吉林西部属于干旱—半干旱温带大陆性季风气候,并且为季冻土区。近半个世纪以来,吉林西部土地盐碱化面积和程度都有所增加,多处湖沼干涸、草地退化,而土体盐渍化也无疑限制了当地经济的可持续发展,并且给生态环境造成巨大威胁。由于吉林西部特殊的环境气候,加之原岩类型的不同,使吉林西部不同地点土体具有独特的土体结构。在长期对该区多点多地的野外调查和室内试验的基础上,了解吉林省西部的镇赉、大安、乾安、泥林、农安等地盐渍土的物质组成和结构各不相同。在调查中发现镇赉地区分布有大面积斑状盐碱土地,该区为吉林西部盐渍化最为严重的地区之一,土中易溶盐含量较高,并且以钠盐为主,导致土体分散性较强,工程地质性质较差。在季冻区环境和高易溶盐含量的影响下,镇赉盐渍土发育有大量裂隙,形成了特殊的“蒜瓣”结构,土体类型为异构破碎型。因此,为了搞清该区土体的水热盐运移规律,有必要对其特殊结构的成因机制和演变规律进行研究。本次研究以镇赉盐渍土为研究对象,以长期的野外调查以及室内试验为基础,通过大量收集分析已有成果资料,利用理化试验、冻结试验、扫描电镜、压汞试验、核磁共振试验等多种手段,对镇赉盐渍土基本物质组成、水热特征、宏微观结构进行了研究。从宏微观角度探讨了冻融条件下土体的结构演变规律,从机制学角度分析了其结构成因;在室外水盐运移监测试验的基础上,结合COMSOL进行盐渍土水热盐耦合数值模拟,掌握正向冻融期盐渍土中水热盐动态变化特征,分析盐渍土冻结层厚和深度的变化规律。有助于了解正向冻融期土体结构的成因机制,为深入探究该区土体的次生盐碱化进程和防治土体冻害提供丰富的理论依据。本文首先对研究点不同埋深的盐渍土进行取样测试,通过室内试验了解镇赉盐渍土的成分特征和基本性质。镇赉土样水盐含量随埋深变化明显,埋深10~80cm土样含盐量较高,总含盐量为0.3~0.5%,阳离子主要为Na+,阴离子以硫酸根和碳酸氢根为主;春融期埋深30~100cm的土样含水率较高,该区蒸发深度约为35cm。镇赉表层以下各层土样胶粒含量均较高,表层土和深度大于120cm土样为粉质重亚粘土,其他土样均为粉质轻粘土。镇赉盐渍土具有分散性,土体干时硬度大,遇水即刻变浑浊,各层土样有机质含量均较低,阳离子含量较高,土样中粘土矿物含量高且结晶较差,为过渡型矿物。根据压缩曲线求得原状土样结构屈服压力要小于重塑土样,说明土体中的裂隙削弱了土体的结构强度。通过研究镇赉原状和重塑土样的宏微观结构可知,重塑土样冻融循环后与原状土样结构相似,均发育有大量的裂隙,这说明冻融作用是镇赉土体裂隙发育的原因之一。不同水盐含量的重塑土样经历冻融循环后结构改变方式不同,冻融循环作用对不同粒径的土颗粒作用效果不同,对大颗粒有破坏作用,但对胶粒有团聚作用,综合作用结果是硫酸盐渍土中粒径主要分布在0.075~0.005mm,碳酸盐渍土和不同含水率土样粒径主要分布在0.075~0.005mm和<0.002mm。硫酸钠盐渍土累积盐胀量较大,土体以盐胀破坏为主,随着硫酸钠含量的增加,冻融循环后土样胶粒含量愈小;并且当硫酸钠含量大于1.5%时,土样由分散性土转变为非分散性土;在冻融循环条件下,硫酸钠增强了土颗粒的团聚性,使胶粒团聚成较大的颗粒。