非稳态多因素条件下硫酸盐渍土盐胀机理研究

Engineering disease produced by salt expansion of saline soil always is a hot issue in the field of academic and engineering. Serious salt expansion will be produced in a large temperature difference area and it is problematic to the construction and engineering of roads, channels and airports. So far, salt expansion prediction model is not built to reflect time and spatial process of salt heaving development. In order to explore the mechanism of salt expansion, typical sulfate saline soils on Hexi Corridor are taken as research object: (1) the supersaturation ratios of salt solution are researched to supply the salt crystal generated criterion under transient condition. (2) Based on scanning of environmental electron microscopy, crystal morphology of sulfate is determined under different humidity and cooling rate. Afterwards, the mass conservation equation of salt crystals is deduced based on crystallization theory in unsaturation sulfate saline soil. (3) In consideration of multi-factors (supersaturation ratio, temperature, rate of temperature fall, relative humidity), the deformation equation of salt expansion is built combined with the soil deformation conditions. Eventually, prediction model of salt expansion is built to provide scientific basis for the problems of salt heaving on foundation engineering in western sulfate saline soil and ensure the safe operation of the engineering construction.

盐渍土盐胀产生的工程病害一直是学术与工程领域的热点问题。在年温差变化较大地区，硫酸盐渍土将出现严重的盐胀，使道路、渠道、机场跑道等构筑物遭到严重破坏。迄今为止，未建立反映盐胀发育时间和空间过程的预报模型。为此，本研究拟针对河西走廊典型硫酸盐渍土，探究盐渍土盐胀机理:（1）研究非稳态条件下盐晶体析出的过饱和比，给出盐晶体析出判据；（2）确定不同湿度与降温速率下硫酸盐晶体形态，依据结晶理论，推导非饱和硫酸盐渍土中盐晶体质量变化方程；（3）结合土体变形条件，建立考虑多因素(过饱和比、温度、降温速率、相对湿度)的硫酸盐渍土盐胀变形方程。最后，根据盐渍土盐胀机理建立盐胀预报模型，为解决我国西部硫酸盐渍土工程盐胀问题提供理论依据，以确保盐渍土区域基础工程及相关建筑安全运营。

盐渍土在中国分布广泛，从热带到寒温带、滨海到内陆、湿润地区到沙漠地区均有大量分布。其中，中国西部冻土地区，盐渍土面积占盐渍土总面积的69%。当温度随季节更替而变化时，硫酸盐渍土中的盐分反复结晶与溶解、盐溶液不断冻结与融化，造成地基土物理力学性质剧烈变化，并引发强烈的盐胀冻胀问题，给当地交通、工业与民用工程建设带来严重危害。因此，寒区硫酸盐渍土盐冻胀机理研究对该地区工程建设及安全运营具有重要意义。.本项目针对西走廊区域典型硫酸盐渍土，开展了室内试验研究并进行理论分析，探究了盐胀发育时间和空间过程，阐明了盐胀机理，建立非稳态多因素条件下的盐胀预报模型。主要内容有（1）硫酸盐渍土盐晶体析出规律研究；（2）硫酸盐渍土硫酸钠晶体形态与降温速率、湿度的关系研究；（3）硫酸盐渍土盐胀与饱和比、温度、降温速率等因素的相互关系。.通过3年的研究，本项目取得了以下研究成果：.（1）建立了盐晶体初始析出过饱和比与温度的关系，在整个温度区间（常温至负20度），给出了十水硫酸钠晶体析出的判据。.（2）降温速率的快慢影响晶体初始析出以及盐胀率的大小。随着降温速率减小，土体中硫酸钠溶液过饱和比减小，晶体更容易析出，同时盐晶体的孔隙度增大，盐胀加强。.（3）硫酸钠盐渍土中盐晶体的析出会减小冰晶体的初始结晶半径，从而降低土的冻结温度。随着温度降低，盐胀力逐渐增加，最后趋于稳定。.（4）随着温度变化硫酸钠晶体形态不断变化，而十水硫酸钠晶体降温过程中析出过饱和比最小，晶体形态稳定。硫酸盐渍土中氯化钠的增加会导致无水硫酸钠大量析出从而抑制盐胀。.（5）硫酸盐渍土盐胀大小与土中硫酸钠溶液的非稳态区间密切相关，非稳态区间越小，盐胀量越大。而影响非稳态区间的主要是降温速率和晶体形态。.（6）水盐迁移是盐胀的重要因素，盐分具有向冻结缘迁移的特性，并随着冻融循环次数增加，盐胀出现一定的累积效果。.本研究成果进一步揭示了盐胀与盐晶体析出、形态之间的关联，并探究了负温下盐胀冻胀耦合机理， 可为寒区盐渍土工程建设提供一定理论参考。