季冻区土体水分迁移研究综述
发布时间：2022-01-01 20:59
【目的】季节性冻土地区的土壤在冬季气温降低时冻结,春季气温回升时融化。水分迁移是导致土体发生冻胀的根本原因,严重危害到渠道、公路、铁路、桥梁等工程结构的安全与使用寿命,为减少工程结构冻害问题的产生,对冻土中水分迁移问题进行研究。【方法】从水分迁移的基本概念、现象、试验方法、变化规律及影响因素等方面对国内外有关土体冻融过程中水分迁移的研究进行了总结与归纳。【结果】对目前研究中存在的问题与不足进行了总结,并对今后季节冻土区的水分迁移的研究方向进行了展望。【结论】目前学者们关于水分迁移的研究已取得了巨大的成就,但仍存在一些问题,如在进行水分迁移试验时未全面体现自然条件的影响、建立耦合模型时参数的确定方法不够精准、在进行水分迁移影响因素试验时考虑因素较为单一,无法全面揭示水分迁移机理等。
【文章来源】：灌溉排水学报. 2020,39(S1)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
季冻区渠道开裂、上抬现象
在盐渍土地区，温度梯度作用下冻结带的土水势会逐渐降低，使得水分不断向冻层迁移。同时，盐分也随水分向冻结锋面迁移。来年春季融化时，土体又在地表的蒸发作用下将冬季冻结时累积在冻层中的盐分向地表大量聚集形成堆积，使地表含盐量急剧增加，产生土壤盐渍化现象[11]，使工程发生融陷、盐胀、腐蚀等现象，图3为土壤盐渍化对水工建筑物造成的破坏[12]。在实际的工程中，季节性冻土区中因水分迁移造成的问题还有很多，如大坝面板的破坏、桩基的破坏、铁路、隧道的冻胀破坏等等。2 水分迁移现象的研究现状
对水分迁移过程及其驱动力的深入理解是揭示土体冻胀机理的前提[14]。针对水分迁移驱动力问题的研究，在1885年，前苏联学者提出了毛细管作用力理论，之后Taber等[13]提出了结晶力理论。Beskow等[15]提出了细颗粒中薄膜水的迁移理论，认为不对称的土颗粒外围未冻水膜导致了不平衡的渗透压力。随着土水势概念的提出，Harlan[16]通过Clausius-Clapeyron方程来求取土水势，认为土水势梯度是水分迁移驱动力。Taylor等[17]利用改进后的Harlan水热耦合模型对未冻水的迁移过程进行了模拟，揭示了未冻水量梯度是水分迁移的驱动力。Horiguchi[18]提出水分迁移的驱动力是由温度梯度和压力梯度共同作用产生的。温智等[19]采用pF-meter基质势传感器对土冻结过程中的土壤基质势进行动态监测，认为水分迁移的驱动力是基质势。然而，该研究缺乏数据的支撑与验证。薛珂等[20]在此基础上，利用微型化后的pF-meter基质势传感器进行了单向冻结试验，深入分析了冻土在冻结时基质势对水分迁移的影响，揭示了冻土在冻融循环过程中基质势对液态水数量变化过程的影响及内在联系。上述研究主要以初始含水率均匀的土样为对象，但实际情况中极少有土体的初始含水率是完全均匀分布的，试验结果与自然条件下的实际状态必然有所偏差。基于此，李彦龙等[21]开展了土体含水率非均匀分布的非饱和土在不同含水率梯度作用下的水分迁移试验，发现含水率梯度越大，水分迁移量越多，说明土体中的水分迁移同样具有不均匀性。由于冻土水分迁移机理较为复杂，且学者们开展的试验与实际情况仍存在差距，所以以上假设仍不能很好的揭示水分迁移现象的驱动力，目前普遍被认同并接受的理论是土水势梯度是冻土发生水分迁移的驱动力。2.1.2 水分迁移耦合模型
【参考文献】：
期刊论文
