【摘要】：位于吉林西部季凍區(qū)的鹽漬土,兼具季凍土、鹽漬土、分散土的特性。由于該區(qū)原巖類型、特殊氣候條件的原因,吉林西部土體具有典型的工程地質(zhì)特征,其中冬季氣溫長達5個月均為零下,促使土體內(nèi)部流-固-熱-應(yīng)力-應(yīng)變等不同物理場之間相互耦合,進而導(dǎo)致各種類型的工程病害和農(nóng)業(yè)病害。由于凍結(jié)過程中,土體內(nèi)部溫度場、水分場、溶質(zhì)場、應(yīng)變場、應(yīng)力場的相互作用,一方面導(dǎo)致土體內(nèi)部水分遷移,土體內(nèi)部孔隙壓力改變,應(yīng)力場、應(yīng)變場分布改變,引發(fā)土體發(fā)生凍脹、導(dǎo)致路基變形、構(gòu)筑物破壞等工程病害;另一方面水分的遷移帶動了土體內(nèi)部溶質(zhì)的運移,隨著水分的遷移和蒸發(fā),鹽分不斷在近地表聚集,鹽分在地表的聚集不僅會引起土體鹽漬化的環(huán)境病害、還可能引起道路翻漿、侵蝕構(gòu)筑物等工程病害。因此,對吉林西部土體內(nèi)部流-固-熱-應(yīng)力-應(yīng)變多物理場耦合的研究是研究區(qū)環(huán)境工程地質(zhì)災(zāi)變機理的研究基礎(chǔ)。本文通過選取吉林西部典型的鹽漬土分布地區(qū)——農(nóng)安地區(qū)進行取樣研究,并通過研究得到以下幾點結(jié)論:通過對2015年春季野外調(diào)查結(jié)合樣品的室內(nèi)測試,獲得取樣點鹽漬土的成分特征、基本物理化學(xué)性質(zhì)以及熱力學(xué)參數(shù)。測試結(jié)果表明,采樣點原生礦物比例較高,次生礦物以高嶺石為主;土體為弱碳酸鹽漬土,其陽離子主要為鈉離子,陰離子主要為碳酸氫根和硫酸根,其中鈉離子和碳酸氫根對土體酸堿度起主導(dǎo)作用;土體粉粒為主,而粘粒含量也相對較高,以30cm深度為界限,性質(zhì)有所不同,其中深度小于30cm的土體主要為重亞粘土,屬于低液限粘土,而深度大于30cm的土體主要為粉質(zhì)輕粘土,且屬于高液限粘土;且小于30cm土體含水率低、含鹽量高,通過參考2014年入冬前研究區(qū)土體剖面的含水率、鹽分的含量特征及變化,得到了土體受蒸發(fā)作用影響的深度,并初步探究了研究區(qū)土體次生鹽漬化的原因。不同的含水率、不同壓實度的土樣,經(jīng)過凍融循環(huán)實驗后,觀察鹽漬土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化特征,并測得經(jīng)過不同凍融循環(huán)次數(shù)后土結(jié)構(gòu)單元體的變化情況。借助于掃描電子顯微鏡,發(fā)現(xiàn)土樣經(jīng)歷不同凍融循環(huán)作用后,粒徑較小的單元體或顆粒的百分比先增加后減小,而粒徑較大的單元體或顆粒的百分比先減小后增加;分析認為,凍融循環(huán)作用下,一方面,土體結(jié)構(gòu)單元體內(nèi)部或孔隙內(nèi)水在凍結(jié)成冰的過程中、體積會增大,而冰融化成水的過程、體積又會減小,可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)單元體形態(tài)的變化或破壞;另一方面,在凍結(jié)過程中,水分的遷移作用導(dǎo)致孔隙壓力變化,并在新的位置排開土顆粒、分凝成冰、使結(jié)構(gòu)進一步變化、甚至破壞結(jié)構(gòu)連結(jié)。利用核磁共振技術(shù)測試不同初始含水率、不同含鹽量土體的未凍水含量,分析了初始含水率、含鹽量對土體未凍含水率曲線的影響。通過利用課題組自主研發(fā)的“超冷環(huán)境巖土凍融模擬平臺”對最優(yōu)含水率配置好的土樣進行室內(nèi)凍結(jié)試驗研究,得到土樣的凍結(jié)曲線和凍結(jié)溫度,通過利用測溫法對土體的未凍含水率進行研究預(yù)測;最終利用核磁共振的測試結(jié)果對比驗證預(yù)測結(jié)果的有效性。考慮土體在不經(jīng)過凍結(jié)作用的自然條件下的毛細水上升和凍結(jié)條件下土體內(nèi)部的水分遷移,分別進行不同壓實度土體的毛細水上升實驗,以及不同實驗條件(有/無水源補給、單/雙向凍結(jié)、不同溫度梯度等)下的凍結(jié)實驗,選擇凍結(jié)時間為5天。通過對比實驗結(jié)果,確定引起土體內(nèi)部水分遷移的驅(qū)動力,進而分析發(fā)現(xiàn)實驗土樣中溫度壓力勢是土體內(nèi)部水分遷移的主要因素,重力勢對水分遷移的作用較弱,而基質(zhì)勢對土體內(nèi)部水分遷移作用非常弱。在合理假設(shè)條件的基礎(chǔ)之上,系統(tǒng)性地從土體的三維單元體出發(fā)、建立水-熱-鹽-應(yīng)力-應(yīng)變多場耦合模型,并針對研究區(qū)特定環(huán)境特征對方程進行分析簡化,得到一維條件下的水-熱-鹽-應(yīng)力-應(yīng)變耦合模型。模型的建立結(jié)合了物質(zhì)守恒定律、能量守恒定律、有效應(yīng)力原理、彈性本構(gòu)方程、幾何方程、達西定律、克拉伯龍方程等,通過結(jié)合未凍水函數(shù)、熱力學(xué)參數(shù)、滲透系數(shù)、壓縮模量、結(jié)晶函數(shù)等建立完整的五場耦合方程組,并通過引入“透鏡孔隙比”的概念對冰透鏡的形成進行判定,通過溶解度確定鹽結(jié)晶的位置。借助于“超冷環(huán)境巖土凍融模擬平臺”,考慮土體凍結(jié)速率,設(shè)置適當初始條件和邊界條件,在室內(nèi)有水源補給的條件下進行土柱的單向凍結(jié)實驗,實驗過程中對溫度和凍脹量實時監(jiān)測、觀察實驗現(xiàn)象,并對實驗結(jié)束后含水率、含鹽量的分布特征進行測試。利用COMSOL Multiphyscis數(shù)學(xué)模塊中的PDE方程接口建立物理場對吉林西部鹽漬土水-熱-鹽-應(yīng)力-應(yīng)變(HTSPE)耦合數(shù)學(xué)模型進行求解,并與室內(nèi)明確邊界條件的水鹽遷移和凍脹試驗結(jié)果進行對比,驗證模型的有效性,結(jié)果表明模型可以很好地預(yù)測凍結(jié)過程中土體內(nèi)的多場耦合作用。同時,基于室內(nèi)實驗?zāi)M的有效性,對野外取樣現(xiàn)場進行模擬對比并分析模擬計算效果,通過合理選取野外邊界條件,對現(xiàn)場水、鹽含量進行計算,結(jié)果表明計算結(jié)果與測試結(jié)果基本一致,但地表30cm范圍內(nèi)的土樣含水率較小而含鹽量較大,分析認為這是由于野外土體30cm以上近地表土體受蒸發(fā)作用,水分向空氣中蒸發(fā)、而鹽分在地表殘留聚集。
【圖文】：

