冷却和动载荷的耦合作用对盐碱地盐碱土壤的变形特征的影响

文摘

为了掌握盐渍土变形的特征和机制冷却和动载荷的耦合作用下,三种类型的青藏高原Qarhan-Golmud高速公路的路基填料被选为实验土样的试验研究。首先,冻结温度试验进行SS(砂质粉土)和HS (high-sulfate粉质粘土)。测试结果表明,党卫军的冻结温度是-0.32°C,而HC (high-chloride粉质粘土)和海关不会冻结在-20°C,由于盐的存在。其次,三个土壤样本受到变形特性试验冷却和动载荷耦合作用下,分别和温度梯度随时间的变化曲线的变化,变形的时间变化率的历史曲线,和变形速率进行了综述。最后,变形速率与时间的模型,该模型下的变形与应变率变化的速率冷却和动载荷的耦合作用。测试结果发现,(1)的冷却速率温度梯度曲线的三个土壤样本显示,早期快速冷却速率,在后期趋于稳定。0°C线的距离从顶部逐渐减少,这是受到冻结温度和盐含量的影响。(2)影响冻结温度和盐类型,党卫军展品冻胀,HS和HC结算。最后的变形是1.0%、-0.73%和-1.10%,分别。(3)模型的变形速率与时间和变化率模型的耦合作用下的变形与变形速率冷却和动态负载提出和验证,这是有利于工程稳定的评价盐渍土路基填料。

1。介绍

近年来,随着中国经济的快速发展,交通建设中占有越来越重要的地位。目前,机动车所有权继续上升,这也使得越来越多的学者开始关注研究变形的影响路基路面的交通负荷。项目进行交通建设的数量正在迅速增加,和项目的规模越来越大,宽,所以越来越多的岩土工程问题。这些岩土工程问题主要是由于两种原因:基础薄弱造成的变形阻力或自己的地基承载力低。因此,重要的是要研究基础和上部荷载的岩土工程的变形和强度。

Akoto和辛格1)确定的弹性和粘弹性参数lime-improved红粘土通过循环三轴试验,分析了动态负载弹性模量的影响。徐和周2]研究了不排水循环荷载作用下饱和软粘土的形状,测量了不同周期循环荷载作用下,孔隙水压力,建立了特征适合在上海饱和软粘土。Pritz [3)进行了动三轴液化试验对原状黄土与重塑黄土在美国东部等幅循环荷载下,获得相同的饱和黄土液化标准和失败标准普拉卡什。张(4)提高了膨胀土,用生石灰改进剂。平原土壤和改善土壤与静态载荷和动态载荷测试,和一个更全面的了解lime-improved膨胀土的工程性质。李,周5)进行了动态研究粉煤灰路基填料类型和提出振动频率、初始静应力水平和含水量都是动态粉煤灰强度的影响因素。Zhang et al。6)进行了冻融循环试验硫酸盐渍土含盐量为1.0%,研究土壤变形,和实验结果表明,盐结晶是土变形的主要影响因素。王等人。7)进行冷冻实验氯盐土壤含盐量在0.1% - -1%的范围,得出的结论是,它不被认为是常数土壤系统是否处于冻结状态,这应该是依靠土壤质地,水分、盐分等。丹诺et al。8]霜肿胀进行测试五个自然细粒度下土壤负荷200 kPa,和实验结果表明,土壤胶体有机组件移除变得不那么容易霜。从上面的研究,可以发现,大多数当前的研究路基填料的变形特征和相关负载实验是淡的土壤在冷冻条件下或盐碱土壤含盐量较低,很少有实验研究高氯化盐碱土nonfrozen条件下的变形。

