐渍土的动力变形特征； • 冻融循环下粗粒盐渍土的动力响应分析。 • 研究方法：本文采用实验研究的方法，选取具有代表性的粗
冻融土壤水、热、养迁移转化协同作用机制
冻融土壤水、热、养迁移转化协同作用机制随着全球气候变化的加剧，冻融土壤水、热、养迁移转化协同作用机制引起了科研工作者的广泛关注。
这一机制包括了土壤水分、热量和养分在冻融过程中的相互影响和转化过程，对土壤生态系统的稳定性和功能发挥具有重要意义。
下面将对这一机制的相关内容进行详细的阐述。
1. 冻融土壤水、热、养迁移转化的基本原理冻融过程中，土壤水分、热量和养分之间存在着复杂的物理、化学和生物反应。
土壤中的水分在低温条件下形成冰晶，冰晶的形成会释放出一定量的热量，使土壤温度上升。
土壤中的养分也会在冻融过程中发生迁移和转化，比如有机质的降解和矿物质的溶解。
这些过程相互作用，共同影响着土壤的理化性质和生态功能。
2. 冻融对土壤水分的影响在冬季寒冷条件下，土壤中的水分会发生冻结，形成冰层。
冻结过程中，冰层的形成会造成土壤孔隙度的改变，使土壤中的水分迁移受限。
而在春季回暖时，土壤中的冰层开始融化，释放出大量的水分。
这种冻融过程对土壤的水分含量和水分分布产生了重要影响，进而影响着土壤中微生物的活性和植物的生长。
3. 冻融对土壤热量的影响土壤的热量对于农田生产和土壤生态系统具有重要意义。
冻融过程中，土壤中的冰层的形成和融化会导致土壤温度的变化。
尤其是在冬季，土壤中的冰层会起到一定的绝热保温作用，减少土壤的温度变化。
而在春季，冰层融化释放的热量则会使土壤温度迅速上升。
这种冻融过程对土壤温度的变化及其对土壤生态系统的影响是非常显著的。
4. 冻融对土壤养分的影响冻融过程还会对土壤中的养分形态和迁移转化产生重要影响。
在冰层形成的过程中，土壤中的有机质会发生降解，有机酸、酶、微生物等物质释放出来。
土壤中的矿物质也会发生溶解和迁移，影响着土壤中养分的分布和有效性。
而在冰层融化的过程中，这些有机质和矿物质转化产生的养分则会被释放到土壤中，为作物的生长和微生物的活性提供养分来源。
5. 冻融土壤水、热、养迁移转化协同作用机制的意义冻融土壤水、热、养迁移转化协同作用机制对于土壤生态系统的稳定性和功能维持具有重要意义。
冻土中热水机械蒸汽的多场耦合研究
冻土中热水机械蒸汽的多场耦合研究摘要：本文根据各国学者对冻结土多场的研究成果，对冻结土的多场耦合理论和机理以及冻结过程中温度场、水分场和应力场的动态变化过程进行了分析和研究。
冻土多物理场耦合的研究是一个复杂、多物理、多学科的领域，本文主要从水热蒸汽机械（HTVM）场耦合的方面进行了综述。
本综述有助于促进对冷区土壤冻结过程和冻结过程中冻土耦合机理的研究，促进对土壤冻结过程中多场耦合动态过程的深层、多维理解。
1.介绍冻融沉降是寒冷地区冻土最常见的冻土破坏。
这主要是由于冻土的温度、湿度、应力和浓度场的变化，以及多物理场之间的相互作用（Mu，1987）。
冻土的各种霜冻问题本质上源于多孔介质中的多相耦合（包括固体、液体、气体和热）（Li，2001）。
季节性冻土的土壤稳定性主要受冻融循环中传热、水分迁移和相变化的相互作用和相互影响的控制。
例如，路基的温度、湿度和应力场都是动态变化的。
这些油田之间的耦合效应是造成许多冻害问题的直接原因（Lai，1999）。
因此，有必要系统地回顾冻土多物理场耦合背后的机制。
冻土的多物理场耦合是一个同时考虑多个物理场的复杂的多学科研究部门。
冻土多物理场耦合的研究进一步分为以下几个部分：热水（TH）耦合、热水机械（THM）耦合、热水蒸汽机械（THVM）耦合和热水盐力学（THSM）耦合。
此外，一些学者还致力于研究岩石的热-水-化学-机械（THCM）耦合（Su，2010），这是一个复杂而动态的过程。
