吉林省西部地区盐渍土水分迁移及冻胀特性研究

论文摘要

吉林省西部地区属于典型的季节性冻土地区,水分、盐分的迁移加剧了该地区土壤的盐渍化及冻胀程度。为掌握吉林省西部地区盐渍土的水分迁移和冻胀特性,从而为有效控制该区土壤盐渍化及冻胀不断加剧的趋势进一步提供理论依据,本文以吉林省西部地区碳酸盐渍土为研究对象,在国家自然科学基金项目“东北季冻区路基土水分迁移的微观机理研究”、国家自然科学基金国际合作项目“不同气候带几种表生特殊土的形成环境及演化趋势”资助下,通过对研究区不同季节、不同深度土样的室内常规试验、研究,分析了平面及纵向剖面上土体的物理化学性质分布特征及其随季节的变化规律;然后对土样进行了直接法和冻融法的室内水分迁移大型模拟试验,通过对单次和多次冻融前后土样的含水率、含盐量的对比分析,研究了单次和多次冻融循环过程中土的水分迁移及盐分运移特征。研究表明:由于该区大部分土体含有大量的交换性钠,孔隙主要以细毛管孔隙为主,所以直接法试验中毛细现象微弱,冻融法试验中温度界限附近存在的水分迁移现象主要是温度梯度作用引起的土中薄膜水的迁移,盐分的迁移现象是温度梯度、浓度梯度共同作用的结果。由于实际工程中渠道、堤坝、支撑结构物等工程的土体填料,受条件限制有时采用碳酸盐渍土,这种具有一定击实度的土体较易引起工程冻胀破坏,本文结合水分迁移模拟试验的研究结果及对冻结过程中不同冻结温度、不同击实度土样的微观结构的分析结果,对吉林省西部地区碳酸盐渍土的冻胀影响因素进行分析,并对研究区土样进行击实条件下的室内冻胀试验,研究了大安市和镇赉县三支沟地区碳酸盐渍土在不同含盐量、不同含水率、不同击实度、不同温度下的冻胀特性。在以上试验数据的基础上,利用灰色关联度法和粗糙集理论对土体粉粒含量、粘粒含量、比表面积、阳离子交换容量、含盐量、含水率、击实度、温度8个影响因素与冻胀率之间的关系进行研究,探讨了各因素对碳酸盐渍土冻胀特性的影响程度大小,并结合两种方法确定了对该区土体冻胀性影响较大的5个因素:温度、含水率、击实度、含盐量、粘粒含量。最后,采用冻胀率和已确定的对冻胀性最具影响意义的5个因素:温度、含水率、击实度、含盐量、粘粒含量,建立了BP神经网络冻胀模型,并通过试验值和模型计算值的对比对模型进行验证,结果表明建立的模型能较好的描述和预测碳酸盐渍土冻胀特性,是研究碳酸盐渍土冻胀特性的比较可行的方法。