Zhang et al。9)前冻结实验进行盐碱土含盐量为0.6%。发现在冷冻区温度变化速度比在解冻区,和他开发了一个模型来描述耦合hydro-thermal-salt-mechanical (HTSM)的过程。田et al。10]对铁路路基变形进行测试填写内蒙古负载和温度的耦合效应下,发现静态和动态载荷有一定抑制作用对土壤霜肿胀,和这个细粒度的土壤的霜肿胀率逐渐减少与增加外部负载值。周(11]你们和赖[12)研究了软粘土和杭州湾粉砂土,分别,发现振动频率越大,产生的动态应变越小样本和动态强度越高。周(13)也使用stress-controlled循环三轴试验,发现土壤损失值与循环应力比。同时,测试还发现,循环应力值的主要因素影响生成和循环孔隙水压力的增长。Matesic和Vucetic14]研究了应变率对动态割线模量的影响小应变条件下的三种类型的粘土和砂体的三种类型。科斯拉和辛格15)进行了一系列的循环荷载试验风干渥太华砂的数量的影响,研究应变载荷。随着循环荷载的数量增加,沙子将出现在三种应变状态。Sarkar和Mishra16)建立了盐碱土壤侵蚀敏感性模型使用二元逻辑回归算法和人工神经网络。Zhang et al。17)使用BP神经网络来影响扩张的影响负载的抑制效果输出盐渍土的盐胀的6种不同类型,包括细粒度的砾石土壤硫酸盐盐渍土土壤砂砾亚硫酸盐盐渍土和细粒度。赵et al。18]了盐渍土为研究对象;基于英国GDS动三轴试验系统,进行了冻结三轴试验下温度变化状态,及其动态应变法压力和动态剪切模量等变化规律,研究了在不同温度、频率和围压。Zhang et al。19,20.]研究了水热行为的影响饱和霜肿胀的白垩土的土壤。四个不同的压力被应用于每个土壤样本的顶端。实验结果表明,补给水的主要成分是弗罗斯特肿胀。施加压力的增加可以限制迁移和减少的水在土壤冻结和提议,霜霜肿胀饱和白垩土的膨胀行为在单向冻结与许多因素相关,如土壤性质、含水量、土壤样本大小和环境条件。先前的研究主要集中在动态负载nonfrozen土壤低温环境下的机械性能和土壤变形影响因素。很少有研究关注nonfrozen盐碱土壤不同盐类型的变形耦合作用下的冷却过程和动态负载。

盐碱土壤存在在中国的大部分地区,包括松嫩平原、黄淮海平原、沿海地区、内蒙古河套地区,中国西北的内陆地区21,22]。特别是在中国的西部,有大量的低级公路和农村公路,受气候影响,技术,和经济因素,其中一些有霜肿胀和泥浆的疾病,严重影响中国的运输业务,甚至影响中国西部发展的步伐。路基土的岩土性质的总数应该调查。根据岩土性质和化学分析土壤样本超过200个采样点沿着Qarhan-Golmud高速公路,这个地区的盐渍土主要是低可塑性好粘土(CL)、盐含量从0.2%到48.5%。氯离子含量主要是集中在3%到25%,硫酸和离子含量基本稳定在0.3%到2%在整个生产过程中23]。盐含量和盐类型直接影响盐渍土的力学行为;这两个典型的high-chlorine盐渍土和高硫选择盐渍土为研究对象。通过试验研究代表性土样的变形耦合效应下的冷却和动态负载,盐渍土的变形规律和适应性不同盐的类型进行了总结,这是足够的参考在类似地区路基土壤的选择。

2。工程背景

察尔汗盐湖盐渍土地区位于青藏高原的东北部柴达木盆地。它是一个内陆盆地西北部的青海省,中亚沙漠的一个组成部分,属于青藏高原寒冷地区高速公路自然区划。这个地区的年降水量只有20 - 143毫米,但年度蒸发高达2000 - 3000毫米,地理位置是在西北大陆,四周环绕着高山,让温暖、潮湿的气流很难进入,全年阳光受到高温的影响。这是一个典型的大陆性沙漠气候;更有大量的盐碱土壤类型和复杂的特点。图1是盐结晶的地图沿着路边Qarhan-Golmud公路、盐晶体在哪里经常看到在地面上。

路的起点从Garsu格尔木市位于Garsu,和端点位于格尔木市的城市,总长度34.7公里,和各种类型的盐碱土是广泛分布的。盐碱土壤和土壤之间的主要区别是盐碱土壤含有一定量的可溶性盐,这是完全溶解在水中时,含水量高,和过饱和盐土壤颗粒之间存在晶体形式的含水量较低时,发挥某些骨骼作用[24,25]。因此,盐碱土壤含水量较低时,有一个特定的土壤颗粒之间的胶结,拥有一定的承载力。当外部条件变化时(降雨、灌溉等)、土壤中的可溶性盐完全溶解,和土壤结构破坏,强度降低,而且很可能肿胀、盐浆,沉没和腐蚀,和其他灾难问题会发生,盐渍土地区公路疾病的主要类型(在中国26,27]。

