随着我国工程建设的范围和规模不断增大,盐碱土在工程方面的危害也日益凸显。由于土壤中盐分受孔隙水流动和温度等因素的影响,不断发生着物理化学变化,导致土体的工程性质极不稳定,常常带来一系列工程地质问题,造成巨大经济损失。因此,掌握盐渍土的工程性质尤其是盐分浓度和成分对工程性质的影响,对盐渍土地方的工程实践具有重要指导意义。为此,本文着重研究土体中NaCl、KCl和CaCl2的浓度对土体干缩开裂性质的影响,在控制温度和相对湿度的条件下模拟干旱气候条件,使试样蒸发失水,在整个干燥过程中,定时测量试样的含水率变化并用相机记录裂隙发生及演化过程,利用数字图像处理技术对所获得裂隙图像进行定量分析,从而得到表面裂隙率、节点个数、块区个数、分形维数等裂隙量度指标,并探讨了盐渍土的上述干缩开裂特性在干湿循环条件下的演变规律。此外结合粒子图像测速技术(PIV)对裂隙的发育过程进行直观的展示,通过扫描电镜(SEM)和压汞试验(MIP)对盐分影响下的土体微观结构进行分析,最后从盐分-黏土颗粒相互作用及黏土双电层变化、蒸发机理和力学机理三个方面对观测到的现象进行了解释,为进一步认识盐碱土干缩开裂机理及指导盐碱地区的工程实践具有重要意义。论文取得了如下主要成果:(1)蒸发方面:从总体来看,蒸发可分为三个阶段,即恒速率阶段、减速率阶段和残余速率阶段。相同盐分条件下,随着盐分浓度的增加,土体蒸发持续时间逐渐增长,试样的残余含水率增加。在低浓度条件下,盐分种类对蒸发速率的影响较小,NaCl、KCl和CaCl2三者试样蒸发速率相近;当浓度增大时,盐分种类对蒸发速率和残余含水率的影响逐渐明显,其中含CaCl2的试样达到稳定的蒸发速率所用的时间最长,其次是含KCl和NaCl试样。蒸发结束时,含NaCl试样的最终含水率最低,其次是KCl试样,但两者差异不大,最终含水率最高的为含CaCl2的试样。(2)裂隙发育方面:将粒子图像测速技术(PIV)应用到对土体干缩开裂的过程的分析,发现裂隙周边土体的收缩运动方向基本垂直于裂隙的发育方向,表明裂隙是一种张拉破坏。块区形成后,收缩变形从四周向中心发展,越靠近中心区域,收缩变形量越小,甚至不发生变形,存在“收缩中心”现象。当盐的种类相同时,提高盐的浓度会导致表面裂隙率(Rsc)增长速率降低,减小最终Rsc、平均裂隙宽度(Wav)、单位面积内土块个数(Nc)和分形维数(Df),增加平均裂隙长度(Lav),显示出盐浓度的增加对土体干燥开裂具有一定的抑制作用;在相同浓度下,NaCl和KCl对土体干缩裂隙的影响类似,而在CaCl2的影响明显不同于NaCl和KCl,含CaCl2的土体的表面裂隙率、裂隙平均宽度、单位面积土块数和分形维数低于含NaCl和KCl试样,而裂隙平均长度高于含NaCl和KCl试样。(3)干湿循环方面:随着干湿循环次数的增加,干燥结束时,表面光滑、棱角分明的裂隙逐渐变得曲折粗糙而成锯齿状,土体裂隙连通性变差逐渐,微裂隙增多,土块的形状由较大规则变得碎小而越来越不规则。对于含相同种类盐分的土体,浓度较低的土体在进行相同次数后干湿循环之后表面裂隙松散程度高于浓度较高的土体。湿化过程中,CaCl2对试样干湿循环后裂隙形态的影响与NaCl相比,既有一定的共性也有一些不同之处。当CaCl2浓度较低时,与不加盐土体和含NaCl 土体类似,湿化后土体会立即崩解坍塌,变得非常松散,且水分迅速被土体吸收,但当土体中含较高浓度CaCl2时,湿化后土体缓慢吸水膨胀,裂隙逐渐缩小,表面残余明显液面,说明含CaCl2试样吸水性受到了抑制,且经过多次干湿循环后高浓度试样的图案依旧与第一次干燥后的试样保持较高的相似性。(4)微观结构方面:盐分改变了土体原有的结构,由原本的致密变得较松散,且当盐浓度较高的时候,出现了结晶的簇状结构;盐分浓度对试样的孔隙结构有重要影响,随着盐分浓度的增加,试样中大孔隙所占比重明显增加,最终表观孔隙比也呈增加趋势,说明盐分的增加导致了土体结构变得更加松散。(5)机理解释方面:当溶质通过扩散进入土体孔隙水中,外表带负电荷的黏土颗粒和集聚体便会吸引盐分中的正电荷离子,从而使得相邻黏土颗粒和集聚体之间的双电层厚度减小,引起孔隙体积的减小,高浓度盐和高价阳离子会导致更大程度双电层厚度减小,最终土体的收缩性减弱,裂隙发育程度降低;在特定的温度条件下,饱和NaCl,KCl和CaCl2溶液的相对湿度不同,溶液和空气中不同的相对湿度会使得土壤-空气界面处产生压力梯度。与含有NaCl和KCl溶液的浆料样品相比,CaCl2溶液混合的样品的相对湿度比周围环境低,使得含有CaCl2溶液的土体具有较高的土壤吸力和较少的水分蒸发。在相同的盐浓度下,含有NaCl和KCl溶液试样的表面会产生更强烈的裂纹图案,表明Na+和K+对溶胀压力的更强的弱化作用;孔隙水中的盐分浓度增加,渗透吸力也随之增加,对水分子的束缚能力增强,同等条件下水分蒸发速率降低。此外,渗透吸力的增加还会进一步强化颗粒间的有效应力,提高土体的抗拉强度,从而延迟裂隙出现的时间,对应临界开裂含水率也相应减小。当盐浓度较高时,水分的蒸发会导致盐分在土壤表面析出结晶体,胶结土颗粒,甚至在表面形成结晶硬壳层,阻碍裂隙发育。