冻融作用对土壤水分迁移和地下水位波动影响的实验研究

相比于非冻土分布区,季节性冻土区冬春季节的冻融作用显著影响着土壤水分运动和地下水位动态,进而改变地下水土环境中的水力条件和污染物分布特征。针对冻融作用下地下水位的波动过程尚缺乏定量化的具体研究,本文首次建立包气带、含水层水分迁移过程的冻融循环模拟实验装置,定量模拟分析了不同介质粒径和不同温度条件下冻融过程造成的水位波动差异,揭示冻融作用下土壤水分迁移和地下水位的波动规律。结果表明:冻融过程地下水位变化阶段与土壤冻融阶段相对应,且存在滞后现象;土壤的介质条件和温度条件均对冻融过程中地下水的波动具有重要影响,粒径越细,温度梯度越大,水分迁移量越大,水位波动越显著。      

对季节性冻融过程中土壤水和热迁移的研究

在季节性冻土分布区,土壤水分的冻结和融化必将会伴随着热量交换、水分迁移等物理过程。通过分析影响土壤季节性冻结、融化的主要因素,论述了季节性冻融土壤中热量交换、水分迁移等物理过程以及季节性冻融过程中土壤水、热迁移的研究进展,并提出存在的问题。     

地表覆盖条件下冻融土壤水热动态变化规律研究

基于季节性冻融期地表覆盖条件下田间土壤温度、水分的剖面监测资料,分析了土壤的温度变化及其冻融过程,进而研究了冻融期裸地(LD)、地膜覆盖(MD)、秸秆与地膜双重覆盖(JMD)地块的土壤水分动态变化规律.结果表明:三种处理地块的土壤均经历初冻、快速冻结、稳定冻结、融化四个冻融阶段;在冻融过程中,三种地块均出现土壤水分的迁移现象,且含水率高值区及低值区出现的时间、深度以及持续的时间随地表覆盖条件的不同而异;深层土壤受气象条件及地表覆盖条件影响较小,含水率保持相对稳定.     

冻融作用对东北土壤中重金属Pb和Cd化学形态的影响

季节性冻融作用影响着土壤物理化学和生物学性质,进而影响土壤中重金属的迁移转化,改变重金属稳定性和生物有效性.以东北地区典型黑土为对象,研究了冻融频次对黑土中Pb和Cd化学形态及其分布的影响.结果表明:随着冻融频次的增加,Pb和Cd的碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和残渣态的含量增加,交换态和有机结合态含量则随之减少.冻融作用促进土壤中Pb和Cd化学形态之间的转化,引起重金属在土壤中化学形态变化的原因可能与冻融作用改变了土壤理化性质有关,而且不同土壤性质对重金属化学形态的影响程度和方向也明显不同.     

温度效应对非饱和土壤中湿分迁移影响的实验

在多种条件下,对非饱和多孔土壤中温度和湿分分布的动态特性进行了实验研究,分析了温度效应对水分运移的影响.结果表明:温度对土壤水分含量的影响显著,随着温度升高,土壤持水性降低,水分含量明显降低;在周期性变化的土壤温度的作用下,土壤水分含量则呈周期性变化;土壤润湿度与温度变化幅度共同决定温度效应对土壤湿分迁移的影响程度,由温度和温度梯度引起的湿分迁移在含水量中等程度的土壤中作用明显.     

松嫩平原盐碱地土壤颗粒分形维数研究及其应用

通过应用自相似理论分析了松嫩平原3个典型盐碱湖滩土壤不同深度的颗粒的分维数差异,并应用土壤颗粒分形维数寻找松嫩平原盐碱地的水分特征参数,分析了研究区土壤水分日迁移特征。     

松嫩平原盐碱地土壤颗粒分形维数研究及其应用

通过应用自相似理论分析了松嫩平原3个典型盐碱湖滩土壤不同深度的颗粒的分维数差异,并应用土壤颗粒分形维数寻找松嫩平原盐碱地的水分特征参数,分析了研究区土壤水分日迁移特征.     

土壤中水、热、盐耦合运移的数值模拟

分析了盐分在土壤中的动态迁移特征及其影响因素,综合运用多孔介质热、质传递理论,考虑温度效应对土壤湿分迁移的影响以及不动水体与盐分吸附或解吸作用,建立了全面描述土壤中水、热、盐耦合运移的数学模型并进行相应的数值研究,获得土壤中水、热、盐的动态迁移特性,探讨了土壤质地对盐分运移的影响,以期为土壤次生盐渍的防治提供有效的理论指导.模拟结果表明:盐分运移受土壤质地与结构的影响较大,并与土壤水分运移密切相关.     