3所示。动态负载下的土柱实验设计

3.1。土壤样品的物理参数

桑迪白垩土,路基填料的典型霜肿胀和泥浆节109国道橡胶山在青海省,虽然两个盐碱土壤的样品取自沿着Qarhan-Golmud公路在青海省和分为两组根据氯盐或硫酸的内容。土壤样品受到基本的物理性质和可溶性盐的化学测试。土样的基本参数如表所示1。的内容不同的盐两个盐渍土测试土壤样本如表所示2。土壤样本编号。党卫军(砂质粉土)是桑迪白垩土壤中的盐分土壤样本HC (high-chloride low-sulfate粉质粘土)在盐碱土壤主要是氯盐与高总盐含量,而土壤样本HS (high-sulfate low-chloride粉质粘土)硫酸盐含量相对较高。图2显示了三个土壤样品的粒度分布。根据(28),土壤样本HC和HS低可塑性好粘土(CL)、和土壤样本SS低液限砂质粉土(SM)。

3.2。动态负载测试

测试设备如图3。具体的测试步骤如下:(1)在本测试中,有机玻璃筒直径150毫米,壁厚10毫米的使用。一层薄薄的凡士林是均匀地应用到气缸壁,并以开放的底部是一个塑料袋贴在缸壁,以确保测试期间的水吸入。然后,有机玻璃筒及其匹配底板组合,塑料袋是坚持板的顶部,然后,670.57 g计算所需数量的土壤的压实度0.96,和土壤分为五层,把有机玻璃筒,和每一层压实根据需求。控制每一层的高度是20毫米。一层压实后,头发应该刮掉,然后下一层应压实。一张滤纸放在顶部和底部的标本作为水渗透和水不透水(2)土壤样本准备后,顶部的板安装温度传感器是插入孔的温度。从上到下缸,每个插入温度传感器2厘米。标本后,外层裹着一块海绵提供绝缘和左站24小时,使水分在土壤样品是均匀分布的(3)步行低温恒温器室的温度保持在5°C和调整样品温度的低温恒温器的顶部和底部板5°C。土壤样本的温度是由一个内部传感器到土壤中的温度是5°C从上到下(4)顶板上的低温恒温器的温度调整到-10°C,和底板的低温恒温器的温度不变,允许单向冷却;与此同时,静态载荷和动态载荷( )应用于土壤样本。正弦波的压力调整的动态负载和频率设置为1赫兹,和负载曲线如图4。在实验;土壤的温度变化和土壤变形过程样本记录。实验结束时,内部温度稳定性和土样的变形稳定

这个地区路基的高度约为1.5米~ 1.8米。路基填料的最大密度为1960公斤/米³和被;计算,适用于静载荷实验30 kPa。在测试是基于动态负载条件(29日];20 t车辆行驶60公里/小时的动态应力峰值34 kPa表面的路基。结合现有的测试设备和Qarhan-Golmud最低限速80公里/小时的高速公路,动态负载强度设置为60 kPa在这个测试。

4所示。结果与讨论

4.1。冻结温度测试结果

这是验证根据盐渍土的冻结温度的拟合方程由陈et al。30.] 在哪里最优含水量,Cl^{- - - - - -}因此,氯离子含量吗₄^{2 -}是硫酸盐离子的内容。

图5的冷却和冷冻时间历史曲线测试土壤样本。从测试结果可以知道,党卫军的冻结温度是-0.32°C,和海关的冻结温度应低于-20°C。

根据方程(1),氯离子含量越大,土壤冻结温度越低。的内容主要负离子土样被带入方程(1),HS的理论冻结温度为-23°C,和HC的盐含量高于商品,所以HC的冻结温度应远小于-23°C。

4.2。温度梯度测试结果

在模拟的过程中温度梯度冷却的路基,所有三种类型的土壤样品受到动态负载测试期间温度梯度冷却过程的最佳含水量和96%的压实。试验土样的高度是10厘米,顶部是冷端(目标温度-10°C),和底部的土样温暖的结束(目标温度5°C);这种温度梯度的作用下,土壤样本特征、温度梯度和动态加载试验条件如表所示3。

