粗粒盐渍土路基水热盐力耦合方程修正及试验验证

为了研究粗颗粒硫酸盐渍土路基中的水盐迁移机理及路基内隔断层设置对水盐迁移的影响效果,并建立水盐迁移与路基盐胀、融陷变形的联系,基于非饱和土渗流和热传导理论,考虑水盐相变对水分场、温度场、盐分场和应力场的影响,分别针对已建立的水分场、温度场、盐分场进行满足粗颗粒硫酸盐渍土路基工程特性的修正,进而建立了适用于粗粒硫酸盐渍土路基水、热、盐、力场的耦合微分方程组。利用COMSOL Multi-physics软件建立了盐渍土路基水-热-盐-力场耦合数值模型,并通过室内大型粗颗粒盐渍土冻融循环试验结果对建立的数学模型的有效性进行验证。结果表明:在有地下水补给的冻融循环试验过程中,砾砂类硫酸盐渍土路基的低温影响敏感区域深度范围约为45 cm,土工布设置应综合考虑区域低温影响敏感深度和毛细水强烈上升高度;在毛细作用和温度影响下,砾砂盐渍土路基中的水、盐均向冷端迁移,其会导致土工布下方出现盐分聚集现象,其中硫酸根离子富集程度较强;隔断层可有效阻碍水盐纵向迁移路径,减弱水、盐向低温影响敏感区段迁移,从而达到减小路基盐胀、融陷的效果,同时减小路基变形的程度可以达到30%以上。     

路基水盐迁移及其对路用性能的弱化影响研究

针对盐渍土地区的高速公路填料，采用自制冻融循环试验装置进行了冻融循环作用下砾类土路基水盐迁移试验，结果表明:距路基顶面20 cm以下的中上部土层为主要的“聚盐层”，此高度范围主要发生盐分迁移和“水去盐留”的蒸发聚盐过程。分析了细粒含量对砾类土路基冻融循环冻胀变形量和压实度衰减率的影响，细粒含量越高，路基冻融变形量越大，压实度衰减率越大。土样经过冻融循环后，其回弹模量和CBR显著降低，冻融循环引起的路基次生盐渍化导致其路用性能的弱化。从减少毛细水和盐分迁移、减缓路基压实度衰减和冻胀角度出发，季节性大温差极端环境下强盐渍土地区砾类土路基填料应将细粒含量控制在10%以下。     

硫酸盐渍土水-盐-热-力四场耦合理论模型

针对硫酸盐渍土盐胀过程中较为欠缺的四场耦合理论,在已有的冻土三场耦合模型的基础上,建立了盐渍土水-盐-热-力四场耦合动力学模型。首先,基于水动力学模型和质量守恒定律,在水分场方程和盐分场方程中分别引入等效含水量和等效含盐量的概念,以此为耦合因子简化了水-盐-热耦合模型,不仅考虑了溶质扩散及水动力弥散的作用,还考虑了结晶盐-盐溶液相变(化学反应)对盐分迁移,以及结晶盐相变潜热对温度场的影响。其次,根据能量守恒定律,增加结晶盐的相变潜热,使温度场方程更符合工程实际情况。同时,在建立应力场方程时,盐胀部分由溶质的摩尔质量差进行计算,冻胀部分由原土中的部分水加上迁移来的水减去硫酸钠结晶所需要的水进行计算,从而推导出了应力与水分迁移、盐分迁移以及温度的关系,完善了盐渍土四场耦合理论。最后运用该理论模型,计算分析了新疆某公路盐渍土路基的盐冻胀变形过程。结果表明:计算所得地温规律、盐分迁移规律和盐冻胀规律与实测结果基本一致,计算与实测结果均表明,从秋末至来年春季,硫酸盐渍土路基经历了降温到升温的温度剧烈变化阶段,此阶段路基的变形过程可分为平稳区、缓慢盐冻胀区、剧烈盐冻胀区、盐冻胀变形滞后区、缓慢沉降区、剧烈沉降区6个部分。     

