关键词： 重金属   迁移   冻融循环   模拟  

摘要： 我国幅员辽阔,冻土分布较广。但是近年来,随着冻土区矿产资源的开采以及输油管道、公路、铁路建设等活动的进行,使得冻土区土体内的重金属含量存在不同程度的超标。土壤中的重金属元素不仅会进入水圈和大气圈影响到脆弱的冻土生态环境,而且还可能会通过食物链对人体健康造成威胁。因此,研究重金属污染物在冻土中的迁移特性显得尤为重要,同时对保护冻土区的土壤环境具有重要意义。本文以人工配制的重金属污染土为研究对象,进行室内土柱冻融循环试验,探究分别在地下水（E1）、降雨（E2）、深层污染（E3）和石英砂土（E4）四种环境条件下,Cu、Zn、Cd、Cr、Ni、Pb六种重金属离子经过7次冻融循环后的迁移规律。并使用HYDRUS-1D软件建立模型对六种重金属在不同冻融循环次数和降雨强度下的运移进行模拟和预测,初步研究表明:（1）在冻融循环过程中,土柱内的温度和未冻体积含水量随时间的变化趋势大致相同。土柱内的温度和未冻体积含水量随时间的变化都是经历先快速变化,然后缓慢变化,最后趋于稳定的过程。越靠近土柱顶端处的温度和未冻体积含水量,其变化趋势越明显。（2）7次冻融循环后,通过分层取样测定发现,土壤中重金属离子的含量对土壤的p H值有一定影响,即土壤的p H值随着重金属浓度的增加而减小。（3）7次冻融循环后,四种环境条件下的重金属含量都发生了变化。总的来看,六种重金属离子含量在土柱0-150mm之间变化较大,而在土柱150-450mm范围内变化则比较平稳。由于土柱在冻结的过程中,水分由温度高的一侧向低的一侧迁移,重金属离子也随着水分一同迁移,而土柱融化时,又有部分重金属离子向下迁移,所以总体来看,重金属离子主要还是集中在土柱的上部分,且随着土柱深度的增加,迁移量逐渐减少。在地下水作用下,Cu和Zn迁移到土柱底部的含量分别约为30mg/kg和40mg/kg,Cr和Pb两种重金属向下迁移的量较明显,在土柱底部浓度分别达到了80mg/kg和70mg/kg,而Cd在土柱150-450mm内含量几乎为0,表明Cd在地下水作用下迁移能力较差。Ni虽然有迁移,但是不是很明显。降雨对重金属的迁移具有一定的促进作用,该条件下的重金属迁移量比地下水作用下更明显。在该条件作用下,Cu和Zn在底部的含量要高于地下水作用下的含量,含量分别为33mg/kg和58mg/kg,在土柱150-450mm范围内测定到的Cd含量在0.5mg/kg左右,表明Cd在降雨条件下向下发生了迁移。Cr、Pb、Ni的含量则分别达到了69mg/kg、112mg/kg、33mg/kg。在深层污染土中,重金属离子在0-300mm范围的含量普遍较高,所以六种重金属离子在深层污染条件下,土柱下部分的含量较高。Cu和Zn在底部的含量分别为40mg/kg和90mg/kg,Cd在底部的含量达到了0.73mg/kg,Cr、Pb、Ni三种重金属的含量则分别在413mg/kg、171mg/kg和91mg/kg。在石英砂土中,Cu和Zn的含量分别为31mg/kg和81mg/kg,而Cd在石英砂土中向下迁移的量要小于降雨条件下的量,而Cr的迁移量比降雨条件下更明显。Pb和Ni的含量分别为79mg/kg、11mg/kg。由此可表明不同的重金属离子在石英砂土和降雨作用下的迁移效果各不相同。经比较发现本文试验的四种环境条件下对重金属离子在冻融循环中的迁移影响大小依次为:E3（深层污染）＞E2（降雨）＞E4（石英砂土）＞E1（地下水作用）。（4）在试验的基础上,通过用HYDRUS-1D模型模拟了不同冻融次数和降雨强度对重金属迁移的影响,模拟结果表明冻融30次后的重金属迁移量要高于冻融20次后的迁移量,冻融次数的增加促进了重金属离子的迁移,同时在不同的降雨强度下,重金属的迁移量也不相同,日降雨量为40mm的迁移量要高于日降雨量为20mm的迁移量,表明降雨强度的增加把土壤上部分的重金属离子带到了土柱下部分,使得土柱深处的重金属浓度升高。

