人工冻融黏土导热系数试验研究

基于TC3000型热线法导热系数测试原理,研制了人工冻土导热系数测试系统,该系统具有温度精度高、测试速度快、测试灵活等优点。对冻结地下工程岩土进行了导热系数试验研究,获得人工冻结黏土随干密度、含水率、外界环境温度变化对冻土导热系数的影响规律。试验结果表明:冻融土导热系数随干密度呈线性增加,平均增长速率为0.20~0.25 W/m·K之间;冻融土导热系数随含水率变化平均增长速率相差不超过0.03 W/m·K;温度每降低1℃,冻融土导热系数增加0.01~0.014 W/m·K。研究成果可为类似冻结工程中测试土体导热系数提出一种新的有效方法,对人工冻结温度场计算具有重要指导意义。     

淤泥质黏土火灾高温下导热系数的试验研究

对火灾高温下隧道衬砌结构周围饱和软黏土的热传导特性进行了试验研究,旨在进一步探讨作用于隧道结构上的荷载变化,以便准确评价其安全状态.采用热探针程序法(美国材料与试验协会(ASTM)确定土体和软岩导热系数的标准方法),应用自行研制的高温土体导热系数测定仪测定了上海淤泥质黏土在高温下的导热系数.试验分别测定了不同温度及不同含水率条件下土样的导热系数,并以KD2导热系数测定仪作为校准仪器对试验结果进行了校正.试验结果表明导热系数随着温度的升高而增大,且其增大的速率随温度的增加而减小,特别是对含有机质的淤泥质黏土因有机质的高温分解而使得这种降低更加明显;此外,在不同高温下土体导热系数随含水率的增加而增大.     

冻结粉质黏土声学特性与物理力学性质试验研究

 为分析冻结粉质黏土的声波参数与其物理力学性质之间的关系,进行了冻结粉质黏土的超声波测试,同时测定了其在不同温度下的抗拉、抗压强度。基于试验分析了温度、含水率和干密度等对冻土波速的影响以及波速与强度的关系。结果表明：土样在－1 ℃到－7 ℃的温度范围内,波速变化尤为剧烈;存在一个临界含水率16.03%,使波速随含水率的增加呈先增加后减少的趋势;在含水率相同的情况下,波速随干密度的增加呈线性增加;通过波速计算得到冻结粉质黏土的三个动弹性力学参数,并分析这些参数随温度的变化趋势;冻土声波波速与强度呈现出良好的相关性,冻土的强度越大,声波波速越高。因此,可利用声波测试技术对冻土进行无损检测,为冻土强度的预测奠定基础。     

冻土导热系数测试和计算现状分析

为认知冻土导热系数测试和计算方法的研究现状,从而服务于冻土温度场的计算,介绍了冻土导热系数的研究背景和导热系数对冻土温度场的贡献,并对冻土的组成和导热系数随不同负温变化的原因进行了分析。阐述了目前冻土导热系数的测试技术、计算方法、理论计算模型及土中固相矿物导热系数的确定方法,并分析了其优缺点和误差存在的原因。对冻土导热系数随温度、干密度、含水率等因素变化的研究成果进行了整理,分析了基于测温法确定冻土导热系数存在的误差及其原因,并初步提出了一种修正冻土导热系数测试结果的方法。在此基础上,提出了对冻土导热系数测试和计算的建议和展望。结果表明:温控环境和测试过程中的相变热对导热系数实测值均存在影响,从未冻水含量的角度修正相变潜热对导热系数测试过程的影响具有理论可行性;线性回归预估模型应考虑土质对测试值的初始影响,从相间热量平衡的角度建立导热系数的理论模型,对于温度场解析问题的研究具有重要作用;考虑土颗粒的多孔特性,推演不随密度变化的土中固相物质导热系数的确定方法,对于提升冻土导热系数计算模型的预测精度具有基础作用;从微观角度出发,建立能够反映土体冻结速率的导热系数模型应是冻土导热系数研究区别于常规土体的重要方向;统筹考虑导热系数、比热和潜热对温度场的影响,从温度场的角度验证导热系数计算模型的可靠度是必要的;所得到的结论可为冻土温度场解析解问题的研究和冻结法施工中的温度场预测提供借鉴。     

多年冻土区粉质黏土融沉特性试验研究

以国道322库—根公路工程为依托,通过对沿线多年粉质黏土冻土原状样进行融沉试验,分析了融沉系数随含水率、干密度的变化规律,发现弱融沉以上等级的粉质黏土冻土原状样的融沉系数随含水率的增大而增大、随干密度的增大而减小的规律,进而提出了多年冻土区粉质黏土路基的治理思路,为极寒地区多年冻土路基融沉治理提供了理论参考与科学依据.     