随着实验的进行,土壤的内部温度将逐渐改变。温度变化的时间过程图和温度梯度图的三个土壤样本数据所示6- - - - - -8。

图6显示了在冻结过程中温度场的变化过程的砂质粉土土壤样本。在第一段冷却,温度变化迅速,但随着时间的推移,温度趋于稳定。也发现,冻结温度(-0.32°C)线的距离是8.6厘米从顶部和0°C线的距离是8.9厘米从顶部温度趋于稳定。

数据7和8显示温度随时间的变化改变曲线的HC和HS土壤样品在冷冻过程中,和温度随时间的变化的变化是相似的。它可以从温度时间历史图表,在第一段冷却温度变化很快,但随着时间的推移,温度趋于稳定。然而,由于HC和HS土壤不会冻结温度梯度冷却过程中,水在土壤中迁移到冷端以较慢的速度比纳粹党卫军的土壤,和迁移距离也长于党卫军的土壤,它显示了党卫军的冷却过程也低于党卫军的土壤。温度稳定后,0°C之间的距离的HC土壤和是6.3厘米,顶部和0°C之间的距离的HS土壤和顶部为7.6厘米。

因此,三种类型的土壤样品在相同温度梯度冷却效果都显示早期阶段,更快的冷却速率和温度梯度变化趋于稳定后约40个小时的测试。然而,由于冻结的影响土壤温度和含水量,温度降低。速度和等温线的位置有很大的不同。

4.3。测试结果的土壤变形耦合作用下的冷却和动态负载

变形的变化率 ( )原土的高度( )。根据图9,它是变化的量的比值的高度土壤柱的初始高度土壤柱在一定的测试时间。HC和HS不冻结在冷却过程的影响;因此,这两种土样的变形是由盐类型和动态负荷引起的。

应变率 ,单位时间内变化的土壤样本高度反映了土壤变形梯度的变化。

土的动载荷下变形SS(砂质粉土)可以看到从图10。快速冻结区和过渡区,土样的冻胀曲线的梯度相对较大。肿胀的数量越来越大,但是曲线的梯度逐渐减少,最后,土壤冻胀现象的数量趋于稳定在1%左右。党卫军的冻胀率如图11。从图可以看出,土样的冻胀率随时间增加,然后减少。在最初的几小时,土样在快速冻结的状态,和冻胀现象率逐渐增加,达到最大值。后进入冻结过渡区和freezing-like稳定区域,水在解冻区土壤样品迁移冷冻区,以及变形的变化率逐渐减小,直到它最终稳定。

土壤变形速度与时间的曲线在动力荷载下HC图中可以看到12。动态负载下,在初始阶段的冷却负荷,变形较大,这主要是由于土的压缩变形引起的静载荷和动载荷;加载的后期阶段,其应变率趋于稳定,最后形变率稳定在-1.10%;减少土壤变形速率的主要原因是土壤孔隙受到动载荷的压缩,除了小盐收缩HC盐渍土本身的收缩变形由于温度的降低31日]。图13显示了HC的应变率图,可以看出盐膨胀率变化很大的开始测试;然而,它往往趋于平稳一段时间然后倾向于减少直到最终平。这是因为一开始的测试中,土壤不是高度压缩,还有更多的土壤颗粒的空洞。之后,随着测试的进行,土壤温度变化和盐收缩发生在盐渍土,它倾向于后平整。

土变形和时间之间的关系曲线HS试验土样在动态负荷图中可以看到13。动载荷的作用下,土壤变形率为-0.73%,显示解决方案。变形的初始阶段也由于土的压缩变形引起的静态载荷和动态载荷。然而,由于海关土壤样本含有更多的硫酸盐,在冷却过程中,虽然土壤不冻结,当温度下降到15°C时,Na₂所以₄土壤中开始结晶成Na₂所以₄h·10₂O,盐晶体的体积。增长率达到320% (32]。土壤中盐膨胀力可以平衡的动态负载的一部分,最后导致沉降小于HC土壤样本。图14和15显示变形和应变率的变化率对HS, HC也有类似的趋势。在加载的早期阶段,应变率随时间迅速增加,然后进入稳定状态。同样,在土壤变形的初始阶段,最初现有土壤粒子间隙压实是由于96%的压实。当温度降低,盐结晶开始发生在土壤,增加土壤的体积。最后,结晶后达到平衡时,土壤的内部变形趋于平稳,没有发生重大变化。

