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.pdf

第 44 卷第 3 期 岩 土 力 学 Vol.44 No.3 2023 年 3 月 Rock and Soil Mechanics Mar.2023 收稿日期：2022-04-22 录用日期：2022-06-14 基金项目：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）。This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(11962016,51978320)and the Basic Research Innovation Group of Gansu Province(20JR5RA478).第一作者简介：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。E-mail: DOI：10.16285/j.rsm.2022.0580 单向冻结条件下硫酸盐渍土热质迁移单向冻结条件下硫酸盐渍土热质迁移 及变形特性研究及变形特性研究 周凤玺1,2，巨文涛1，张留俊3（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）摘摘 要：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。关关 键键 词：词：硫酸盐渍土；数值模型；水盐迁移；盐冻胀 中图分类号：中图分类号：TU448 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10007598(2023)03070809 Thermal mass transfer and deformation characteristics of sulphate saline soil under unidirectional freezing ZHOU Feng-xi1,2,JU Wen-tao1,ZHANG Liu-jun3(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.,Xian,Shaanxi 710065,China)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.Keywords:sulphate saline soil;numerical model;water-salt migration;salt frost heave 1 引 言 硫酸盐渍土在我国西北寒旱地区有着广泛的分布，作为典型的含相变多孔多相介质，土体内部固、液、热、盐、力等多物理场耦合问题是引起该地区工程建设病害及环境弱化的本质原因。其中，708 岩 土 力 学 2023 年 土体中水盐迁移规律是盐渍土地区环境灾变和工程问题研究中一个重要的基础性科学问题。随着研究的深入，硫酸盐渍土的多场耦合理论模型、室内外试验分析以及数值模拟等方面已经积累了大量的研究成果。其中，在水盐迁移及盐冻胀方面，张彧等1提出温度场主导了土体中热质迁移的过程，随着环境温度的降低，土体温度场的作用随深度的增加而减小。吕擎峰等2通过毛细水上升试验，提出固化盐渍土不仅具有降低毛细水上升的作用，而且对于盐分的迁移具有更好的抑制作用。张宏等3总结了硫酸盐渍土中水分、离子迁移的主要模式。其中，水分迁移理论主要有吸附薄膜理论、薄膜水迁移理论、毛细管作用假说以及结晶力理论，而离子迁移方式主要为渗流、扩散以及渗流扩散混合迁移。邴慧等4指出单向冻结条件下，随着水盐迁移的持续进行，土体的冻结深度逐渐减小，从而直接影响到土体的变形，而硫酸钠盐渍土的盐胀变形只发生在未冻土段。吴道勇等5指出盐分以离子的状态存在于未冻水中，并且以其为载体，在降温期间向冷端运移。而盐分的聚集结晶促使土体产生较大的吸力，进而导致了水盐迁移速率进一步提升。高江平等6分析了含水率、氯化钠含量、硫酸钠含量、初始干重度及上覆荷载分别对于硫酸钠盐渍土盐胀率的影响并提出相应公式。万旭升等7指出随着土体中含盐量的增加，孔隙溶液的冻结温度逐步减小，并且结晶盐含量与孔隙溶液浓度呈正比。王旭超等8通过试验等手段，研究了粗颗粒硫酸盐渍土的盐胀量随细粒土含量的增加呈现出先增加后减小再增加的趋势。Zhang 等9指出土体导热率和渗透系数受硫酸盐含量影响，且随含盐量的增加，导热率及渗透系数逐渐减小。数值模拟方面，Zhang 等10以结晶动力学为基础，建立了饱和硫酸盐渍土的水热盐力四场耦合模型，以此模拟单向冻结过程中的水盐迁移及水盐相变过程，同时提出水的活性度和溶液的过饱和度分别是冰水和溶液盐晶体相位变化的驱动力。但该模型对于非饱和硫酸盐渍土的相关研究依然存在局限性。冯瑞玲等11基于水动力学模型和质量守恒定律，引入等效含水率和等效含盐量，修正了盐渍土四场耦合理论，并且利用该模型分析了盐渍土路基的变形过程。路建国等12提出了硫酸盐渍土在单向冻结过程中过冷现象下的导热系数和热容计算公式，并利用阶跃函数得出计算模型，从而得出水热盐理论模型，但该模型并未考虑盐冻胀导致的变形情况。周凤玺等13在连续介质力学原理及多孔介质理论的基础上，得到了非饱和盐渍土多物理场耦合模型。该模型考虑了孔隙率演化、气体传输等因素的作用，并且利用试验加以验证。但该模型只考虑正温情况下的水盐迁移及盐胀变形。可见，现有的研究对硫酸盐渍土，尤其是非饱和硫酸盐渍土在负温情况下的水盐迁移及变形特性，无论是理论分析还是试验研究方面尚不完善。由于地下水对土体中的水分迁移有着很大的影响。因此，不考虑水分、盐分补给的封闭系统并不能全面反映盐渍土中水盐补给和迁移过程。基于此，本文在单向冻结开放性试验基础上，探究硫酸盐渍土水盐迁移及盐冻胀机制，并利用数值方法分析了水盐补给条件下硫酸盐渍土在单向冻结过程中的多场耦合作用和盐冻胀发育规律。2 数学模型 2.1 温度场控制方程温度场控制方程 基于 Fourier 定律考虑热传递中的传导及对流过程，并且将水分及盐分相变潜热作为热源，则非饱和硫酸盐渍土中的温度场控制方程为14 citiicc=TCTLLttt+（1）式中：tC为体积比热容；为导热系数；iL、cL分别为冰水相变和盐分结晶潜热；i、c分别为冰和结晶盐的密度；i、c分别为冰含量与芒硝的体积分数；为微分算子。其中，考虑各组分的含量变化对比热容和导热系数的影响15：tsssiiiwwu=CCCC +（2）uwiiss=(1)+（3）式中：sC、iC、wC分别为土壤颗粒、冰、水分的体积比热容；w、i、s分别为液态水、冰、土壤颗粒的导热系数；s为土壤颗粒体积含量分数；u为体积含水率；s、w分别为土颗粒和未冻水的密度。2.2 未冻水运移方程未冻水运移方程 土体中未冻水的迁移过程遵循达西定律，在Richard 方程的基础上，考虑相变过程对未冻水含量的影响，则非饱和硫酸盐渍土未冻水运移方程为 ucwciiwwc()=0MkzttMt+（4）式中：z为重力势；为基质势和渗透势之和；wM为结晶盐中吸附水的分子量；cM为结晶盐的相对第 3 期 周凤玺等：单向冻结条件下硫酸盐渍土热质迁移及变形特性研究 709 分子量；渗透系数()k S可以表示为16 ()21/0z()=11mmk Sk SIS （5）式中：S 为冻土有效饱和度；与 m 为与土壤性质有关的常数；0k为饱和土渗透系数；zI为结晶阻滞系数。本文选用 Van Genuehten(VG)土水特征曲线模型，其中有效饱和度为17 urb