近年来，有关冻结场的学术兴趣一般集中在宏观强度性质和热-水-力学耦合本构模型上。
考虑了晶体独特的张力行为和压力熔化，以及冰水相变的结晶动力学模型。
然而，由于缺乏特殊设备，目前进行的本构实验很少考虑微观变形的机理。
因此，迫切需要对微小量表进行本性调查。
2.冻土多物理场耦合技术的研究现状2.1冻土高温耦合技术的发展提出了浅层黄土的TH耦合模型，模型结果与实验结果一致。
通过该模型估算的水分和温度的动态变化，验证了参数选择的可行性和预测浅层冻土水热动力行为的准确性[1]。
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冻区盐渍土水热耦合效应及对力学性能的影响分析
摘要 水份迁移和温度场变化是引起路基冻胀融沉的直接因素。针对
冻区高氯盐渍土,经水热场耦合作用后水份迁移和温度场分布规律进行了室内动
态试验,研究了水热耦合作用对力学性能的影响。结果表明:单向冻结过程中,水
份向温度较低的地方迁移,迁移量随土体深度的增加而增加;水热耦合作用后的
土体冻结强度有不同程度上升,提升后的强度随土体深度增加而降低,远离冻区
端因盐晶析出导致土冻结强度有所回升。
关键词 盐渍土 水份迁移 温度场 水热耦合 冻结强度
前言
土的冻结,引起水份向正冻区运动,并试图以冰的形式充填这个区域。由于
土体表面温度的降低,未冻结之前的土体中的能量平衡被打破,除引起水分的迁
移外,也引起土中温度的重新分布[1]。在盐渍土中,还伴随产生土中盐分的浓度
梯度,同时盐分也重新分布,从而导致空间全新的固、液、气组合状态。水热耦
合效应变化是冻土工程中引起冻胀融沉最重要的因素之一。
近30年来,国内外冻土学者从单一场影响因素的研究发展到水、热两方面
的综合统一研究,去认识冻胀机理。1973年, Harlan R·L·提出了土体冻结
过程中水-热迁移耦合数学模型[2],从此进入多场耦合问题的研究阶段。
Harlan ( 1973 )、Sheppard(1978)[3]提出冻土中热质迁移与水分迁移相互
作用的流体动力学模型。苗天德等(1999 )[4], [5]在连续流体力学混合物理
论框架下研究了冻土力学-热学性质,建立起固、液两相介质伴有相变的水、热
二场耦合模型。毛雪松[6]对室内小型试件进行了水分迁移过程的水分场和温度
场动态观测,并应用水热耦合模型对模型试件温度场、水分场进行数值模拟。考
虑到盐渍土尤其是高氯盐渍土土体本身的复杂性,本文通过室内动态试验,分析
高氯盐渍土水热耦合规律,并研究水热变化对土体力学性能的影响。
1 试样、试验设备和试验方法
(1)试样取自青藏高原那曲河地区,该区地基土系由洪积、湖积和湖泊化学
沉积的盐层及超氯盐渍土组成。土样天然含水量为10·61 %,易溶盐含量为
12·01%,主要成分为氯化钠和氯化钾。颗粒分析结果如表1。
(2)试验设备采用西南交大自行研制的封闭式单向冻结特性测试系统(见图
1、图2),在土样无破损的条件下,对土柱中的点位进行温度和含水量的动态观
测。设备主要由三个系统组成:温度、水份及变形检测系统(温度传感器、水份
传感器和百分表等);环境温度场建立系统(制冷压缩机及控制系统);绝热样品室
系统(尼龙试样套管、聚氨酯泡沫绝热层和石棉保温套)。土柱高25 cm,直径
10 cm。
(3)取适量土样,测其初始含水量(10·61% ),按最优干密度(1·79 g/cm3)分
层装入套管中,将加热器安装在试样套管底部,紧固并确保其表面与试样表面紧
密结合;将温度水份传感器插入设定好的测试孔中,在试样上表面敷一层保鲜膜,
防止水分散失。接好加热电源及各测试电缆后关闭模拟环境试验箱盖,调整好位
移测量系统。开启制冷系统及加热器电源,调整制冷系统温度和加热器电源电压
以便得到研究所需的模拟环境温度和温度梯度。试验时间为72小时,前12小时
