盐渍土冻结特性试验及水-热-盐-力耦合数值模拟研究

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盐渍土和冻土作为两种分布较为广泛的特殊土,在温度变化影响下,土中发生水盐迁移和相变,宏观上表现为盐胀、冻胀等工程病害,对农业生产和基础设施稳定性造成严重威胁。由于公路、铁路等基础设施将不可避免地向盐渍土、冻土区域扩展,研究盐渍土冻结特性对于盐胀、冻胀病害的防治具有重要意义。土体盐胀和冻胀是水分、温度、盐分和变形相互作用的复杂耦合过程,涉及热学、力学等多个学科,并且与土体导热系数、未冻水含量等基本性质密切相关。本文通过室内试验和数值模拟相结合的研究方法,开展了盐渍土冻结特性和水-热-盐-力相互作用过程研究,主要研究内容及结论如下:(1)采用Corona核磁共振仪进行盐渍冻土未冻水变化规律试验研究,分析了温度、含水率、含盐量、含盐种类及冻融过程对未冻水变化的影响。结果表明:未冻水滞后现象是冻融过程影响未冻水含量的主要表现,结合毛细理论和Gibbs-Thomson方程,从孔隙结构角度分析了未冻水滞后现象出现的原因。(2)采用Hot Disk热常数分析仪开展室内导热系数测量试验,分析了含水率、含盐量、温度和盐分种类对土体导热系数的影响,运用灰色关联度分析方法评价了含水率、含盐量和温度对土体导热系数的影响程度,结果表明:土体导热系数受到含水率的显著影响,含盐量和温度的影响相对较小。(3)基于结晶动力学理论,推导了质量守恒方程、热量传输方程和应力平衡方程,建立了盐渍土冻结过程中的水-热-盐-力耦合理论模型,并利用COMSOL软件进行求解计算,将计算结果与文献单向冻结试验中水分、温度和盐分变化情况进行对比,验证了模型的准确性。(4)根据建立的冻结盐渍土水-热-盐-力耦合模型,计算并分析了冻结过程中土体各物理场的变化情况,开展了温度梯度分别为0.35℃/cm、0.45℃/cm和0.55℃/cm,含盐量分别为0、0.5%和1.0%,顶端荷载分别为50 k Pa和100 k Pa情况下的水-热-盐-力耦合效应研究。结果表明:温度梯度增大会使孔隙压力和冻结深度增大,从而影响土体顶端位移和水盐分布;盐分含量增大,盐胀作用增强,冻胀作用被抑制,最终表现为土体顶端位移值微弱减小;顶端荷载会抑制水盐迁移和土体变形。
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