关键词： 长期冻融循环   复合重金属污染土   工程特性   微观机理   劣化  

摘要： 因为造价低廉、适用性广、可操作性强等优点,固化/稳定化技术逐渐成为修复重金属污染土的首选技术。但是由于固化/稳定化技术的局限性,固化/稳定化污染土中的有害重金属并没有被有效去除,所以固化/稳定化污染土的长期稳定性引起了国内外学者的关注。我国存在大面积的季节性冻土区域,冻融循环作用作为一种季节性冻土区普遍存在的外部营力,毫无疑问会影响固化/稳定化重金属污染土的长期稳定性。而且现有研究少有考虑到冻融循环作用的长期性及重金属污染土的复杂性,所以深入研究固化复合重金属污染土在长期冻融循环作用下的工程特性变化规律及机理,对保证季节性冻土区修复后重金属污染土的固化/稳定化长期有效性具有相当重要的现实意义。本文依托于国家自然科学基金（面上）“长期冻融作用下固化改性高浓度重金属污染土工程劣化效应机理研究（批准号:41772306）”,通过三轴压缩试验、毒性浸出试验、示踪溶质土柱淋溶试验、七步提取重金属赋存形态分析,借助X射线衍射（XRD）、能量色散X射线光谱仪（EDS）、扫描电子显微镜（SEM）以及傅里叶变换红外光谱（FTIR）等分析测试手段,揭示了长期冻融循环作用下固化/稳定化铅锌镉复合重金属污染土的工程特性劣化规律及微观机理。主要研究成果如下:（1）长期冻融循环作用下固化/稳定化铅锌镉复合重金属污染土三轴压缩试验结果表明:长期冻融循环作用下固化/稳定化铅锌镉复合重金属污染土的应力-应变关系曲线可分为四个阶段:线弹性阶段、塑性屈服阶段、应力软化阶段、残余阶段;长期冻融循环作用下,固化/稳定化铅锌镉复合重金属污染土体破坏时的脆性特征更加明显;长期冻融循环作用下固化/稳定化铅锌镉复合重金属污染土的弹性模量、极限抗压强度和抗剪强度均有一定程度的劣化。（2）长期冻融循环作用下固化/稳定化铅锌镉复合重金属污染土毒性特征浸出试验结果表明:Pb2+、Zn2+、Cd2+浸出浓度与冻融循环次数正相关;浸出液电导率值与冻融循环次数在总体上正相关;长期冻融循环作用会降低浸出液的p H值;Pb2+、Zn2+、Cd2+浸出浓度大致与浸取液电导率值线性正相关,与浸取液p H值的大小非线性负相关。（3）长期冻融循环作用下固化/稳定化铅锌镉复合重金属污染土示踪溶质土柱淋溶试验结果表明:长期冻融循环作用后,稳定低速渗流条件下的示踪离子Br-在固化/稳定化铅锌镉复合重金属污染土柱运移的过程中会出现明显的吸附非平衡现象;示踪离子Br-在固化/稳定化铅锌镉复合重金属污染土中运移的纵向迁移系数与冻融循环次数正相关。（4）长期冻融循环作用下固化/稳定化铅锌镉复合重金属污染土七步提取重金属赋存形态分析结果表明:固化/稳定化铅锌镉复合重金属污染土中碳酸盐结合态Pb、Zn、Cd的百分含量与冻融循环次数负相关;腐殖酸结合态Pb、Zn的百分含量与冻融循环次数正相关;离子交换态Zn、Cd的百分含量与冻融循环次数正相关;长期冻融循环作用下固化/稳定化铅锌镉复合重金属污染土中重金属趋向活性。（5）基于X射线衍射（XRD）光谱图的长期冻融循环作用下固化/稳定化铅锌镉复合污染土矿物成分定性分析结果表明:水泥/生石灰/粉煤灰对Pb、Zn、Cd的固化作用主要是通过生成Pb（OH）2、Zn（OH）2、Cd（OH）2沉淀来实现的;长期冻融循环作用对固化/稳定化铅锌镉复合重金属污染土中矿物成分的影响并不显著。（6）基于扫描电子显微镜（SEM）图像的长期冻融循环作用下固化/稳定化铅锌镉复合重金属污染土微观结构定性分析结果表明:在冻融循环前期,固化污染土样中的水化反应仍在进行;固化污染土中存在大量的CAH、CSH、钙矾石及Ca（OH）2;在冻融循环后期,固化/稳定化铅锌镉复合重金属污染土中出现大量钙矾石,钙矾石遇水会膨胀,进而造成强度损失。（7）通过MATLAB和Image Pro Plus（IPP）软件基于SEM图像的长期冻融循环作用下固化/稳定化铅锌镉复合重金属污染土颗粒结构和孔隙结构定量分析结果表明:长期冻融循环作用使得固化污染土的的小孔隙（<1 um）和小颗粒（<1 um）所占百分比增加,土体结构被破坏,导致固化/稳定化铅锌镉复合重金属污染土极限抗压强度以及抗剪强度指标下降。（8）将能量色散X射线光谱仪（EDS）与SEM结合,基于SEM图像的长期冻融循环作用下固化/稳定化铅锌镉复合重金属污染土EDS分析结果表明:固化污染土中存在大量CAH（水化铝酸钙）、CSH（水化硅酸钙）等水化产物,此结果与XRD、SEM分析结果一致;随着冻融循环作用次数的增加,CAH、CSH的含量明显减少,进而引起固化/稳定化铅锌镉复合重金属污染土力学特性的劣化;水化产物含量减少的同时,被水化产物通过物理包裹作用固化/稳定化的重金属会再次析出,从而导致重金属浸出浓度增加、离子态重金属含量增加,进而威胁土壤环境安全。（9）基于傅里叶变换红外

