冻土毛细–薄膜水分迁移机制及其试验验证

λ鉴于毛细理论和薄膜水理论只考虑一种水分迁移机制,难以全面合理揭示土体冻胀机理。根据毛细水和薄膜水在孔隙中的赋存特征,提出以孔径D=0.1μm或横向弛豫时间T2=2.5 ms作为毛细水和薄膜水的判别条件。基于流体动力学和热力学基本原理,分别建立了薄膜水迁移驱动力、广义Clapeyron方程力学和毛细–薄膜水迁移驱动力模型,给出了压力变量和吸力变量之间的换算系数λ;模型分析表明,冻结大孔在弯曲冰–水界面处产生一集中吸力,驱使未冻孔隙中的毛细水和薄膜水向冻结大孔内部迁移;其迁移路径为:未冻孔隙中的毛细水和颗粒表面薄膜水→弯曲冰–水界面→冻结大孔内壁薄膜水。最后,根据粉土在冻结过程中的低场–核磁共振试验,证明了毛细水和薄膜水的分界线,并验证了毛细–薄膜水分迁移模型及迁移路径的正确性。     

土/岩体的冻融回滞及水分迁移综合机制研究EI北大核心CSCD

为阐明土/岩体在冻融过程中产生的冻融回滞与不均匀冻胀现象,对冻融回滞与冻融水分迁移机制开展研究。首先,根据广义Clapeyron方程和Gibbs-Thomson方程,给出任意弯曲界面液相水的冻结温度方程,构建毛细管的冻结与融化模型;据此,引入抗冻性较差的“主干–旁枝型”孔隙结构,构建毛细–薄膜水的冻融回滞三角形模型;最后,通过低场核磁共振试验,验证该模型的正确性。研究表明:(1)由于冻融边界曲率差异,致使毛细压力为界面压力2倍,造成融化温度仅为冻结温度的1/2;(2)界面压力仅与边界条件有关,与冻融过程无关;(3)界面压力与理论冰压、理论吸力、迁移驱动力和表面吸附力无关,但与理论液压与净吸力成反比;(4)在界面压力作用下,净吸力在冻融过程中始终保持:P_(Suhi,1)相似文献   

单向冻结时开放条件下饱和砂岩冻胀试验及THM耦合冻胀模型

为研究寒区岩石在梯度温度场中补水条件下的冻胀变形规律,进行了单向冻结时开放条件下饱和砂岩冻胀试验。试验结果表明,单向冻结时开放条件下饱和岩石冻胀过程中,沿冻结方向的冻胀位移变化过程可分为冷缩阶段、原位冻胀阶段、分凝冻胀阶段3个阶段。分凝冻胀阶段冻结锋面趋于稳定,冻胀变形持续增长,与时间基本呈线性关系。此外,分凝冻胀阶段补水量换算的迁移水分凝冻胀位移与冻结方向冻胀位移比较接近。随着平均温度梯度增大,分凝冻胀变形速率增大,且分凝冰位置与平均温度梯度线性相关。然后,建立了考虑孔隙水原位冻胀与迁移水分凝冻胀的THM耦合冻胀模型。模型中,孔隙水原位冻胀计算基于未冻水含量,并引入约束系数表征岩石骨架对孔隙水冻胀约束程度;迁移水分凝冻胀计算基于分凝势理论,水分迁移速率与冻结缘处的温度梯度成正比。模型计算结果与试验结果对比表明,建立的THM耦合冻胀模型能够比较准确地计算单向冻结时开放条件下饱和岩石冻胀位移,并能够模拟出分凝冻胀时分凝冰层引起的位移突变及分凝冰位置,可用于寒区冻胀敏感性岩石开放条件下冻胀变形计算。     

