河套灌区季节冻土水分迁移规律

土冻结过程中的水分迁移是一个极其复杂的自然现象.薄膜水迁移理论认为,土体冻结过程中,温度场、水分场的耦合作用,导致水分迁移和水分重分布.由此改变冻土结构及其物理力学性质.水分迁移的作用在于它是形成冰分凝和冻胀的根源.其量取决于外在条件和内在动力.河套灌区季节冻土冻胀规律研究成果(1987～1990、1990～1993),已揭示了季节冻土水分迁移发生和发展过程特征及其规律.灌区的自然条件,地质地理环境,以及人为活动影响和制约水分迁移,形成本区季节冻土水分迁移的特征及其规律.     

季节冻土区梯形混凝土衬砌渠道冻胀预测研究

依据热传导和质量迁移理论,建立渠基冻土温度场、水分场和应力场耦合数学模型,分析了影响季节冻土区渠基土体冻结的核心因素温度和水分运移量,提出以冻结期渠基土体温度和水分迁移量为变量,建立渠基土体冻深和冻胀量预测模型。借助于季节性冻融条件下梯形混凝土衬砌渠道原型观测成果,观测了冻结期渠基以下5 cm处土体温度以及水分迁移量,研究了季节冻融渠基温度和水分运移及其诱发的冻深发展和冻胀变形的变化。经检验,预测曲线与实测曲线基本一致,且满足误差要求,用冻结期土体温度和水分迁移量来预测冻深、冻胀的方法准确可行。     

双梯度驱动的非饱和冻土水热耦合模型

青藏高原冻土地区的地质灾害与冻土因冻融作用引起的水分重分布密切相关,其实质是复杂水热耦合作用的结果。已有的冻土水热耦合模型较多关注未冻水含量梯度驱动引起的水分迁移过程,而缺乏对温度梯度驱动效应的探讨。基于经典热传导方程和非饱和土体渗流理论,考虑未冻水含量梯度和温度梯度的共同作用,建立了双梯度联合驱动作用下的非饱和冻土水热耦合模型。在采用已有试验数据对模型有效性进行验证的基础上,分别对-5、-10和-15℃3种环境气温条件下土体的水热响应开展了数值模拟。结果表明：温度梯度在冻结过程中对于水分迁移的驱动作用不可忽略;冻结过程中由于冰水相变释放潜热造成冻结速率逐渐减慢;土中水分聚集的位置处于冻结初期形成的冻结锋面处,且外界气温越低,内外温差越大,则土体水分发生聚集的位置越深,水分迁移量相对也越大,冻结过程中土体水分随深度呈S型分布;-5、-10和-15℃环境温度下含水率极值分别位于0.30、0.55和0.70 m深度处,含水率增量分别为3.5%、4.6%和5.5%。     

季节冻土区渠道水分迁移规律及冻胀特性试验研究

为了量化渠基土体中的水分在冻融过程中的迁移及其分布规律,揭示渠基土体的微观冻胀特性,选取渠基土体不同部位的原状土样,进行冻融试验,采用CT扫描技术,监测研究渠基土样冻融过程中的水分迁移及其孔隙水分布规律,进一步探究渠基土体的微观冻胀特性。结果表明:冻融过程中土样深度16～18 cm处的含水率较高,产生了水分积聚。冻结过程中,土体的微观孔隙结构发生了明显变化,同时发生了裂缝的张开和闭合。在融化阶段,由于冻结水快速融化,土体发生融沉,最大融沉量为6.78 mm。研究成果揭示了渠基土体单向冻融过程中的水分迁移规律、孔隙水的分布状态及其冻胀微观特性,为季节冻土区输水渠道的抗冻胀设计提供了理论基础。     

季节冻土区含砂低液限黏土冻融过程试验研究

为研究季节冻土区含砂低液限黏土在不同埋深地下水补给时的单向冻融过程,采用由箱体、制冷/热系统和地下水补给系统等构成的冻融系统装置,对大尺寸土体模型进行单向冻融试验。试验结果表明:在冻融过程中,各土层平面的温度、含水率与冻融量均分布不均匀,且三者之间相互影响;在地下水补给下,土体的冻胀量大于融沉量,且融沉时长小于冻胀时长;不同埋深地下水对冻融的影响主要表现在对土体冻前初始含水率的影响,进而影响温度梯度和冻结锋面的变化,进一步影响未冻水的迁移、冻胀量和融沉量等发展,因此,冻融作用为温度场、水分场和位移场等复杂的多场耦合作用的结果。     