关键词： 重塑盐渍土   冻融循环   超疏水材料   无侧限抗压强度   抗剪强度   本构模型  

摘要： 乾安县位于我国东北季冻区,且广泛分布有盐渍土。全球气候变暖,人民生活发展等问题导致当地土壤盐渍化问题日益严重,该地区盐渍化面积以每年1.4%速度增长。土壤盐渍化会破坏生态系统稳态,限制农业生产,造成工程建筑损坏等。吉林省为了降低土地盐渍化的发展、调整生态系统稳态,大力兴修了引嫩入白、哈达山水利枢纽等一系列工程。因当地工程建筑物土体长期遭受雨水冲刷,河流侵蚀以及冻胀融沉等影响产生破坏,为了加强土体疏水性能及承载力,增强工程稳定性,本文利用新型泥土超疏水乳液（简称CN）对乾安盐渍土进行了处理,研究了不同处理条件下CN对盐渍土土力学强度的影响,主要内容如下:（1）根据野外勘察以及室内试验得出的乾安盐渍土基本物化性质,判定乾安土类别为粉质黏土、含水率为16.80%、最大干密度可达1.794g/cm3、含盐量达到0.25%。（2）考虑实际工程施工条件及工程所处地理环境为季冻区,本文设置了含水率、压实度、含盐量和冻融循环四个变量,通过无侧限抗压强度试验和直剪试验分别探究了不同试验条件下的未处理的素土与CN处理后的CN土的土体力学性质变化规律。（3）试验结果表明:在高含盐量下,CN土抗压强度会低于素土抗压强度。除了高含盐量条件外,其他各条件下CN处理对于盐渍土体抗压强度和抗剪强度有着程度不同的提高作用。在16.80～18.80%含水率范围内,存在一个含水率临界点,当含水率到达临界点是会引起土体破坏形式由软化型脆性破坏向硬化型塑性破坏转变。压实度越高,CN对于盐渍土体抗压强度提高率越小。在各压实度条件下CN对盐渍土内聚力提高率稳定在30～60%之间,内摩擦角提高率稳定在0～2.5%之间。0.0～1.5%含盐量区间内素土与CN土内聚力和内摩擦角随含盐量逐渐降低,1.5～2.0%含盐量区间内随含盐量逐渐升高。在0.3%含盐量附近CN土内聚力提高率取最小值,内摩擦角提高率取最大值。（4）通过扫描电镜试验,分析CN对土体微观结构的改变,定性分析CN改变强度机理。利用IPP图像处理软件,对两种土的SEM图像进行定量分析,探究CN对土颗粒结构单元体及孔隙单元体的影响。（5）讨论冻融循环作用下含水率梯度、压实度梯度及含盐量梯度的素土与CN土土体力学性质变化的机理,分析各梯度下土体强度随冻融循环的变化规律。（6）基于等效应变原理,建立服从Weibull分布的、随冻融循环次数变化的损伤本构模型,对模型的构建及推导做了详细的解释,并通过力学试验结果验证模型的有效模拟性。

