岩土力学 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (3): 708-716.doi: 10.16285/j.rsm.2022.0580

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

单向冻结条件下硫酸盐渍土热质迁移及变形特性研究

周凤玺1, 2,巨文涛1,张留俊3   

  1. 1. 兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730050;2. 兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃 兰州 730050; 3. 中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西 西安 710065
  • 收稿日期:2022-04-22 接受日期:2022-06-14 出版日期:2023-03-21 发布日期:2023-03-24
  • 作者简介:周凤玺,男,1979年生,博士,教授,博士生导师,主要从事岩土力学、复合材料结构力学方面的研究工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No.11962016,No.51978320);甘肃省基础研究创新群体(No.20JR5RA478)

Thermal mass transfer and deformation characteristics of sulphate saline soil under unidirectional freezing

ZHOU Feng-xi1, 2, JU Wen-tao1, ZHANG Liu-jun3   

  1. 1. College of Civil Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou, Gansu 730050, China; 2. Engineering Research Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of education, Lanzhou University of Technology, Lanzhou, Gansu 730050, China; 3. CCCC First Highway Consultants Co., Ltd., Xi’an, Shaanxi 710065, China
  • Received:2022-04-22 Accepted:2022-06-14 Online:2023-03-21 Published:2023-03-24
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (11962016, 51978320) and the Basic Research Innovation Group of Gansu Province (20JR5RA478).

摘要: 对水盐补给条件下硫酸盐渍土中的热质迁移、孔隙流体相变过程以及硫酸盐渍土盐冻胀变形进行了理论和试验研究。基于非饱和土力学和热弹性连续介质理论,建立了非饱和硫酸盐渍土中水−热−盐−力多物理场耦合的数学模型,其中考虑了孔隙内相变对热力学和水力学参数的影响,通过数值模拟分析了开放系统单向冻结条件下土体内部温度场、水分场、盐分场及应力场的变化过程,并利用室内降温试验对理论模型的有效性进行了验证。研究结果表明:盐分在结晶时所析出的潜热会直接影响到水分冻结成冰的过程;土体孔隙溶液浓度在开放系统单向冻结条件的影响下随时间先快速增长至峰值而后逐渐下降,最终趋于稳定;在负温的影响下,土体内部水分相变成冰,并逐渐形成冻结锋面,随着冻结锋面的下移,土体盐冻胀程度越来越大。

关键词: 硫酸盐渍土, 数值模型, 水盐迁移, 盐冻胀

Abstract: The heat and mass transfer, pore fluid phase transition process and salt frost heave deformation of sulfate saline soil under water and salt supply conditions were studied theoretically and experimentally. Based on unsaturated soil mechanics and thermoelastic continuum theory, a mathematical model of water-thermal-salt-force coupling in unsaturated sulfate-saline soil was established, in which the influence of phase transformation in pores on thermodynamic and hydraulic parameters was considered. The variation process of temperature field, water field, salt field and stress field in soil under unidirectional freezing condition of open system was analyzed by numerical simulation, and the validity of the theoretical model was verified by indoor cooling test. The results show that the latent heat released by salt during crystallization directly affects the process of water freezing into ice. Under the influence of the unidirectional freezing condition of the open system, the concentration of soil pore solution first increases rapidly to the peak value and then decreases gradually over time, and finally tends to be stable. Under the influence of negative temperature, the water phase inside the soil becomes ice, and gradually forms the freezing front. With the downward movement of the freezing front, the degree of salt frost heave is increasing.

Key words: sulphate saline soil, numerical model, water-salt migration, salt frost heave

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