盐渍土的毛细管水上升高度研究

盐渍土在全国各地均有分布,但主要分布在新疆地区。盐渍土发生盐胀,能使路基失稳,路面损坏,直接影响着道路交通的正常使用和使用寿命,其危害极大。盐胀的发生主要是水的作用,也是毛细管水的上升所引起的。根据不同的含盐量,研究毛细管水上升高度的规律性,为治理盐胀、合理确定路基高度、隔断盐分上升的方案选择等具有重要的应用价值。     

强、过盐渍土地区高速公路路基阻盐技术研究

依托察尔汗至格尔木高速公路工程试验段，分析总结了盐渍土地区盐分在路基中的迁移方式以及影响盐分迁移的因素。从隔断层铺筑、路基填料的控制、护坡道和排碱沟设置方面，研究了察尔汗盐湖区高速公路路基阻盐技术。现场阻盐效果检测结果表明:水、盐在砾类土路基内部迁移高度为50 cm，次生盐渍化临界高度为45 cm，未发现路基由于次生盐渍化引起的沉陷和不均匀沉降等病害；公路投入运营以来，经历过两个雨季和两个冻融期，路基和地基整体沉降量3个月为0～2 mm，采用的阻盐技术处治效果良好。     

淮北粉土毛细水上升特性研究

在地下水的作用下,粉土路基填料的含水量及密实度会发生系列变化。尤其是强烈毛细水上升高度,对路基产生危害作用更大。为此我们通过现场调查以及室内和现场试验对淮北地区粉土路基的毛细水特性进行了系统的研究。结果表明,路基土中毛细水上升高度及毛细水上升引起的含水量增加都与土基的密实程度成反比;路基粉土填料因毛细水上升引起土体含水量的增加,会有微膨胀,从而降低压实土体的密实度和土体的强度;采用铺设土工防水板的方式可有效阻隔水对土基的侵润,阻断毛断细水的上升,达到保证路基填料含水量不发生变化,以确保压实路基土在运营使用中的路用强度不致降低。     

砂性土路堤填料毛细水上升试验分析

为分析砂性土路基填料的毛细水上升规律,文章依托某高速公路,通过施工现场取样,在了解砂性土样的基本性质后,通过室内试验分析了压实度、温度、含水量对毛细水上升规律的影响。结果表明：压实度对毛细水上升高度的影响较大,随压实度增加,砂性土毛细水上升高度也随之增加,路基压实度应高于95%;环境温度对其影响较小,随温度升高毛细水上升高度略有增加;含水量对毛细水影响较显著,随含水量的增加,毛细水明显下降,路基填料含水量应控制在9%～10%。     

路基水盐迁移特性及对路基路用性能影响的试验研究

为了探明公路路基水盐迁移特性及对路基路用性能的影响,依托青海察(尔汗盐湖)格(尔木)高速公路察尔汗盐湖区段路基工程,以察尔汗盐湖区段沿线的含砂低液限粉土、粉土质砂、砾类土为研究对象,开展毛细势作用下非饱和土路基水盐迁移及路用性能室内试验研究,揭示在毛细势作用下强盐渍土地区公路路基水盐迁移规律,明确不同填料路基毛细水的上升高度与盐渍化程度,以及次生盐渍化对路基路用性能的影响。研究结果表明:含砂低液限粉土(非盐渍土)、含砂低液限粉土(弱盐渍土)与砾类土路堤毛细水最大上升高度分别为85、75和55 cm,有害毛细水上升高度分别为60、40和45 cm,次生盐渍化高度分别为50、30和45 cm;随含盐量的增加,粉土填料CBR值整体上呈减小趋势,而砾类土路堤填料CBR值呈现出先增大后减小的趋势,验证了水盐迁移造成粉土和砾类土路基路用性能的降低,但次生盐渍化对粉土路基路用性能的影响更甚。     

青藏铁路西格段路基土体冻胀试验研究

以青藏铁路西格段季节性冻土区路基冻害为背景,通过现场采集典型分布的粉质黏土,考虑温度、水分、盐分、压实度4个因素,进行室内冻胀试验,测试不同温度下路基土体的冻胀率,分析不同含盐量、含水率、压实度和温度下的冻胀试验数据。结果表明:对于不同压实度和含盐量的试样,冻胀率随含水率增加逐渐增大;随着含盐量的增加,土体的起胀温度逐渐降低,土体的冰点也随之降低;含盐量低于1.0%时,随着压实度的增加土体冻胀率呈增大趋势,含盐量为2.0%时,土体冻胀率不随压实度的变化而变化,进一步增大含盐量时,土体的冻胀率随压实度的增加     