关键词： 冻融循环   预制裂隙试样   注浆固结体   单轴压缩  

摘要： 为了研究冻融环境下裂隙岩体注浆固结体力学性能的变化规律,对类岩石预制裂隙试样及其注浆固结体开展不同循环次数的饱水冻融试验,对特定冻融次数(0次、5次、10次、20次、40次及60次)下的试样进行单轴压缩试验和同步VIC-3D观测。试验结果表明:(1)随冻融循环次数增加,裂隙试样及注浆固结体的质量均先增后减,并伴随有表面龟裂及片落,但注浆周围的剥落现象轻微。(2)裂隙试样及固结体受荷破坏过程中均先后出现翼形裂纹,并伴有次生裂纹,但固结体破坏时,翼裂纹启裂位置由裂隙尖端向中部偏移。(3)注浆固结体的单轴抗压强度和残余强度随冻融次数的增加持续降低,但均大于相应冻融次数下裂隙试样。上述研究结果对寒区注浆工程的科学施工以及寒区注浆后工程的长期养护具有参考意义。

关键词： 二灰固化土   碳酸盐渍土   方差分析   神经网络   热力耦合  

摘要： 碳酸盐渍土广泛分布于东北深季节冻土区。土体在受盐渍化作用以及受冻融循环作用影响下,其工程性能严重影响了地方区域建设与经济发展。因此开展盐渍土的工程性能改良研究成为了当前冻土盐渍土区工程建设的前沿热点问题。本文依托于冻土工程重点实验室项目《东北地区碳酸盐渍土冻融特性研究》（SKLFSE201919）,对大庆杜尔伯特地区碳酸盐渍土开展力学性能试验研究,探究固化盐渍土受各类因素影响下力学性能变化规律,分析宏观力学变化规律下的机理过程;利用方差分析的方法对石灰掺量、粉煤灰掺量、冻融循环次数、围压及含盐量5个影响因素对固化盐渍土的抗剪强度影响进行定量分析,确定不同影响因素的权重;通过人工神经网络的方法对固化盐渍土的抗剪强度进行模型构建,分析不同隐含层节点数对模型精确度的影响,并开展模型误差分析,确定最优隐含层节点数;建立固化土的路基热力耦合有限元模型,分析固化土路基温度场与变形场随时间发展的变化规律,探究二灰固化土在路基工程中的适用性。

关键词： 沥青混合料   冻融损伤   低温性能   蠕变   粘弹性能  

摘要： 沥青路面在使用过程中因受环境和荷载作用,沥青混合料路用路用性能逐渐劣化衰减,出现一系列路面病害现象,缩短了沥青路面的使用寿命,尤其在我国西北季节性冰冻区,冻融循环现象频繁交替,且作用周期长,使沥青路面早期出现裂缝等病害的概率显著提升,这将直接影响道路的通行能力,同时增加道路的维修养护成本。因此,深入研究冻融循环作用下沥青混合料的低温性能及力学性能的变化规律,明确其冻融损伤发展过程,以期为季节性冰冻区沥青路面结构的设计与施工提供指导。本文开展的主要内容如下:1.对试验原材进行了基本技术指标测定,通过马歇尔设计法对六种沥青混合料进行了配合比设计,确定了矿料级配和最佳油石比,并对其高温稳定性、低温性能、水稳定性和渗水性能进行验证,以保证满足规范要求。2.首先对六种沥青混合料开展冻融循环试验,测试经冻融循环作用后沥青混合料的空隙率,得出六种沥青混合料的空隙率均随冻融次数的增加而逐渐上升。然后通过小梁弯曲试验和间接拉伸试验评价了沥青混合料的低温性能以及随冻融次数的劣化规律,结果表明:三种沥青混合料的低温性能为:橡胶改性沥青混合料>SBS改性沥青混合料>基质沥青混合料,且AC-13型优于AC-16型;六种沥青混合料的低温性能均随冻融次数的增加逐渐减小,且减小速率逐渐变小。最后对沥青混合料低温性能的评价指标进行了分析,得出沥青种类对混合料的低温性能的影响最显著,冻融次数次之,集料粒径最小;间接拉伸试验与小梁弯曲试验评价指标之间呈一次线性关系,具有良好的相关性,采用间接拉伸试验评价沥青混合料的低温性能更为方便。3.建立了考虑冻融损伤沥青混合料的单轴压缩试验本构模型,并通过单轴压缩试验结果进行验证,结果表明:所建模型能够较好地表述连续密级配沥青混合料应力—应变关系,总损伤变量与应变之间呈“S”型递增关系。4.通过单轴压缩蠕变试验分析了沥青混合料的蠕变过程,发现沥青混合料的蠕变过程分为迁移期,稳定期,破坏期三个阶段;借助粘弹性力学基本模型对沥青混合料的粘弹特性进行了表征分析,发现耦合损伤的蠕变本构模型能够表征沥青混合料完整的蠕变三阶段变形过程;对经历冻融作用后的沥青混合料进行单轴压缩蠕变试验,发现沥青混合料的蠕变变形随冻融次数的增加逐渐变大,粘弹性参数减小。