每1小时记录一组数据,其后每3小时记录数据一次。
2 试验结果分析
试验数据整理后见图3、图4。
图3中,在0 mm (表面至下0 mm,后略)处为模拟环境温度,除开始(0~2小时)
由室温转变为模拟环境温度外,其曲线一直保持平稳(-10℃左右); 50 mm、
100 mm、150 mm和200 mm曲线趋势大致相同,前12小时温度下降趋势较明
显,其后曲线较平稳,达到稳态;由表面至底端同一时刻温度变化量逐步减小,说
明试样温度梯度是随深度增加而减小的。
图4中,在25 mm处,含水量随时间增加而增加, 12小时左右后,基本保
持不变( 13·1 %~13·5% ),较初始含水量(10·61 % )升高
23·47% ~27·24%;在75mm处开始阶段(0~5小时)含水量有迅速下降趋势,随
后(6~12小时)含水量逐步增加, 12小时后基本稳定(11·3 % ~11·6 % ),
较初始含水量升高6·50 % ~9·33 %;在125 mm、175 mm和225 mm处
曲线走势比较接近,即开始阶段(0~8小时)含水量逐步减少, 10小时左右后又
稍微升高, 15小时后一直保持在9·6 % ~10·5 %之间,较初始含水量降低
1·04% ~9·52%。
以上现象初析为:因外界环境温度迅速下降,接近外界环境一端(土样上表面
附近)温度变化要先于远离外界环境端,试件会产生较大的温度梯度从而破坏了
土体中的水量平衡,使其水份场发生重新分布,水份从土样的暖端向冷端迁移,进
而土柱上层的含水量较冻结前有所提高,即为25mm和75mm二曲线所表现。除
25 mm曲线外,其他曲线都有先降后升现象,初析为冻结初始阶段土样各层水份
要向上迁移同时接受下层水份移入补给,由于水份迁移量与温度梯度有关,随梯
度减小而减少[7], [8]。由图3可知温度梯度随土样深度增加而降低,从而导
致某层土样在初始时段或出现水份来不及补给的现象(75 mm曲线迅速下降),
或迁移量大于补给量,含水量逐步减少的现象。当温度场(见图3) 12小时左右
稳定后,水份场在15小时左右达到稳定。
3 水热耦合效应对力学性能的影响
盐渍土的三相与非盐渍土不同,它的液相是盐溶液,固相包括土颗粒和结晶
盐[9],冻区盐渍土还会有冰晶产生,因此温度场和水份场的变化盐渍土的工程性
质有不确定性。本文以冻结强度为指标,将试验过后的土样分层进行无侧限抗压
强度试验,研究水热耦合效应对土样力学性能的影响。
3·1 试验方法
将水热耦合试验的土样分为5层,汇集几次平行试验土样,每层土样放入保
鲜袋中防止水份及盐份散失;试样为直径40 mm、高80 mm的圆柱体,每层土
样的试样套入保鲜膜并按相应环境温度进行冷冻(见表2),时间24小时,同时另
取水热耦合前土样,以作对比;试验采用GB4540 -84应变控制式静三轴剪切仪,
将保温瓶内制备好的试样迅速放在加压板上进行试验。
3·2 试验结果分析
试验数据整理后见图5。
从图5看出,经水热耦合作用后,土样强度均有不同程度的提高
(10·0% ~84·1% ),增加量随土样深度增加而减小,原因是由于冻结温度对冻
结强度影响较大,另外因水份迁移,土层上部含水量较大,会产生更多的冰晶,加
强了土颗粒之间的联结;土样最底端强度有所回升(5层较4层提高18·2% ),
原因初析:土样为高氯盐渍土,由于水份迁移会伴随产生盐晶的析出,土样内部微
观结构发生变化,从而导致土强度增强[10]。
4 结语
(1)高氯盐渍土在单向冻结条件下,产生的温度梯度是随土样深度增加而减
小。温度梯度是水份迁移的重要原因,水份会向温度降低的地方迁移,迁移量随
温度梯度的增加而增加。
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