含硫酸钠风积沙路基土土-水特征曲线试验研究与模型修正

针对中国西北部沙漠地区风积沙路基土出现的硫酸钠盐渍化现象，为探究水盐耦合效应对含硫酸钠风积沙路基土水力、力学性质的影响，实验室配置不同Na₂SO₄盐分含量的风积沙路基土试样，基于ASTM D5298-16规范中滤纸法测试其基质吸力、总吸力并绘制土-水特征曲线，分析含盐量对基质吸力、总吸力土-水特征曲线的影响规律，在v-G模型的基础上进行含盐量修正，建立可以考虑水盐耦合效应的风积沙路基土土-水特征曲线模型并通过试验数据对模型拟合验证。结果表明：Na₂SO₄盐分含量对风积沙基质吸力、渗透吸力和总吸力均有影响，当体积含水率较高时，含盐量主要通过影响渗透吸力而对总吸力影响较大，而当体积含水率较低时，含盐量会对基质吸力产生一定影响；含盐量改变主要对v-G模型中参数a产生影响，含盐量修正后的v-G模型在拟合阿拉善地区含硫酸钠风积沙路基土基质吸力和总吸力土-水特征曲线时适用性较好。研究结果可为该类土体相关工程实践提供理论指导。     

低液限粉土路基填料工程特性研究

针对低液限粉土路基填料具有液限低、塑性指数小、强度和水稳定性差的特点,文中结合依托工程对低液限粉土进行了水稳定性试验、含水量对压实度影响试验、压实影响深度及碾压遍数试验。研究表明,击实功是保证低液限粉土路基水稳定性的关键因素;松铺厚度和碾压遍数应严格控制,实际施工以30 cm铺厚、碾压5~6遍为宜;由于低液限粉土在施工过程中易失水,以大于最佳含水量1%~2%压实可获得较好效果。     

极旱荒漠地区板块状盐渍土盐胀特性研究

为研究极旱荒漠地区板块状盐渍土的盐胀特性及盐胀机制,该文对取自新疆罗布泊地区哈若公路沿线板块状盐渍土进行了室内土工试验和盐胀分析试验,并对盐胀特性试验以后的试样进行了5 000倍放大扫描电子显微镜下微观结构变化分析。试验结果表明:区域板块状盐渍土剧烈盐胀区都主要发生在+15~-5℃的范围内。在相同条件下盐渍土易溶盐的含量与盐渍土最大盐胀率呈二次抛物线关系。结合盐渍土路基的病害特点研究了板块状盐渍土的盐胀率和压实度之间的相互联系,发现板块状盐渍土地区盐渍土含水量一定时盐胀量随路基压实度的变大而增加。     

公路盐胀病害治理探讨

一、前言新疆通过盐渍土地区的干线公路有数百公里,公路路面由于盐胀破坏,出现鼓包、波浪、裂缝、坑槽.在病害严重的路段,波浪的峰谷相差20多厘米,裂缝宽达10cm以上,新疆交通科研所对盐胀病害的成因、影响因素、治理措施的研究已长达十余年.根据研究成果我们对314国道K573～K593的20km严重盐胀病害路段进行了改造治理,改建使用四年后,效果良好,经实测车辆时速平均提高29km.每公里每年运输经济效益达16.5万元.该项工程设计获新疆维吾尔自治区优秀勘测设计二等奖.本文根据这一改建工程,着重谈谈我们提出的治理盐胀病害的旧路改造结构图式(图1)和新建路段的路基路面结构图式(图2)以及验算方法.     