多孔岩石冻融水分迁移损伤机制及试验验证

为研究多孔岩石在冻融过程中孔(裂)隙内部水分迁移导致的冻融损伤问题,对薄膜水压–吸平衡状态展开分析,发现液压的主要作用是抵消和平衡净吸力,给出压力变量和吸力变量之间的转换系数λ,认为表面吸附力来自于净吸力和抵消因子λPLy之差。基于毛细理论,推导出孔隙水冻结温度方程,给出冻结大孔薄膜水的受力状态。并针对抗冻性较差的"主干–旁枝型"孔隙结构,建立毛细–薄膜水分迁移单元模型,给出特征孔隙的应力分布、迁移方向和迁移路径。研究结果表明,冻结主干孔内部薄膜水受到的净吸力和液压均最大,净吸力驱使次级孔和微孔中的毛细水和薄膜水向主干孔迁移,而液压的增大导致主干孔启裂扩展以及结构破坏。最后,选取侏罗–白垩系粉砂质软岩为试验对象,开展颗粒分析、扫描电镜和低场核磁共振试验,分析粉砂岩的矿物成分、孔隙结构、以及孔隙分布,并根据冻融过程中T_2谱的变化特征验证了毛细–薄膜水分迁移单元模型的正确性。     

单向冻结过程中NaCl盐渍土水盐运移及变形机理研究

冻结过程中的水盐迁移机理一直是冻土学研究的热点。通过单向冻结试验,研究了冻结过程中的水盐运移过程及土体变形。研究表明,在土体初始含盐量为0.8%的条件下,土体的冻胀变形显著减小,盐分的存在强烈影响着冻结缘处水分的集聚,盐对土体的冻胀具有抑制作用。在补给不同浓度NaCl溶液的条件下,土体初期的冻胀变形规律一致,随着盐分在冻结锋面处的累积,土体在后续冻结过程中水分迁移动力不足,从而使得土体冻胀过程中冻胀明显减小。基于溶液的性质并考虑盐分对土体冻结温度和未冻水含量的影响,建立了冻结过程中NaCl盐渍土水盐迁移规律及变形的计算模型,计算结果显示,计算模型能够很好地反映含盐土体在冻结过程中的温度、水分、盐分及变形的规律,从而为深入了解盐渍土在冻结过程中的变形机理提供理论参考。     

裂隙岩体冻融损伤研究进展与思考

 裂隙岩体具有不同于土体的结构和强度特征,现有冻土理论不能解决低温岩体裂隙冻胀开裂、扩展演化问题,冻融过程中水分迁移机制、冻胀力的量值与萌生消散机制以及裂隙冻融扩展演化机制等是研究裂隙岩体冻融损伤的关键问题。对裂隙岩体中的水分迁移机制研究应立足于微观尺度,从分凝冰理论入手,关注于未冻水膜的迁移机制。低温裂隙岩体冻融损伤程度受到裂隙中冻胀力大小控制,而冻胀力大小和裂隙冻融扩展机制与裂隙的空间位置形态、未冻水含量、冻结温度以及岩石的物理力学性质等因素有关。几十年来,对岩体冻融裂隙扩展的研究主要集中在理论模型探究、室内裂隙岩体冻融试验和现场监测分析3个方面,取得了丰硕的成果,但目前关于冻岩的研究还远未成熟,要深入揭示裂隙岩体冻融损伤演化机制,还应借助于室内试验从裂隙岩体冻融水分迁移机制入手,以探究冻胀力量值的求解方法为初步目标,进而结合岩体裂隙扩展准则研究冻胀力对岩体裂隙网络发展的影响。     

基于未冻水膜压力判据的冻土水热力耦合冻胀模型研究

冻胀融沉是多年冻土区的主要病害,其受水分场、温度场、应力场的复杂耦合作用影响。基于水膜理论提出了冻土未冻水膜压力作为冰透镜体生成的判据,并重新对水分迁移驱动作用进行描述,建立了以温度、土体孔隙比为变量的全耦合模型。通过考虑已冻区冰基质的影响,推导了涵盖原位冻胀与冰分凝两部分的冻胀量计算公式。基于Matlab和COMSOL Multiphysics的联立平台,提出了模型冰透镜体实时分布的数值求解方法,实现了冻土温度、水分、应力、冰透镜体分布的全耦合数值求解。通过与室内土柱冻结试验及现有水热力模型（Thermal-Hydraulic-Mechanical,又称THM模型）冻胀量结果进行对比分析,证明了温度、含水率与冻胀计算上的可靠稳定。最后通过探讨温度梯度、上覆压力、渗透系数与压缩模量对土柱冻结的影响发现,温度梯度能显著增加土体冻胀量,上覆压力会导致更多水分向冻结锋面迁移,但对冻胀量起着抑制作用,渗透系数与压缩模量均对冻胀量产生正影响。为冻胀理论研究与数值实现提供了新思路。     

