Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 吉林西部盐渍土未冻水含量影响因素及预测研究 | |
| 刘宇峰 | |
| 出版年 | 2020 |
| 学位类型 | 博士 |
| 学位授予单位 | 吉林大学 |
| 中文摘要 | 吉林西部分布着大面积的碳酸盐渍土,由于其所处气候环境、土体物质组成等的影响,又具有典型的分散性土和季节性冻土的特征,因此其工程地质性质比较复杂。在土体的冻结过程中,土体中水分会向冻结方向迁移,一方面会导致土体发生冻胀,从而引起灌溉工程中渠道、边坡失稳等工程问题;另一方面,水分会携带盐分向地表方向聚集,加剧盐渍化程度,从而引发草场、耕地退化等农业生态问题和道路翻浆、土木工程腐蚀等工程问题。上述问题的产生都和未冻水含量有着密切的联系。在土体的冻结过程中,未冻水含量的多少决定着冻结土体中水分迁移量的大小,而水分迁移量的大小又直接影响着冻结土体冻胀量的大小以及盐渍化现象的产生。吉林西部盐渍土未冻水含量是土体冻胀机理和水盐运移机理的核心和基础。因此,需要对吉林西部盐渍土未冻水含量进行必要的研究。本文选择镇赉和农安研究区碳酸盐渍土为研究对象,在国家自然科学基金重点项目:“国家自然基金国际(地区)合作与交流重点项目”(41820104001),“寒旱区土体盐渍化HTSM多场耦合地质环境系统灾变演化机理与工程效应研究”(Grant No.41430642),以及“国家自然科学重大科学仪器专项基金”(Grant No.41627801)的资助下,结合野外调查和课题组前期成果,首先,采用室内试验等方法对所取土样的物质成分、理化性质以及孔隙结构特征进行了研究,经过分析发现,研究区土体主要以粘粒和粉粒为主,粘粒含量小于粉粒含量;土体矿物成分以原生矿物为主,镇赉土体粘土矿物以伊蒙混层矿物和伊利石占比最高,农安粘土矿物以伊利石相对含量最高;水盐含量在不同的季节表现出不同的变化规律;土体为碳酸盐渍土,土体中阳离子以钠离子含量最高;土体p H值略大于7,表现为弱碱性;土体孔隙结构中,以中、大孔隙为主,微、小孔隙所占含量也较大。其次,利用课题组自主研发的“超冷环境岩土冻融综合实验箱”对镇赉研究区和农安研究区的盐渍土样品进行室内冻结温度试验。设计含水率、含盐量以及压实度三个条件作为冻结温度试验的试验条件,土体样品中加入盐的类型为碳酸氢盐。经过测试,得到了研究区土体样品的冻结温度。试验结果表明,盐渍土的冻结温度受到初始含水率与含盐量的影响较大,压实度对冻结温度几乎没有影响。并且,冻结温度的变化与含水率的变化正相关,含水率越高,土体的冻结温度越高,反之亦然;含盐量越大,土体的冻结温度越低,土体越难冻结,含盐量则对土体的冻结具有抑制作用。再其次,基于不同初始含水率、不同含盐量以及不同温度,研究了镇赉研究区和农安研究区盐渍土未冻水含量。先行设计了适宜的试验土体的含水率和含盐量,结合核磁共振试验,对土体进行了测试,得到了研究区土体在不同温度点的未冻水含量,并与测温法计算的未冻水含量进行对比:测温法适合研究土体初始冻结后未冻水含量的变化,核磁共振试验则能够得到完整的未冻水含量随温度变化的曲线。再次,对影响未冻水含量的因素进行了讨论与分析。温度、初始含水率、含盐量以及冻融循环作用均会对土体未冻水含量的变化产生一定的影响。未冻水含量对温度的变化非常敏感,温度越高,土体的未冻水含量越高,反之亦然;含水率越大,相同温度下的土体未冻水含量越大;盐的存在会抑制土体的冻结,导致含盐量越大,土体的未冻水含量越高,未冻水含量的变化趋于稳定时的温度越低;在冻融过程中,土体的未冻水含量变化存在明显的滞后现象,与冻结过程相比,融化过程的未冻水含量相对较低。另外,对于任何条件下的盐渍土土体,即使温度降低到-20℃,土体中依然存在着未冻水,并且未冻水含量变化幅度基本上趋于稳定。最后,基于BPNN理论、ANFIS理论和SVM理,建立镇赉研究区和农安研究区盐渍土未冻水含量预测模型。将核磁共振试验结果作为数据样本,80%的数据参与模型的训练,20%的数据参与模型的测试,选择土体初始含水率、含盐量以及温度作为模型的输入变量,未冻水含量作为模型的输出变量,结合BPNN理论、ANFIS理论和SVM理论建立研究区土体未冻水含量预测模型。应用统计学参数对模型的预测能力进行评价,同时采用5折交叉验证评价三个模型的可用性。通过对比发现,ANFIS模型和BPNN模型适合预测吉林西部镇赉研究区和农安研究区盐渍土未冻水含量。通过上述研究,将有助于丰富吉林西部地区盐渍化的理论,并为该地区恢复生态环境、农业耕地及工程建设的顺利开展提供理论依据。 |
| 中文关键词 | 盐渍土 ; 未冻水含量 ; BP神经网络 ; 自适应模糊神经系统 ; 支持向量机 ; 预测模型 |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 中图法分类号 | P642.1 |
| 来源机构 | 吉林大学 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/354751 |
| 作者单位 | 吉林大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘宇峰. 吉林西部盐渍土未冻水含量影响因素及预测研究[D]. 吉林大学,2020. |
| 条目包含的文件 | 条目无相关文件。 | |||||
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