土体导热系数温度效应及其预测模型

考虑环境温度变化对土体导热系数的影响,对于地下热工项目的优化设计和安全评价是必要的。利用热探针法测试了不同温度下红黏土、粉土、软土和膨润土的导热系数,分析了土体导热系数的温度效应及其影响因素,建立了考虑导热系数温度效应的加权几何平均模型,并与传统的预测模型进行对比分析。试验结果表明：土体导热系数随温度的增加而增大,其温度效应随干密度的增大而减小,温度对非饱和土体导热系数的影响较大,对于干燥和饱和土体导热系数的影响较微弱。温度对土体导热系数的影响可能取决于水汽潜热传输作用的变化,土中可提供潜热传输的水分和水汽运移通道越多,土体导热系数的温度效应越显著。模型计算结果表明,提出的加权几何平均模型预测性能良好,且较好预测了含水率和干密度对土体导热系数温度效应的影响,而Tarnawski模型、Gori模型、Leong模型预测精度均低于加权几何平均模型。     

非饱和粉质黏土冻结温度和冻结变形特性试验研究

为掌握冻土冻结变形规律,揭示冻结变形机理,采用自行研制的温控体变仪精确测量不同饱和度、孔隙比土样的冻结变形,为计算冻土的体积含冰量,对非饱和粉质黏土冻结温度进行了测量。室内试验结果及其数据分析表明:(1)非饱和粉质黏土冻结温度(冰点)主要由土样初始基质吸力决定,基质吸力越大,冻结温度越低。(2)非饱和粉质黏土冻结变形随饱和度变化存在两种截然不同的机制,饱和度较低时,冰水相变影响较小,土体呈冻缩特征;饱和度较高时,冰水相变占主导作用,导致土体结构破坏,呈冻胀特征。(3)非饱和粉质黏土冻结体应变与土体体积含冰量和初始孔隙比具有良好的经验关系,可以基于体积含冰量和初始孔隙比预测土体冻结体应变,其中体积含冰量由土体冻结温度、温度、饱和度、干密度计算得到。     

土体温度场物理模拟用土的制备方法研究

为提高冻土模型试验对现场实际的反映程度,基于模型与原型之间的相似关系,提出了一种制备热学参数满足相似原理的模型土方法。首先,根据傅里叶方程、第三边界条件和相似理论推导出了土体冻结过程中热学参数相似准则,并依照Johansen的导热系数广义几何平均计算方法列出了模型土应满足的3个方程。在此基础上,选用高密度聚乙烯、标准砂、活性炭粉制备模型土并模拟了天津地区某粉质黏土冻结过程温度变化。根据高密度聚乙烯、标准砂、活性炭粉和天津地区粉质黏土的导热系数、比热和密度实测值,结合模型土的三个配比方程确定了模型土的相态组成。分别将配制好的模型土以及粉质黏土用于模型试验和原型试验,并将实测温度值进行了对比,验证了模型土配置方法的有效性。 该研究对于冻土温度场的跨尺度预测具有借鉴意义。     

人工冻结黏土导热系数的非线性模型预测分析及工程应用

含水率、干密度、温度等都是人工冻结黏土导热系数的主要影响因素。对于多因素耦合作用下的人工冻结黏土导热系数非线性模型,可以用BP神经网络来建立。本文以某地区浅层地基土为研究对象,采用三层BP神经网络建立其预测模型,通过对该模型进行检测,结果表明,该预测模型具有较好的准确性,可将其用在具体的工程中。     

人工冻结作用下淤泥质黏土冻胀特性试验研究

冻结法施工在上海软土地区隧道附属设施建设中(如隧道旁通道、地下泵房等)得到较多地应用。上海地铁隧道一般位于第④层饱和淤泥质黏土层中,饱和淤泥质黏土层冻胀变形使地铁隧道管片破裂、渗水或漏泥,严重影响隧道管片质量与地铁安全运营。以上海第④层饱和淤泥质黏土为研究对象,通过室内冻胀试验,研究冷端温度对土体的冻胀力以及冻胀率的影响规律,结果显示土样冻胀率以及冻胀力与冷端温度具有较好的线性关系。通过冻结温度试验测出了土体的冻结温度,同时建立了第④层饱和淤泥质黏土的冻结温度场,进一步揭示了冻结锋面的发展与时间的关系。研究成果为上海地铁隧道冻结法设计、施工与地铁安全运营提供了有价值的参考。     