论文目录

• 内容提要
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.1.1 盐渍土分布概况
• 1.1.2 吉林省西部地区盐渍土水分迁移及冻胀特性研究意义
• 1.2 盐渍土的国内外研究概况
• 1.2.1 国外研究概况
• 1.2.2 国内研究概况
• 1.3 盐渍土水分迁移的国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 盐渍土冻胀的国内外研究现状
• 1.4.1 国外研究现状
• 1.4.2 国内研究现状
• 1.5 吉林省西部地区盐渍土的研究现状
• 1.6 本文的主要研究内容、创新点及技术路线
• 1.6.1 研究内容
• 1.6.2 创新点
• 1.6.3 技术路线
• 第2章 吉林省西部地区盐渍土物质组成、理化特性及孔隙分布特征
• 2.1 研究区概况
• 2.2 野外调查取样
• 2.2.1 野外调查
• 2.2.2 土样采集
• 2.3 研究区土的物质组成
• 2.3.1 粒度成分
• 2.3.2 矿物成分
• 2.4 研究区土的物理化学性质
• 2.4.1 物理性质
• 2.4.2 易溶盐
• 2.4.3 比表面积
• 2.4.4 pH 值
• 2.4.5 有机质
• 2.4.6 阳离子交换容量
• 2.5 研究区土的孔隙分布特征
• 2.5.1 土体孔隙特征测试步骤
• 2.5.2 测试结果分析
• 2.6 小结
• 第3章 吉林省西部地区盐渍土水分迁移试验研究
• 3.1 冻土中水分迁移的驱动力
• 3.2 碳酸盐渍土水分迁移试验研究
• 3.2.1 直接法毛细水上升试验
• 3.2.2 冻融法毛细水上升试验
• 3.3 水分迁移试验结果与分析
• 3.3.1 直接法毛细水上升试验结果分析
• 3.3.2 冻结前后含水率的变化特征
• 3.3.3 冻结前后含盐量的变化特征
• 3.4 多次冻融循环过程中的水分、盐分迁移
• 3.4.1 冻融循环过程中水分变化特征
• 3.4.2 冻融循环过程中盐分变化特征
• 3.5 小结
• 第4章 吉林省西部地区盐渍土冻结过程中微观结构研究
• 4.1 试验方法
• 4.2 微观结构研究参数简介
• 4.2.1 单元体及孔隙大小、形态特征参数
• 4.2.2 结构单元体及孔隙的排列特征参数
• 4.3 冻结前后微观结构定性分析
• 4.4 冻结前后微观结构定量分析
• 4.4.1 冻结前后结构单元体变化
• 4.4.2 冻结前后孔隙变化特征
• 4.5 小结
• 第5章 吉林省西部地区盐渍土冻胀影响因素分析
• 5.1 土质对冻胀性的影响
• 5.1.1 土的粒度成分
• 5.1.2 土的矿物成分
• 5.1.3 土的孔隙特征
• 5.1.4 土的密实度
• 5.2 水对土冻胀性的影响
• 5.3 土中盐分对冻胀性的影响
• 5.4 温度对冻胀性的影响
• 5.5 小结
• 第6章 吉林省西部地区盐渍土室内冻胀试验研究
• 6.1 研究区土样冻胀试验概况
• 6.1.1 室内冻胀试验设计
• 6.1.2 试验设备
• 6.1.3 试验方法
• 6.2 大安（春）土样冻胀试验结果分析
• 6.2.1 不同含水率土样冻胀率研究
• 6.2.2 不同击实度土样冻胀率研究
• 6.2.3 不同含盐量土样冻胀率研究
• 6.3 三支沟（春）与大安（春）土样盐冻胀试验结果对比分析
• 6.3.1 1.2%含盐量时三支沟（春）与大安（春）土样冻胀率比较
• 6.3.2 1.5%含盐量时三支沟（春）与大安（春）土样冻胀率比较
• 6.4 本章小结
• 第7章 基于灰关联度法和粗糙集理论评价吉林省西部地区盐渍土冻胀性影响因素
• 7.1 基于灰关联度法对碳酸盐渍土冻胀性影响因素进行评价
• 7.1.1 灰色关联分析简介
• 7.1.2 关联系数与关联度的计算
• 7.1.3 各影响因素与冻胀性灰关联分析过程
• 7.1.4 关联度结果分析
• 7.2 粗糙集理论主要概念
• 7.2.1 知识、知识库
• 7.2.2 近似集的概念
• 7.2.3 知识约简
• 7.2.4 影响因子的重要度及权重的计算
• 7.3 运用粗糙集理论进行各因素对冻胀性的影响评价
• 7.3.1 研究所选粗糙集理论的专业软件介绍
• 7.3.2 冻胀率及其影响因素决策信息表的构建
• 7.3.3 基于粗糙集理论的冻胀率影响因素属性约简
• 7.3.4 基于粗糙集理论的冻胀率影响因素重要度及权重的确定
• 7.3.5 灰关联度法与粗糙集理论评价方法比较及结合
• 7.4 小结
• 第8章 基于BP 神经网络建立碳酸盐渍土冻胀模型
• 8.1 引言
• 8.2 BP 神经网络
• 8.2.1 BP 神经网络简介
• 8.2.2 BP 神经网络基本原理和算法
• 8.3 BP 神经网络模型构建
• 8.3.1 BP 神经网络结构及隐含层节点确定
• 8.3.2 权值W、临界值b 初始化
• 8.3.3 模型验证
• 8.4 BP 神经网络工具箱函数实现
• 8.5 基于BP 神经网络建立碳酸盐渍土冻胀模型
• 8.5.1 确定网络结构
• 8.5.2 确定隐含层节点数
• 8.5.3 碳酸盐渍土冻胀预测模型训练和仿真结果
• 8.6 小结
• 第9章 结论和建议
• 9.1 结论
• 9.2 建议
• 参考文献
• 作者简介及攻读博士学位期间所取得的科研成果
• 致谢