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《兰州大学》 2018年
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冻融循环作用下土体水热变化特性及滞回机理研究

王冲  
【摘要】:对于盐渍化季节性冻土地区土体,在冻融过程中会发生一系列水、热、盐等特性的变化,由此引起的冻胀、盐胀及融沉现象是造成寒区工程在施工、运营与维护过程中出现相关工程病害的主要原因。在冻融循环过程中,盐渍土水热特性的变化主要体现在导热性能、未冻水含量和相变温度等方面,同时这些基本参数在冻结和融化过程中表现出相应的滞回特性。作为冻土物理学研究的一项基础性工作,在有关土体冻结和融化过程中水热特性的变化及滞回机理研究方面,已取得了丰硕的成果。然而,已有研究较少从介质组分形状及结构配置角度来考虑岩土体在未冻和已冻条件下的导热性能;在土体冻结特征模型方面,部分模型仅能较好地评价特定情况下土-水系统中未冻水含量随温度的变化关系,且一些模型在土体初始冻结温度附近不可导或不连续;较少地从理论上分析盐渍土融化温度,缺乏从孔隙结构和电解质效应的角度对滞回现象进行探讨,且没有对这种冻融循环滞回进行定量解释;对于含复盐盐渍土,在冻结和融化过程中可动流体、束缚流体和总的未冻水含量随温度的变化规律研究相对较少。因此,本文重点研究不含盐土与含盐土在冻结和融化过程中出现的水热特性变化及相关滞回机理。以青藏高原粉质黏土、兰州粉土为主要研究对象,结合室内试验和理论推导建立相关的特征模型对多孔介质在冻融循环过程中未冻水含量、导热性能和相变温度等水热参数的变化特性及滞回机理进行了研究。主要研究内容体现在以下四个方面:(1)孔隙介质的导热系数主要取决于颗粒形状和颗粒基质组分与含量,由于岩土材料的组成颗粒形状多样化,且冰的导热系数大于土的导热系数,因此当孔隙中液态水相变成固态冰时,会引起多孔介质导热系数急剧增大。为了认知正冻条件下,基质颗粒形状及结构配置对多孔介质导热系数的影响,本文依据组分体积含量、颗粒形状因子和组分结构配置,并基于相变理论和几何逼近方法建立了一个关于岩土材料的广义热传导模型。模型可以应用于预测处于未冻和正冻状态下的多孔介质导热系数。通过假定不同的形状因子来模拟不同土颗粒形状对土体导热系数的影响,并指出当假定基质颗粒为球形时,通常会得到一个偏小的有效导热系数;同时借助本文的9组导热试验结果和相关文献中的77组试验结果来对比分析所建模型与已有两种模型(物理模型和经验模型)的模拟效果,发现三种模型的预测结果与试验结果之间均具有很高的吻合度,但从评价参数拟合优度R~2、均方根偏差RMSD、平均绝对偏差MAD的角度来看,本文所建模型更具优越性。(2)通过综合分析已有研究中关于土体冻结特征模型的适用性和局限性,在假定土体冻结特征曲线形状依赖于土体的孔径分布和土体中未冻水主要包括已冻孔隙中未冻水和未冻孔隙中未冻水膜的前提下,本文提出了一个预估不同温度条件下,土体中未冻水含量的冻结特征模型,模型具有完整的频率分布形式。并借助前人的试验结果(7种代表性土样,6种代表性矿物成分,大量的特殊矿物和土样,以及部分非饱和土样)验证了土体冻结模型的有效性,通过非线性拟合,发现试验结果与预测结果之间的相关系数均大于0.95,表明模型对于土体在冻结过程中未冻水含量随温度的变化关系具有很好的预测效果。本文所提模型克服了相关经验模型中存在的缺点:在接近冻结温度时不可导或不连续。因此,其在数值计算中比已有经验模型更加方便、可行。同时,指出模型包含的三个参数(6,8)和9)的取值分别与土体最大孔径孔隙中液态水的冻结温度,残余含水量和相变剧烈程度有关。此外,模型也描述了在极低温度条件下,土体中残余未冻水含量与温度之间的关系。(3)冻结温度和融化温度作为两个判断土-水体系是否处于冻结状态的重要指标,但其并不为常数,而是随着土质、含水量和含盐量等参数的变化在一定范围内发生变化。为了探究相变温度随含盐量和土质类型的变化关系,本文以三种不同类型的土壤(粉质黏土,粉土,砂土)为研究对象,在不同氯化钠含量条件下进行了一系列的冻结温度和融化温度试验研究。并结合Pitzer离子模型和热力学理论,推导了含盐土-水系统在不同孔径分布和含盐条件下冻结温度的理论模型和融化温度的半经验模型。为了验证相变温度模型的有效性,将预测结果与试验结果进行了对比,发现两者之间吻合度很高。提出了一个滞回参数定量描述含盐土-水体系的冻-融滞回现象,发现这种滞回现象主要受孔径和水分活度的影响。此外,对产生相变温度和体积未冻水含量滞后现象的相关机理进行了讨论,同时通过假设各种不同形状的孔隙结构来探讨孔隙形状对滞回现象的影响。研究表明:对于针状孔隙,土-水体系表现出的相变温度降低值最小;当孔隙结构假定为饼状时,土-水体系表现出的相变温度降低值最大。(4)基于水中氢原子的核磁共振自由感应衰减原理和Pitzer离子模型;并借助低场脉冲核磁共振仪,对含Na_2SO_4-NaCl复盐盐渍土在冻结和融化过程中未冻水含量随温度变化规律及相关滞回机理进行了研究。结合试验所得核磁信号幅值结果,分析了不同含盐量盐渍土在正温条件下试样首点核磁共振信号值随温度的变化规律。从拟合优度的角度来看,试样首点核磁信号值与温度之间线性拟合优度大于0.9500,表明两者之间线性吻合良好。所有含盐粉质黏土和粉土在不同温度条件下,其T_2分布曲线均表现为2个峰值,且粉质黏土两个峰值对应的弛豫时间均较粉土低,表明粉质黏土试样中占比最大的两类孔隙的孔径较粉土小。同时,依据所得核磁共振T_2分布曲线,分析了试样在冻结和融化过程中,未冻水含量随温度、含盐量及含盐种类之间的变化特征:冻-融过程中土体未冻水含量随温度的变化存在明显滞后现象。此外,借鉴干湿循环过程中土水特征曲线的滞回机理,解释了冻融循环过程中未冻水含量的滞回现象;并且,初步探讨了从弛豫率的角度区分土体材料中可动流体与束缚流体的方法,在区分过程中,进一步尝试着分析了含盐量及含盐种类对弛豫率的影响。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TU44

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