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文次普查結(jié)果，在 1950~1980 的三十年之間，吉林省鹽漬土面積從 1.6×106hm.3×106hm2[9,10]；自 80 年代至 21 世紀初，隨著人類活動進一步的影響，鹽漬斷加大，且土體鹽漬化程度明顯加重，其中，在 1980-2000 的二十年間，吉土的面積自 1.53×104km2增加至 1.65×104km2，且鹽漬化不同程度的加重，漬化土體面積大幅度減小，而中度和重度鹽漬化土地面積則大面積增加[11]。，21 世紀以后，鹽漬化面積仍然以約 1.4%的速度不斷增加[12]。綜上表明，鹽漬化進程正在不斷加重，土體生態(tài)環(huán)境脆弱，因此，對吉林西部鹽漬土進是迫切需要的。130°70° 80°90°100°110°120°140°

鹽漬土通常具有侵蝕、融陷、鹽脹等特性，，加上季節(jié)性凍結(jié)引起的水易造成體凍脹，對研究區(qū)建筑基礎(chǔ)設(shè)施以及道路等建設(shè)具有明顯的破壞作用，造成公路、鐵路路基的不均勻變形，道路路面凍脹、翻漿等工程病害。對于有離子，在鹽漬土中運移的過程中，可對混凝土耐久性、鋼材穩(wěn)定性等產(chǎn)生影響由于該區(qū) Na 鹽含量很高，因此該地區(qū)土體不僅兼具鹽漬土和季節(jié)性凍土的性有分散土的特性，土體容易發(fā)生崩解分散，因而水渠容易發(fā)生垮塌潰散。圖 1研究區(qū)鹽漬土體相關(guān)的道路翻漿、路基變形、混凝土侵蝕、溝渠垮塌等工程地象。在農(nóng)業(yè)方面，土體鹽漬化是農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟發(fā)展重要的制約因素，鹽漬土體在結(jié)作用下，其內(nèi)部的可溶鹽會隨著水分向淺表層土體運移，進而對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以濟造成很大的影響。圖 1.3 為研究區(qū)土體表面草地退化、土體荒漠化的現(xiàn)象。(a) 草地退化 (b) 土地荒漠化
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU448

【參考文獻】

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本文編號：2679352