含硫酸钠盐渍化冻土路基变形机理研究

Salt expansion, frost heave and thaw settlement is the principal faliure causes of saline soil roadbed with sodiun sulfate. It is an outstanding issue that how the salt expansion, frost heave and thaw settlement including ice and salt crystals melting influence the deformation of the roadbed in cold salinization regions. Based on the laboratory experiments on the thermodynamic and hydraulic paramaters of saline soil with sodium and sulfate, a modle of salt expansion will be bulid to distinguish salt expansion and frost heave during cooling. Several governing differential equtions on coupled water, heat, salt and stress are deduced and enough equations are generated to make the problem determinate. The model is proved and validated by the laboratory tests and numerical simulation experiments, which shows the time-space distribution trend of the water, heat, salt and stress, and bings to light the mechanism of the four-phase filed in saline soil roadbed with sodium sulfate in cold regions. In the project the treatment methods to salt expansion diseases at present are evaluated using the model, so it can be forecast the salt expansion, frost heave and thaw settlement of the roadbed with saline soil during cyclical freeze-thaw. The research on the deformation of roadbed with saline soil in cold regions will provide valuable scientific references for the engineering maintenance and treaiment in cold salinization regions.

盐胀、冻胀及融沉（冰结晶和盐消溶）是引起寒区硫酸钠盐渍土路基破坏的主要原因，三者的变形分析是寒区盐渍土路基设计的依据，是治理盐害和冻害的关键，也是目前硫酸盐渍土路基工程亟待解决的问题。本项目在补充试验完善硫酸钠盐渍土热力学、水理参数的基础上，推导盐胀模型区分温变过程中的冻胀和盐胀，并以冻土物理学、冻土力学、土壤物理学、传热学等学科理论为支撑，建立硫酸钠盐渍土冻融过程水热盐力耦合作用的定解控制方程，通过室内模拟试验及数值试验完善和验证理论模型，提出寒区路基盐分迁移的计算理论，分析寒区硫酸钠盐渍土地区路基工程中水热盐力时空分布和变化趋势，探讨冻融过程中水热盐力相互作用机理，评价目前采用的典型盐胀治理方案的可行性，预报冻融过程中的盐胀、冻胀及融沉变形，以期为工程建设和解决硫酸钠盐渍土地区工程灾害提供理论依据。该项研究是学科发展的深入，同时对寒区硫酸钠盐渍土路基工程盐胀防治具有实际科学指导意义。

本项目针对引起寒区硫酸钠盐渍土路基破坏的三大主要原因，即盐胀、冻胀和融沉（冰结晶和盐消溶），对硫酸钠盐渍土的路基变形机理进行了研究。项目四年的执行过程中在补充试验完善硫酸钠盐渍土水热物理参数基础上，推导了温降之时盐胀模型，并建立了硫酸钠盐渍土冻融过程中水热盐力耦合作用的控制方程，提出了寒区路基盐分迁移的计算理论，深入揭示了硫酸钠盐渍土冻融过程中水热盐力相互作用机理。本项目严格按照研究计划，顺利实施了所有研究内容，高质量完成了项目预期目标。主要成果包括：（1）对于冻土中硫酸钠盐渍土的两个重要参数，土质不会影响硫酸钠盐渍土冻结温度的变化规律，只会改变极值点出现时的含盐量；硫酸钠盐渍土未冻水含量随孔隙溶液有效浓度增大而减小；（2）收集整理并试验得到有关硫酸钠盐渍土（不同土质、含盐量、含水量、干密度等条件）的水热物理参数，建库共用；（3）以热力学理论为基础，推导并验证了硫酸钠盐结晶是含盐量、温度、压力和含水量的函数；其中含盐量是影响硫酸钠结晶的关键因素、温度、压力次之，含水量对硫酸钠盐结晶的影响存在峰值；（4）考虑硫酸钠盐渍土路基变形的影响因素，建立了盐胀率与初始含水量w、土体孔隙率n和降温前后溶解度之间的盐胀关系式，并辅以试验验证；（5）考虑温度场、水分场、盐分场和变形场之间的耦合效应，分别推导建立了硫酸钠盐渍土路基水热盐力四场耦合模型，通过数值试验和室内试验进行验证，研究了不同工况下硫酸钠盐渍土在冻融过程中的水热力盐的分布及变化规律，揭示了硫酸钠盐渍土中的水热盐力相互作用机理；（6）评价了目前盐胀治理措施的实效性，建议根据当地自然气候条件、土质和经济效益等，可采用经济且有效的综合措施，以达到事半功倍的效果。该项研究是学科发展的深入，同时对寒区硫酸钠盐渍土路基工程盐胀防治具有实际科学指导意义。