季节冻土区与多年冻土区的冻胀浅析

我国的冻土分布比较广,冻土区包括多年冻土区和季节冻土区。凡温度为负温或零温,并含有冰的各种土均称为冻土。冬季冻结、夏季全部融化的土层称为季节冻土,也称季节冻结层又称为季节作用层、活动层,其下部则为常年处于正温状态的暖土层,这种地区叫做季节冻土区。冻结状态持续2年以上的土层称为多年冻土,这样的地区称为多年冻土区。1冻土层内水分变化在多年冻土区,季节冻土层在冻结过程中,其地下水(多年冻土层上水)往往形成封闭系统,即没有外部补给水源,其水分转移是不充分的。冻结时,水分有向冻结面迁移的规律,所以其季节冻土层受双向影响,…     

基坑越冬水热耦合及防护技术机理研究

基坑工程的冻害问题是一个复杂的过程,主要原因在于在冻融过程中,岩土中的热量传输,水分迁移与水冰相变,互相影响和互相作用,基坑的温度场、水分场是动态变化的,两者之间的耦合作用是导致工程问题的直接原因。在原有热平衡原理的Ｈａｒｌａｒ模型基础上,考虑水冰相变和水分迁移的影响,建立了更符合实际更全面的寒区水热耦合模型,对基坑温度场和水分场的变化趋势做出了分析,分析表明在冻结期内,随着冻结时间的不断增大,土体内温度变化范围增大,并且随着冻结时长的增加,土体的冻结深度增加,土体内温度低区域含水率降低,含冰量增加。针对基坑越冬防护的关键问题,分析了两种不同的保温措施,分别为在基坑表面敷设保温隔热层及增设止水帷幕,通过水热耦合结果分析表明,两种措施均可以较好减轻基坑越冬时期发生的冻胀。     

人工冻结砂土热力耦合模型分析

针对饱和砂土在单向冻结过程中的温度及其冻胀发展问题,基于多孔介质传热与固体力学理论,利用有限元数值计算软件Comsol Multiphysics,建立多物理场耦合下的热力耦合模型。在考虑单向冻结过程中热传导和对流传热的基础上,建立热力耦合方程,基于试验不补水的条件下,考察不同冷端温度下冻结砂土温度场和冻胀量的发展趋势。榆林某路基砂土热力耦合模型模拟结果和试验实测结果对比表明,所建立的热力耦合模型能很好地反映砂土单向冻结过程中热量的交换形式和土体随温度的冻胀情况。     

冻结管引起的周围土体温度场演变规律及参数化分析

针对稳定线性冷源热传导问题,为研究人工冻结法冻结管周围土体温度场的瞬态变化,基于冻结锋面将土体分为冻结区及降温区,构建相应人工冻结相变温度场模型,并采用变量替换法得到冻结温度场解析解,利用指数积分函数解析式表达了冻结区和未冻结区的温度场分布。将理论解析计算结果与冻结槽试验结果进行比对,验证了理论封闭解的有效可靠性,并进一步通过参数化分析了与土体传热介质冻结温度场演变规律有关的初始温度、冻结温度、冻结温差、结冰潜热、盐水温度和冻结管吸热系数等影响因素的敏感性。结果表明:冻结锋面半径与冻结时间存在着平方根关系,冻结温度场呈对数型函数分布,且曲线曲率随冻结时间的增加而逐渐减小;土体初始温度、冻结温度、结冰潜能和盐水温度与冻结锋面半径均呈负相关,冻结管吸热系数与冻结锋面半径呈正相关;土体冻结温差、土体结冰潜能和冻结管吸热系数与土体冻结锋面半径的发展均呈现近似线性关系,传热介质初始温度和盐水温度对冻结锋面半径随冻结时间变化的对数型曲线曲率影响最大,结冰潜热和冻结管吸热系数次之,冻结温度最小。研究成果对认识稳定线性冷源作用下冻结管周围不良地基土温度场演变规律和进一步形成规范及指导冻结法施工技术具有重要意义。     

土工织物加筋挡墙抗冻适应性研究

地基土冻结、冻胀及融沉将直接影响到建筑物的安全.加筋土结构是耐压的土与耐拉的土工合成材料两者用一定方式组合形成的高强度复合体.在季节冻土地区用作挡墙,使结构抗冻适应性增强.“河套灌区水工建筑物冻胀防治措施研究”课题就土工织物加筋挡墙抗冻胀机理和加筋挡墙结构型进行了系统深入的研究.1 土工加筋结构抗冻胀机理1.1 土体约束压力作用下冻胀量计算土体的冻胀包括冻层内土体孔隙中水分冻胀和迁移水形成冰镜引起体积增量两部分.试验研究表明,水分向冻结前缘带迁移,除与土质、温度、水分等因素有关外,还与土体所受的有效约束压力有明显关系.有效约束压力越大,冻胀量越小.当有效约束压力超过“中断压力”时,冻结锋面不是吸水,而是转向排水.