而原盐含量和碳酸盐渍土样主要为冻胀-盐胀破坏模式,土体盐胀量较小,冰晶和碳酸盐晶体对土颗粒中大颗粒的破坏作用较显著,对胶粒的团聚作用较小,综合作用结果是>0.075mm的颗粒含量减小,胶粒含量略有减少。利用室内压汞试验对原状土样和重塑土样的孔隙分布进行定量研究,发现镇赉裂隙土包含有2个孔隙系统:裂隙网络和土孔隙,并且孔隙分布呈双峰特征,即土样呈双孔隙结构(粒间孔隙和粒内孔隙两种孔隙结构),双峰位置分别位于孔径为4~100μm和<0.4μm范围。通过扫描电镜试验得知,未经冻融循环的重塑土样结构密实、平整,无明显裂隙发育,微结构类型为团聚状结构,土结构较完整。而经历冻融循环后各土样均发育有宏微观裂隙,各土样微结构类型为团聚状-凝块状结构,微裂隙密度和宽度随含水率的增大而增大,随碳酸盐含量增大而逐渐减小,在土样表面观察到的碳酸盐结晶也随含盐量的增大而增多。硫酸盐渍土微结构呈现盐-土粒混溶态包裹土团粒的形态特征,冻融循环后土中发育大量架空孔隙,结构单元体直径较大,细颗粒含量含量减少,与颗粒分析试验结果相符。结果表明:镇赉土体的物质组成(粒度组成、矿物组成、易溶盐种类和含量)是裂隙结构形成的内因,冻融循环作用是外因。本文利用课题组自主研发的“超冷环境岩土冻融综合实验箱”进行室内冻结试验研究,配置不同易溶盐含量、类型和不同含水率的重塑土样,测得各土样的冻结过程曲线,获得土样冻结温度以及稳定阶段时长,并研究土体冻结温度的影响因素。与农安盐渍土相比较,镇赉盐渍土由于其胶粒含量高、分散性强、粘土矿物结晶差,这种特殊土质决定了土样的冻结过程曲线与农安盐渍土差异很大,其冻结过程曲线均未出现过冷和跳跃阶段;不论是硫酸盐渍土还是苏打盐渍土,冻结温度随含盐量增大而降低;冻结温度有随冻融循环次数略微升高的趋势,稳定阶段时长可反映出土中扩散层体积含量,随冻融循环次数变化剧烈波动。利用核磁共振仪测定镇赉盐渍土不同水盐含量时未冻水含量随温度的变化曲线,并讨论了影响未冻水含量的因素,发现降温和升温过程中的未冻水含量-温度关系曲线并不相同,在一定温度范围内后者存在滞后现象,对曲线进行拟合,并将拟合函数用于水热盐耦合数值模拟。季冻区盐渍土中水热盐耦合关系复杂,为了准确了解在冬季冻结和春融阶段镇赉盐渍土的水热盐耦合规律,本次利用室外正冻和正融的条件下进行镇赉盐渍土水热盐现场监测试验,获得盐渍土土体不同层位水分、温度和盐分的演变规律,为今后研究吉林西部盐渍土的水盐迁移以及盐渍化机理提供参考。但自然条件下气温的变化过程较复杂,整个冬季来说正向冻结和正向融化时交互发生的,并且盐分的结晶析出对温度变化较敏感,盐分的变化趋势波动性较大,数值模拟时有必要进行合理简化。在对研究区土样进行基本物理化学性质以及水热盐参数测定的基础上,通过建立正冻-正融条件下盐渍土水热盐耦合模型,对室外监测试验进行数值模拟。结果表明在冻融作用下,在特定的正负温差时,土体内部可存在双冻土层,设立正确的边界条件是模拟结果可信的关键。在融雪入渗的影响下仅浅层土体盐分可淋溶至下层土体,在反复冻融作用下盐分随水迁移聚集至冻土层,因此原位土体中30~80cm范围内易溶盐含量较高,模拟结果较好的反映了镇赉原状土体内部的水盐运移规律。受温度环境影响的土体深度范围有限,在反复冻融循环作用下,土体中易溶盐在0~2m范围内形成内部循环,模拟结果可为季冻区冻土灾害防治提供参考。