[1]非饱和粉土路基内水分迁移规律试验研究[J]. 杨志浩,岳祖润,冯怀平. 岩土力学. 2020(07)
[2]冻结作用下考虑补水层影响的水分迁移试验[J]. 翟金榜,芮大虎,张军,李国玉,伊藤譲. 冰川冻土. 2019(06)
[3]基于有限体积法的冻土水热耦合程序开发及验证[J]. 胡田飞,王天亮,常键,刘建勇,卢玉婷. 岩土力学. 2020(05)
[4]压实作用对泥岩膨胀性及水分迁移影响[J]. 张唐瑜,马丽娜,张戎令,王起才,王天双. 中国地质灾害与防治学报. 2019(04)
[5]降雨条件下重塑黄土中水分迁移模型试验研究[J]. 张世斌,朱才辉,袁继国. 水利学报. 2019(05)
[6]冻结作用下黏土中水、盐迁移试验研究[J]. 芮大虎,郭成,芦明,孟庆浩,伊藤譲. 冰川冻土. 2019(01)
[7]道面结构不均匀冻胀水热耦合模型试验及现场验证[J]. 龙小勇,岑国平,蔡良才,刘垍荧. 哈尔滨工业大学学报. 2019(03)
[8]黏质粉土冻胀特性及微观机理研究[J]. 刘良,曹阳,张才明,王永涛,张伟东. 内蒙古大学学报(自然科学版). 2018(06)
[9]非饱和黏土冻结过程中水热变化特性模型试验研究[J]. 柴冠宇,单炜,王玉琢. 科学技术与工程. 2018(17)
[10]复杂大气环境作用下高铁路基水分迁移响应[J]. 黎瀚文,张璐璐,冯世进,郑文棠. 岩土力学. 2018(07)
博士论文
[1]冰透镜体生长机制及水热力耦合冻胀特性研究[D]. 季雨坤.中国矿业大学 2019
[2]季节冻土水分迁移模型研究[D]. 李杨.吉林大学 2008
[3]季节冻土水分迁移的机理及数值模拟[D]. 原国红.吉林大学 2006
[4]新疆水磨河细土平原区硫酸（亚硫酸）盐渍土填土盐胀和冻胀研究[D]. 王俊臣.吉林大学 2005
硕士论文
[1]季节性冻土区封闭式路基结构水热稳定性数值模拟[D]. 张文清.兰州交通大学 2018
[2]宁夏引黄灌区小型U形混凝土衬砌渠道冻胀监测与数据分析[D]. 吕步锦.宁夏大学 2016
本文编号：3562834
【文章来源】：灌溉排水学报. 2020,39(S1)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
季冻区渠道开裂、上抬现象
在盐渍土地区，温度梯度作用下冻结带的土水势会逐渐降低，使得水分不断向冻层迁移。同时，盐分也随水分向冻结锋面迁移。来年春季融化时，土体又在地表的蒸发作用下将冬季冻结时累积在冻层中的盐分向地表大量聚集形成堆积，使地表含盐量急剧增加，产生土壤盐渍化现象[11]，使工程发生融陷、盐胀、腐蚀等现象，图3为土壤盐渍化对水工建筑物造成的破坏[12]。在实际的工程中，季节性冻土区中因水分迁移造成的问题还有很多，如大坝面板的破坏、桩基的破坏、铁路、隧道的冻胀破坏等等。2 水分迁移现象的研究现状
对水分迁移过程及其驱动力的深入理解是揭示土体冻胀机理的前提[14]。针对水分迁移驱动力问题的研究，在1885年，前苏联学者提出了毛细管作用力理论，之后Taber等[13]提出了结晶力理论。Beskow等[15]提出了细颗粒中薄膜水的迁移理论，认为不对称的土颗粒外围未冻水膜导致了不平衡的渗透压力。随着土水势概念的提出，Harlan[16]通过Clausius-Clapeyron方程来求取土水势，认为土水势梯度是水分迁移驱动力。Taylor等[17]利用改进后的Harlan水热耦合模型对未冻水的迁移过程进行了模拟，揭示了未冻水量梯度是水分迁移的驱动力。