黄河源区不同植被类型覆盖下季节冻土冻融过程中的土壤温湿空间变化

在对不同植被覆盖度(95%,70%～80%,40%～50%和10%)下的土壤水分(θv)和土壤温度(Ts)进行日观测的基础上,研究了冻融过程中植被覆盖变化对土壤水分分布和温度的影响.土壤温度与水分关系的回归分析表明:土壤冻融过程明显受植被覆盖变化的影响,植被覆盖变化还导致土壤水分和温度的耦合变化.使用了一个土壤水分和温度的耦合模型来研究植被覆盖的影响,结果证明了这一方法的有效性.结果表明:土壤水分对土壤温度的变化范围和幅度都有影响,高盖度下的土壤比低盖度土壤持水性强.此外,在冻结过程中,由于水的热容量大于土壤的,高盖度土壤能够抑制土壤温度的降低幅度,高盖度土壤具有较好的绝热功能.对于黄河源区不同植被类型覆盖下季节冻土冻融过程中的土壤温湿空间变化研究有利于为高寒冻土地区冻土和生态环境的保护及合理利用提供科学依据.     

小尺度温室土壤含水率空间变异性及水分迁移研究

为探究土壤含水率的空间分布特征,分析土壤水分迁移特征,以日光温室中8 m×8 m地块为研究对象,布设1 m×1 m采样网格,将0～50 cm深度土壤分为5个水平层,且标记4个垂直剖面.以土钻取样,采用烘干法测定各层土样含水率,运用地统计学方法分析土壤含水率在水平和垂直方向的空间变异性,并分析土壤水分迁移特征.结果表明,土壤含水率在0～50 cm深度中呈现先升高后降低的趋势,各深度土层土壤含水率存在着较强的空间相关性(块金系数≤13. 2),试验中随机因素对空间变异贡献较低(块金值≤0. 54).通过分析观测土层剖面及试验数据发现土壤含水率空间变异性和水分迁移受土壤孔隙结构、翻耕深度、蒸发强度、植物根系生长和土壤生物活动等因素影响均较大.重力势对垂直方向上的水分迁移作用大于水平方向,且供试地块最佳保水层为20～30 cm.     

冻融与静荷载双重作用下土体内部孔隙水压力、水分场变化规律研究

在季节冻土区,土体内部孔隙水压力和水分含量受冻融循环和外部荷载的影响.通过模型试验,利用孔隙水压力传感器和水分传感器对冻融与静荷载双重作用下黄土内部的孔隙水压力和水分含量进行监测,得到不同深度处孔隙水压力和水分含量的变化过程.结合静荷载的应力场,进一步分析孔隙水压力和水分含量的空间变化规律.试验结果表明:在冻融与静荷载双重作用的初期,土体内部孔隙水压力快速增大;之后,孔隙水压力开始随温度呈周期性变化.在一个冻融周期内,土体内部孔隙水压力和水分含量都随温度的升高而增大,随温度的降低而减小,而且孔隙水压力和水分都随温度的变化而表现出滞后性.随着冻融循环次数的增加,孔隙水压力在荷载下方和两侧形成三个集中区;水分则在荷载下方形成高含水量区,在荷载两侧形成低含水量区.通过对静荷载产生的应力场进行分析发现,土体内部孔隙水压力和水分场的空间分布与静荷载产生的应力场有密切关系.     

生物炭添加对土壤冻融过程中温室气体排放的影响

【目的】研究模拟生物炭添加对土壤冻融过程中二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)排放的影响,为冻融期土壤温室气体的减排提供参考。【方法】以伊犁河谷典型农田为研究对象,野外采集原状土柱,并在室内模拟不同幅度的冻融过程(+5 ℃、-5 ℃～ +5 ℃和-10 ℃ ～ +10 ℃),探求冻融过程中土壤CO₂、CH₄和N₂O排放对生物炭添加(0、20和40 t/hm²)的响应特征。【结果】与不添加生物炭的处理相比,添加生物炭会使冻融过程中的土壤CO₂排放量提高1.1～1.4倍,但该影响远小于冻融作用对土壤CO₂排放的促进作用(为CK的1.5～3.2倍); 虽然冻融作用未显著(P > 0.05)影响土壤CH₄的累积排放量,但生物炭的添加显著(P < 0.05)促进了45.5%～81.8%的CH₄吸收量; 冻融作用使土壤N₂O的累积排放量提高了1.3～3.0倍,生物炭降低了冻融过程中10.2%～30.9%的土壤N₂O排放量,但在多数情况下这种减小并不显著(P > 0.05)。【结论】模拟生物炭添加会增加土壤冻融过程中CO₂的排放,也会促进CH₄的吸收和N₂O的减排。     

冻融循环条件下重塑黄土水分迁移及其对力学性质影响

以西安地区黄土为研究对象,通过常规三轴剪切试验,研究了冻融循环对重塑黄土物理力学性质的影响。结果表明:试样冻融过程中水分不断向冰晶冰冻锋面迁移;即试样冻结过程中水分向试样表面迁移,融化之后水分向试样内部迁移;在此过程中试样结构性破坏,内部空隙增大,其剪切强度逐渐减小;故而试样含水率越大,冻融过程中水分迁移量越大,试样破坏越明显,其剪切强度降低越明显。     

冻融循环作用下非饱和黏土的抗剪强度试验

通过对湖南黏土反复冻融循环后的强度试验,分析了非饱和黏土在冻融循环作用下的强度变化特征,探讨了非饱和状态下不同含水量对强度和变形的影响规律,重点研究了冻融循环对抗剪强度的影响规律.试验结果表明,含水量越大,冻土的抗剪强度越大,相应的内摩擦角和黏聚力也越大.相同含水量,冻融循环次数越多,融土的抗剪强度则越大.除了高含水量...     