5。模型分析

5.1。变形和时间的变化率模型

(1)变形和时间的变化率的砂质粉土模型

图16显示了党卫军的应变率和时间模型。红色的曲线拟合曲线,和白色的起源是实验数据。这个方程可以安装根据测试结果:

的方程,是应变率,是时间, , ,和测试参数,拟合得到了什么 , , ,和 。(2)变形和时间的变化率盐渍土的模型

数据17和18分别是,变形速率和时间的HC和HS模型图。红色的曲线拟合曲线,和白色的起源是实验数据。这个方程可以安装根据测试结果:

HC和HS的拟合参数如表所示4。

5.2。变形和应变率的变化速度模型

(1)变化的砂质粉土的变形和应变率模型

图19显示冻结速率之间的关系和砂质粉土的冻胀率。可以看出,当顶部冷却温度是恒定的,土样的冻结速率随冻胀率的增加而减小。

根据测试结果,下列方程可以安装: 在哪里土壤是党卫军的应变(%);是党卫军土壤的冻结速度(毫米/小时);和实验参数与载荷、温度和土壤属性。实验结果符合的价值29.38409的价值到-0.16089。

它还可以看到从上面的图,冻结速率越大,冻胀率越小;冻结速率越小,冻胀率越大,两者之间的关系是成反比的。这表明当冻结速率很小,冻结前慢慢地移动,并冻结深度的增加很小,但在这个时候,土样的冻胀率非常大,导致冰晶体的形成。(2)变形和应变率的变化率盐渍土的模型

图20.显示了盐膨胀率之间的关系和HC的瞬时应变。可以看出,土壤样本的瞬时应变随盐膨胀率的增加,和方程可以安装测试结果: 在哪里土壤是HC的应变(%);是HC土的冻胀率(毫米/小时)。实验结果符合的价值0.02832的价值到-12.49289。

图21显示了HS盐膨胀率和瞬时应变之间的关系。可以看出,土壤样本的瞬时应变随盐膨胀率的增加,最后往往是平的。这个方程可以安装根据测试结果: 在哪里土壤是海关的应变(%);冻胀率(毫米/小时)。数值结果符合的价值0.0324的价值到-8.59993。

三个实验土壤的拟合参数值如表所示5。

盐在土壤样本的分布更不均匀盐碱地盐碱土壤,灵敏度和土壤水盐迁移,分散他们的相变和冷却条件下更明显比淡的土壤,使盐碱地盐碱土壤的模型拟合效果(HC和HS)低于党卫军。

6。结论

从以上研究盐渍土的变形特性和砂质粉土在动载荷下,可以得出以下结论:(1)在同样的温度梯度冷却效果,三种类型的土壤样本所有显示早期阶段,更快的冷却速度和温度梯度变化趋于稳定后约40个小时的测试。由于因素如土壤的冻结温度和含水量,冷却速率和等温线的位置有很大的不同,冻结温度(-0.32°C)党卫军是8.6厘米从顶部附近和0°C线是8.9厘米从顶部附近;HC的0°C线从顶部的距离6.3厘米;0°C的HS的距离7.6厘米从顶部。影响测试结果的冻结温度和盐含量,HC和海关不会冻结在单向冷却试验过程。水在土壤中迁移到冷端以较慢的速度比党卫军,迁移距离也长于党卫军,所以它的冷却过程也低于党卫军(2)影响冻结温度和盐类型、SS、HC,商品展示不同的变形特征。党卫军显示1.0%的冻胀,HC和HS发生沉降的-0.73%和-1.10%,分别。此外,盐扩张效应是由于高钠硫酸盐的存在在HS和冷却的作用,这将平衡和解的一部分,由于动载荷的作用,所以海关的变形小于HC(3)根据SS的变形特点,HC和HS模型的变形速率与时间和变形与应变率的变化率模型耦合作用下的动态负载和单向冷却和验证

数据可用性

(数据类型)的数据用于支持本研究的结果中包括这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这里的工作是由中国国家自然科学基金(41501062)和龙源青年创新创业人才(团队)项目的甘肃省。这种支持是感谢。

引用

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