冻结作用下复合填料水分迁移与冻胀特性研究

在补水条件下,对4种聚苯乙烯(EPS)颗粒掺量的复合填料试样施加3种冷端温度(-5,-10,-15℃)冻结,开展水分迁移及冻胀特性测试与分析.研究了冻结作用下复合填料温度分布特征、水分迁移规律和冻胀变形特性,基于温度场和水分场的相关性分析了复合填料抗冻胀破坏机理.结果表明,一定程度地增加EPS颗粒含量,会使复合填料冻结温度与热阻提高,温度传导、冻结锋面移动速率以及冻结深度递减,已冻区含水率增量变小,冻结锋面和未冻区含水率增量变大,冻胀量减少,有助于缓解冻胀破坏.TIF颗粒掺量为0.5%～1.0%(质量分数)时,复合填料抗冻胀性能较好.抗冻胀机制与EPS颗粒的隔热、阻水和吸纳作用有关.     

土体冻胀敏感性评价

假定冻胀是由冻土内冰透镜体的生长引起的;冰透镜体的生长由热力学Clapeyron方程控制,并且依赖于已冻结区与未冻结区之间冻结缘是否存在。未冻水和冰共存于冻结缘的孔隙中;冰水交界面处的吸力使水产生流动,并为冰透镜体的生长补给水分。同时,通过定义1个新的简单的"有效应力"的概念,来判断是否会萌生新的冰透镜体,并提出1个简单的冻胀模型。该模型仅通过几个简单的土的参数,就可以计算土体冻胀量及冻结深度。在此基础上,利用所建立的模型对不同土的冻胀敏感性进行分析。土的冻胀敏感性必须结合环境条件来评估,如上覆压力、温度梯度、降温速率及地下水位埋深等;而某些土在传统的分类中属于弱冻胀土,但在一定环境条件下,仍会产生显著的冻胀量或冻胀压力。     

土体冻胀敏感性评价

 假定冻胀是由冻土内冰透镜体的生长引起的;冰透镜体的生长由热力学Clapeyron方程控制,并且依赖于已冻结区与未冻结区之间冻结缘是否存在。未冻水和冰共存于冻结缘的孔隙中;冰水交界面处的吸力使水产生流动,并为冰透镜体的生长补给水分。同时,通过定义1个新的简单的“有效应力”的概念,来判断是否会萌生新的冰透镜体,并提出1个简单的冻胀模型。该模型仅通过几个简单的土的参数,就可以计算土体冻胀量及冻结深度。在此基础上,利用所建立的模型对不同土的冻胀敏感性进行分析。土的冻胀敏感性必须结合环境条件来评估,如上覆压力、温度梯度、降温速率及地下水位埋深等;而某些土在传统的分类中属于弱冻胀土,但在一定环境条件下,仍会产生显著的冻胀量或冻胀压力。     

低温饱和岩石未冻水含量与冻胀变形模型研究

 寒区岩石在季节性温度变化下会经历冻胀融缩过程,研究低温岩石中未冻水含量以及冻胀变形规律是进行寒区工程数值仿真和稳定性分析的关键问题。岩石是不同于土体的脆性多孔介质材料,孔隙中的未冻水含量还无法通过实验直接测量;基于累计孔隙体积分布规律,考虑孔隙水的冻结点变化和未冻水膜的影响建立低温岩石未冻水含量理论表达式,实例证明该计算式具有较高的可靠度。假定岩石为弹性孔隙介质,基于孔隙冰与岩石孔隙间的膨胀耦合关系可计算冰压力;利用应变等价原理将孔隙中的冰压力等效为岩石表面的三向拉应力,从而根据弹性理论建立了有效冻胀力下低温饱和岩石冻胀变形模型。结果表明饱和岩石低温冻胀变形与岩石基质的力学参数、岩石孔隙率以及未冻水含量等因素有关。最后通过与2个已有的室内冻胀变形实验对比,说明本文冻胀变形模型的正确性以及实用性。     

Frost heave and freezing processes of saturated rock with an open crack under different freezing conditions