冻融循环对黄土电阻率及水分迁移影响的试验研究

电阻率为土体的固有特性,与土中水含量、颗粒排列和链接方式有着密切的关系。为了研究冻融循环次数对黄土的电阻率的影响,对经历不同冻融循环次数的不同含水状态黄土的电阻率进行了试验研究,分析了黄土电阻率与含水量、冻融循环次数的关系,建立了考虑含水量、冻融循环次数的非饱和土电阻率模型。试验结果表明:干密度一定时,电阻率随着含水量的增高而快速降低,当含水量达到26%后,电阻率变化规律逐渐趋于稳定;当冻融循环次数少于5次时,电阻率随着冻融循环次数的增加缓慢增长;冻融循环次数超过5次后,电阻率值逐渐趋于稳定。通过对冻融前后土样不同区域的含水量值的比较可知,冻融循环作用后,土中水总体呈现出从中心向四周的扩散的迁移规律。     

瞬态激励下冻融循环对桩-土耦合刚度影响试验

考虑桩-土的相互作用,在冻融循环作用下,土体的力学性质必然发生变化,构件的动力响应特性也会随之发生变化。为研究瞬态激励下冻融循环作用对桩-土耦合刚度的影响,设计和制作混凝土试验桩模拟基桩,通过压电陶瓷的正压电效应,利用压电智能骨料作为传感器测定冻融循环过程中瞬态激励下结构的波动响应,并对比分析两种不同土体含水率下压电信号的特性和能量大小,提供一种基于压电智能骨料的结构动力响应实时监测方法。试验结果表明,在冷冻过程中,瞬态激励下各测点时域波形幅值减小,而融化过程中,各点的时域波形幅值增大,且土体含水率越高,时域波形幅值变化越大;多次冻融循环后,瞬态激励下的桩-土耦合刚度变小。在不同含水率时,离瞬态激励点最近的两块压电陶瓷(piezoelectric ceramics, PZT)的能量指数平均差别分别为30%、25%,在含水率为6%时,平均每一次冻融循环会使桩-土耦合刚度减小约6%,而在含水率为12%时,平均每一次冻融循环会使桩-土耦合刚度减小约10%。12%的含水率相比6%的含水率,其对桩-土耦合刚度的影响大约高68%。     

冻融作用下氯盐渍土变形与强度特性试验研究

在"一带一路"倡议背景下,盐渍土的冻胀和融沉问题对南疆地区的交通建设及其长期稳定运行产生了不利影响,以喀什-阿图什铁路段盐渍土为研究对象,研究不同含盐量盐渍土在冻融循环作用下的压缩变形和直剪强度特性的变化规律。试验结果表明:相同的含盐量条件下,随着冻融循环次数的增加,试样压缩系数逐渐增大,压缩模量逐渐减小,黏聚力和内摩擦角整体上呈减小趋势;相同冻融次数条件下,随着含盐量的增加,试样压缩系数逐渐增大,压缩模量逐渐减小,黏聚力整体上呈先增后减趋势,摩擦角整体上呈减小趋势;但冻融过程的水分和盐分迁移对直剪试验结果即黏聚力和内摩擦角的演化规律有一定的影响。此研究结果可为南疆地区交通建设提供指导。     

沥青混合料水稳定性的试验研究

由于水稳定性不足造成的水损害,是我国沥青路面早期破坏的主要形式之一,但工程实践表明,浸水马歇尔试验与路面的实际状况相差较远,其残留稳定度也未能反映出沥青混合料水稳定性的真实情况,本文以劈裂试验为基础,通过对浸水条件的改进,进一步深入地研究了几种常见沥青混合料的水稳定性,提出了以真空循环饱水条件下的沸煮劈裂试验的残留稳定度来评价沥青混合料的水稳定性,试验结果表明,此方法的试验结果明显好于现行规范中的方法,而采用密实结构AC-16I的水稳定性明显优于其他几种沥青混合料。     

沥青混合料水稳定性评价方法研究

分析比较了4种评价沥青混合料水稳定性评价方法即浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、沥青路面分析仪浸水车辙试验和朱丽叶试验的优缺点和试验条件．从试件性能的稳定性、试验模拟的环境条件、评价指标的有效性而言，沥青路面分析仪浸水车辙试验最好，朱丽叶试验次之，冻融劈裂试验第三，而浸水马歇尔试验最差．但从试验方法的可操作性而言，沥青路面分析仪浸水车辙试验最差．通过不同评价指标的相关性分析，研究不同试验方法内在区别和联系，从而为实际工程运用提供一些参考．