关键词： 再生混凝土   冻融循环试验   微观结构   力学性能   冻融损伤模型  

摘要： 为了研究再生混凝土冻融循环后的力学性能变化,通过改变冻融循环次数,对不同强度的再生混凝土和普通混凝土的抗冻性能进行试验研究,分析混凝土立方体抗压强度、质量、动弹性模量及超声波损失率的变化规律,并针对内蒙古地区,对不同强度的再生混凝土进行了抗冻耐久性寿命预测,同时对达到寿命服役期的最大抗压强度损失率给出了建议。研究结果表明:冻融循环50次前,再生混凝土与相同强度等级的普通混凝土的抗冻性能相差不大,冻融循环50次后,再生混凝土的抗冻性能略低于普通混凝土的,且随着冻融循环次数的增加,再生混凝土抗冻性能的劣势越来越显著;强度等级对再生混凝土试件的抗冻性能影响较大,强度等级越低,再生混凝土的冻融损伤越严重;超声波对冻融循环作用下再生混凝土的损伤较动弹性模量法更为敏感,建立的冻融损伤模型能够较好地反映再生混凝土冻融循环后的力学性能变化规律。

关键词： 水泥改良黄土   路基   水稳系数   干湿循环   冻融循环  

摘要： 为揭示水泥改良黄土路基稳定性影响因素,研究水泥剂量、压实系数、养生龄期对改良黄土水稳系数、干湿残留强度比及冻融残留强度比的影响规律。结果表明:水泥剂量≥4%,改良黄土水稳系数增长曲线平缓,提高改良黄土路基水稳定性效果较小;压实系数由0.92提高至1.00,90 d水稳系数提高了21.6%~25.6%,水稳定性显著提高;前14 d水稳系数增长速度明显快于后期水稳系数增长速度,养生龄期由14 d延长至90 d,水稳系数约提高了7.4%。干湿、冻融作用下改良黄土抗压强度分别随水泥剂量增加或压实系数提高呈线性增长;随循环作用次数增加,改良黄土抗压强度逐渐减小,干湿循环次数≥15次后的抗压强度趋于稳定值,干湿15次的残留强度比约为44%;当冻融循环次数≥12次、水泥剂量≥3%,改良黄土抗压强度逐渐减小至稳定值,冻融12次的残留强度比约为42%。

关键词： 淤泥质土   固化土   无侧限抗压强度   冻融循环  

摘要： 针对淤泥质土的不良工程特性,考虑冻融循环作用对固化淤泥质土强度的影响及作用规律,以安徽省青弋江流域淤泥质土为研究对象,开展了不同水泥掺比、不同冻融环次数的固化淤泥质土无侧限抗压强度试验,对比分析了在60 d养护龄期条件下,水泥掺量、冻融循环次数对淤泥质土固化强度的弱化规律,并探讨了淤泥介质结构损伤影响因素,为淤泥质土在堤坝工程中资源化利用积累研究经验。试验结果表明:固化淤泥质土在冻融循环过程中产生吸湿—冻胀效应,不同水泥掺比的试样质量差异显著;随着冻融循环次数的增加,其无侧限抗压强度成非线性关系降低,在第9次循环结束后抗压强度趋于稳定,10%、15%和20%水泥掺比下的固化土的无侧限抗压强度基本稳定在1.3 MPa、1.7 MPa和2.3 MPa。

关键词： 盐渍土   改良   冻融循环   盐胀  

摘要： 通过对青海地区盐渍土冻融循环条件下改良盐渍土盐胀研究,在含水率、含盐量、压实度不变的条件下研究固化剂改良盐渍土盐胀规律。试验结果表明:固化剂改良盐渍土盐胀与冻融循环次数呈现相关关系而且有效降低盐胀率;固化剂掺量对改良盐渍土盐胀性具有很大影响,固化剂掺量越大,改良盐渍土盐胀性能越显著;水泥改良盐渍土盐胀性能水泥掺量为6%~10%时冻融循环条件下水泥改良盐渍土盐胀改良效果比土凝岩改良盐渍土盐胀显著;随着冻融循环次数的增加,土凝岩改良盐渍土盐胀性能冻融循环条件下土凝岩掺量为10%~14%时改良效果较水泥的同时期改良效果显著。