Horiguchi[18]提出水分迁移的驱动力是由温度梯度和压力梯度共同作用产生的。温智等[19]采用pF-meter基质势传感器对土冻结过程中的土壤基质势进行动态监测，认为水分迁移的驱动力是基质势。然而，该研究缺乏数据的支撑与验证。薛珂等[20]在此基础上，利用微型化后的pF-meter基质势传感器进行了单向冻结试验，深入分析了冻土在冻结时基质势对水分迁移的影响，揭示了冻土在冻融循环过程中基质势对液态水数量变化过程的影响及内在联系。上述研究主要以初始含水率均匀的土样为对象，但实际情况中极少有土体的初始含水率是完全均匀分布的，试验结果与自然条件下的实际状态必然有所偏差。基于此，李彦龙等[21]开展了土体含水率非均匀分布的非饱和土在不同含水率梯度作用下的水分迁移试验，发现含水率梯度越大，水分迁移量越多，说明土体中的水分迁移同样具有不均匀性。由于冻土水分迁移机理较为复杂，且学者们开展的试验与实际情况仍存在差距，所以以上假设仍不能很好的揭示水分迁移现象的驱动力，目前普遍被认同并接受的理论是土水势梯度是冻土发生水分迁移的驱动力。2.1.2 水分迁移耦合模型
【参考文献】：
期刊论文
[1]非饱和粉土路基内水分迁移规律试验研究[J]. 杨志浩,岳祖润,冯怀平. 岩土力学. 2020(07)
[2]冻结作用下考虑补水层影响的水分迁移试验[J]. 翟金榜,芮大虎,张军,李国玉,伊藤譲. 冰川冻土. 2019(06)
[3]基于有限体积法的冻土水热耦合程序开发及验证[J]. 胡田飞,王天亮,常键,刘建勇,卢玉婷. 岩土力学. 2020(05)
[4]压实作用对泥岩膨胀性及水分迁移影响[J]. 张唐瑜,马丽娜,张戎令,王起才,王天双. 中国地质灾害与防治学报. 2019(04)
[5]降雨条件下重塑黄土中水分迁移模型试验研究[J]. 张世斌,朱才辉,袁继国. 水利学报. 2019(05)
[6]冻结作用下黏土中水、盐迁移试验研究[J]. 芮大虎,郭成,芦明,孟庆浩,伊藤譲. 冰川冻土. 2019(01)
[7]道面结构不均匀冻胀水热耦合模型试验及现场验证[J]. 龙小勇,岑国平,蔡良才,刘垍荧. 哈尔滨工业大学学报. 2019(03)
[8]黏质粉土冻胀特性及微观机理研究[J]. 刘良,曹阳,张才明,王永涛,张伟东. 内蒙古大学学报(自然科学版). 2018(06)
[9]非饱和黏土冻结过程中水热变化特性模型试验研究[J]. 柴冠宇,单炜,王玉琢. 科学技术与工程. 2018(17)
[10]复杂大气环境作用下高铁路基水分迁移响应[J]. 黎瀚文,张璐璐,冯世进,郑文棠. 岩土力学. 2018(07)
博士论文
[1]冰透镜体生长机制及水热力耦合冻胀特性研究[D]. 季雨坤.中国矿业大学 2019
[2]季节冻土水分迁移模型研究[D]. 李杨.吉林大学 2008
[3]季节冻土水分迁移的机理及数值模拟[D]. 原国红.吉林大学 2006
[4]新疆水磨河细土平原区硫酸（亚硫酸）盐渍土填土盐胀和冻胀研究[D]. 王俊臣.吉林大学 2005
硕士论文
[1]季节性冻土区封闭式路基结构水热稳定性数值模拟[D]. 张文清.兰州交通大学 2018
[2]宁夏引黄灌区小型U形混凝土衬砌渠道冻胀监测与数据分析[D]. 吕步锦.宁夏大学 2016
本文编号：3562834
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/nykj/3562834.html