基于ANN的岩土体热阻系数预测模型研究

为准确预测土体热阻系数,通过室内热探针测试与数据分析,简要分析了含水量、干密度、矿物成分和颗粒形态等因素对土体热传导特性的影响,利用人工神经网络(ANN)技术,建立了计算土体热阻系数的预测模型,并与传统经验关系模型进行对比,明确所提计算模型的可靠性与优越性.结果表明:土体传热性能受众多因素影响,其热阻系数难以准确估算,基于ANN的计算模型可以较好地解决这一问题;以含水量和干密度为输入参数的单个模型适用于特定类型土体,而4个输入参数(含水量、干密度、黏粒含量和石英含量)的广义模型不受此限制,增加相关输入参数可有效保证模型计算结果的精确度;单个模型和广义模型的计算结果与实测结果吻合良好,预测能力均显著优于传统经验关系模型;对于工程性质差异显著、沉积环境复杂的不同类型土体,建议优先选用广义模型来估算其热阻系数.     

冻结状态青藏粉质黏土的渗透系数测量研究

粉质黏土在青藏高原多年冻土地区广泛分布,为了充分认识其在冻结状态下的渗透性质,开展了一系列渗透试验测量了在-0.6℃~0.1℃条件下含水率为50%的青藏粉质黏土的渗透系数。结果显示:在高负温区间内,冻结粉质黏土的渗透系数处于8.22×10~(-11)~7.19×10~(-9) cm/s之间;另外,渗透系数与土温之间呈现出幂函数关系,土温越接近于0℃,渗透系数增大越快;冻土的渗透系数表现出随着未冻水体积含量的增加而快速增大的趋势。渗透性的存在可测意味着高温冻土在外荷载下会存在固结作用。     

初始含水率对粉质粘土压缩特性的影响研究

以粉质粘土为研究对象,以不同初始含水率为控制条件,对粉质粘土做标准固结实验,研究不同初始含水率对粉质粘土压缩特性的影响,结果表明,对于土的压缩e-p曲线,初始含水率低的e-p曲线在初始含水率高的e-p曲线上方,在100~400kPa内,通过定义孔隙指数I可以把不同初始含水率的I-lgp曲线大致归化于一条曲线上;在12.5~100kPa,初始含水率对土的压缩性能影响较大,在100~400kPa内,初始含水率对土的压缩性能影响较小;初始含水率与压缩系数大致呈线性关系,但随着压力的增大,初始含水率对土的压缩系数的影响逐渐变小。     

黄河三角洲粉质土初始干密度和黏粒含量对稳态强度的影响研究

通过固结不排水三轴试验,对黄河三角洲粉质土稳态强度进行研究:首先设计了3组干密度分别是1.55,1.65,1.75g/cm3的粉土样,分析了初始干密度对稳态线的影响,论证了稳态线的唯一性;然后又设计了5组不同黏粒含量分别是10%,14%,17%,24%,30%的粉质土,定量分析了黄河三角洲粉质土中的黏粒含量对稳态强度线的影响,得出了黏粒含量为17%的粉质土的稳态强度最大的结论,并分析了产生这种现象的原因,最终建立了稳态强度随黏粒含量变化的关系函数。     

正冻粉质粘土与介质间冰膜形成机理的试验研究

为研究冻结过程中粉质粘土与不同介质间的冰膜特性及冰膜的形成机理,本文采用单向冻结试验仪及低温试验箱,对混凝土-土、铝-土、不锈钢-土进行了室内单向冻结试验。试验进行考虑了不同冻结温度差、初始含水量、干密度、冻结时间等因素下的15组试验工作,测试了试验在封闭系统中单向冻结条件下的冰膜、温度分布及水分迁移特性。试验结果表明,不同材料与土接触处有冰膜产生,冰膜的实测厚度在0.30~3.40 mm之间,由实测冰膜质量计算得到的冰膜密度小于纯冰的密度,约为0.35~0.45 g/cm³。初始含水量、冻结温度差、冻结时间的增大均有助于冰膜厚度的增大,也可促使水分迁移量的增大。干密度对水分迁移具有一定的抑制作用。     

南京及邻近地区新近沉积土的动剪切模量和阻尼比的试验研究

通过对南京及其邻近地区河漫滩相成因的粘土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土与粉砂互层土、粉土、粉细砂等6类新近沉积土的自振柱试验，详细地探讨了围压大小、剪应变水平、土的颗粒组成和结构性对这6类新近沉积土的剪切模量G及阻尼比λ的影响。通过与Seed和Idriss建议的砂土G／Gmax-γ和λ-γ曲线变化范围的对比，结果表明，不能将粉质粘土与粉砂互层土简单地当作砂土或粉质粘土对待。通过试验和理论分析，给出了南京及其邻近地区6类新近沉积土动剪切模量和阻尼比随剪应变变化的平均曲线的拟合曲线、包络线及其参数的推荐值，对实际工程具有一定的借鉴作用。