皖西中膨胀土石灰改性试验研究

针对皖西典型中膨胀土及其石灰改性土,进行了系统的物理特性、胀缩特性、强度特性试验。试验结果表明:中膨胀土具有较强的吸水膨胀软化特性,其CBR值低于3%,不能满足路基对填料的强度要求,用作路基填料必须改性;经石灰改性后,其自由膨胀率、塑性指数显著降低,亲水能力大幅度下降,水稳定性较好,能有效抑制其胀缩潜势和提高土体强度,能满足路堤填筑的要求。中膨胀土石灰改性的质量掺入比按6.0%控制,压实含水量以控制在最优含水量±3%范围内为宜。     

自然环境下盐渍土路基水盐分布与迁移

针对新疆硫酸盐渍土地区道路每年10月底路面开始发生不均匀隆起、开裂的现象,选择处于自然环境中的典型硫酸盐渍土路段,对其道路中心线和左、右路肩部位进行路基含盐量调查.结果表明,隔断层对阻止盐分向路基顶面迁移有明显效果,但也加剧了其下盐分的积聚.隔断层的“覆盖效应”明显,土工膜的覆盖效应强于风积砂.在工程中选择隔断措施时应考虑其长期应用效果.     

湿度对青藏公路多年冻土路基稳定性的影响

水是影响冻土路基稳定性的重要因素之一。通过现场调查及测试,分析了青藏公路多年冻土地区路基的主要病害类型及典型路段路基湿度的分布规律,在此基础上分析了湿度对路基病害的影响,研究结果证实:水是造成路基变形的关键因素,土体含水量的增大还会加剧路基变形,进一步影响其稳定性。     

乌鲁木齐地区低液限粉性土毛细水迁移因素分析

按照公路路基填筑要求,对低液限粉土进行试验设计,通过分别控制压实度和初始含水量,对低液限粉土进行室内竖管毛细水上升高度试验,定性地分析了毛细水上升影响因素;重点分析了低液限粉性土毛细水上升高度随初始含水量及其压实度变化的特性,提出毛细水上升随时间分为3个阶段。当初始含水量大于9%时毛细水上升高度随初始含水量的增加而减小。在最佳含水量状态下随压实度的增加毛细水上升高度呈二次抛物线分布,强调了低液限粉性土作为路基填料时压实度应控制在90%以上,尽可能增加压实含水量,一般宜大于最佳含水量。     

自重作用下黄土高路堤密实状态变化分析

通过典型黄土固结试验，计算分析了黄土高路堤不同深度处路基土压实度、空气率、饱和度等密实状态指标的变化特征。得出:压实度增量随上覆填土高度呈幂函数增长关系，上覆填土每增加10 m，路堤内部下伏黄土压实度有0.8%～1.6%左右的上升幅度，路堤边部压实度上升0.5%～0.8%左右；高路堤中黄土填料空气率随上覆填土高度呈幂函数下降，饱和度随上覆填土高度呈幂函数增长；路基上覆填土越厚，自重应力越大，路堤内部黄土填料压实度越高，在路面以下20 m处，常规高路堤在施工结束后内部压实度从93.0%上升至95.1%～96.1%。     

盐渍土路基盐-冻胀变形试验研究

在季节性冻土和盐渍土灾害地区,盐渍土的盐-冻胀(盐胀-冻胀)变形对道路路基造成很大的危害.南疆阿拉尔市城市道路建成后,盐渍土路基变形较为严重.为了确定盐渍土路基变形破坏的类型、原因及其发生机理,对变形破坏严重的道路进行路面变形量、路基不同深度地温,日平均气温及测区地下水位的季节变化进行现场监测试验,并对路基盐-冻胀变形进行了评价.结果表明:试验路段路基的变形属于盐-冻胀变形破坏,路基中的硫酸盐使水泥土稳定基层膨胀开裂和外部水分入渗路基产生冻胀是路基产生变形破坏的主要原因.     

盐渍土路基病害特征分析

为研究盐渍土路基的病害特征,首先对影响盐渍土工程性质的盐胀性、溶陷性和腐蚀性进行了分析,结合依托工程系统研究了盐渍土路基病害特征表现形式,并对盐渍土路基相关标准规范进行了系统分析。研究结果表明:盐胀性、溶陷性和腐蚀性是引起盐渍土路基病害的主要原因,盐渍土工程性质受季节性、温度、湿度影响较大;路面纵向裂缝在温度相对较低的冬季逐渐扩大,气温升高后裂缝的宽度减小,部分裂缝可以达到愈合的程度;路面波浪形起伏使得路面平整度变差,影响道路的使用性能。