Frost heave experiments on saturated sandstone and tuff with an open crack are conducted under uniform and unidirectional freezing conditions. Frost heave of crack in sandstone with high permeability is more significant under uniform freezing condition than that under unidirectional freezing condition. However, frost heave of crack in tuff with low permeability is more significant under unidirectional freezing condition. To illustrate the reasons for this phenomenon, a numerical model on the freezing processes of saturated rock with an open crack considering the latent heat of pore water and water in crack is proposed and confirmed to be reliable. Numerical results show that a frozen shell that blocks the migration of water in crack to rock develops first in the outer part of the rock before the freezing of water in crack under uniform freezing condition. However, the migration path of water in crack to the unfrozen rock under freezing front exists under unidirectional freezing condition. The freezing process and permeability of rock together determine the migration of water in crack and lead to the different frost heave modes of crack for various permeable rocks under different freezing conditions. The frost heave modes of crack in rock with low or high permeability are similar under uniform freezing condition because water migration is blocked by a frozen shell and is irrelevant to rock permeability. For high permeability rock, the frost heave of crack will be weakened due to water migration under unidirectional freezing condition; however, the frost heave of crack would be more significant for low permeability rock because water migration is blocked under unidirectional freezing condition. Therefore, the freezing condition and rock permeability determine the frost heave of rock with crack together, and this should be concerned in cold regions engineering applications.     

饱和土水热耦合分离冰冻胀模型研究

针对饱和土一维冻结过程中的冻胀发展过程,在已有的描述透镜体生长过程的水热耦合模型的基础上,建立了水热耦合分离冰冻胀模型。利用固体表面水膜的热力学理论分析了冻土中未冻水膜在相界面上的平均分离压力,指出当该压力大于土层破坏的临界压力时,冰透镜体产生;以活动透镜体底端将土柱划分为主动区与被动区,主动区过程采用透镜体生长的水热耦合模型描述,而被动区为近似导热过程,由此建立了完整冻胀模型;提出了透镜体的分离冰生长方式,并与刚性冰生长方式进行了对比,阐述了本文模型与已有的各类模型之间的联系。采用有限容积法对模型进行了数值计算,与Konrad的3组试验进行了对比,结果表明模型很好地反应了土体冻结过程中温度场及冻胀的发展过程。     

冻土中气态水迁移及其对土体含水率的影响分析

现有文献几乎尚未系统分析冻结条件下气态水对不同土性含水率的影响。基于热力学平衡理论及水热耦合理论,提出了未冻水含量和冰体积分数的计算方法,建立起新的耦合模型。该模型中最大未冻水含量和冰体积分数仅与水力参数和温度有关,具有明确的物理意义,与砂壤土的冻结试验结果对比也验证了新模型。模型分析结果表明:冻结条件下的气态水迁移主要受温度势而非基质势的作用,粉土和砂土中的气态水迁移是不能忽略的,而黏土中几乎没有气态水迁移;初始体积含水率、冻结温度、冻结时间及地下水位高度等都会对气态水的迁移有影响。总的来说,气态水对于粉土等冻胀敏感性土,即使较小的水分增加仍然能够产生显著冻胀,因此实际工程必须重视气态水的作用。本文分析加深了对"锅盖效应"的理解,也验证了"锅盖效应"通常发生在覆盖层下的粉土区域,而非砂土或黏土。     

土工袋防渠道冻胀模型试验研究

为研究土工袋在寒冷地区的防渠道冻胀效果,开展了冻融循环作用下土工袋处理渠道和常规渠道模型试验,研究了土工袋处理渠道和常规渠道的冻胀量、融沉量、含水率和温度随时间的变化规律。试验结果表明：冻融循环作用下土工袋处理渠道防冻胀效果显著,同时揭示了土工袋防渠道冻胀机理,即土工袋通过抑制毛细水、薄膜水上升、加筋作用达到防冻胀效果,为寒区渠道防冻胀提供理论依据。     

土的冻胀机理研究

一个多世纪以来人们对有关土的冻胀机理问题进行了大量的实验和研究,提出了很多假设,取得了很大的成果。文中从土的冻胀特性入手提出了"起始冻胀力"、"冻胀-抽吸力"等新概念,并提出了冻胀力才是冻结过程中水分迁移的驱动力的新概念。