冻结作用下非饱和黄土水分迁移试验研究

首先自制了冻结作用导致水分迁移的试验装置,采用未设置格栅试验装置得到了液态水和气态水混合迁移结果,采用设置格栅试验装置得到了阻断液态水迁移通道情况下水分迁移结果.试验结果表明,土样密度、含水量、时间对冻结作用导致的水分迁移进程均有影响.冻结过程冻结锋面的推进使冻结区域含水量明显增大,未冻结区域含水量明显减小,冻结锋面处含水量增加最大.相对于未冻结区域水分迁移进程,水分向冻结锋面的迁移是比较缓慢的.干密度较小土样冻结区域含水量增加值小于干密度较大土样,干密度大,冻结锋面处的含水量增量相对较少.初始含水量越大,冻结锋面土体含水量增加值越大,并形成冰层.随着时间增加,冻结锋面处的含水量增加,但后期含水量随时间的增加值明显小于前期,在冻结锋面冰层形成初期,未冻结区域水分向冻结锋面迁移量大,冰层形成以后水分迁移量小.当土样初始含水量比较小时,设置格栅阻断液态水通道对冻结作用导致的水分迁移进程影响不大,向冻结锋面迁移水量主要来源于气态水迁移.当土样初始含水量比较大时,和混合迁移试验结果相比较,设置格栅阻断液态水迁移通道后向冻结锋面迁移水量明显减小.     

不同人工冻结方向条件下土的冻胀试验研究

为了解决人工冻结施工中的冻胀问题,从工程实际出发,进行不同人工冻结方向以及不同冻结温度模式(恒温和正弦变温)的冻胀试验研究,并对试样的温度场、冻胀量、含水率及干密度等进行对比分析.试验结果表明:在相同试验条件下,正弦变温冻结试样的冻胀量值最小,自下而上恒温冻结试样的冻胀量最大;自上而下恒温冻结、正弦变温冻结和自下而上恒温冻结试样的含水率和干密度变化趋势相同,可知在相同试验条件下,冷端输出的冷能一定时,人工冻结试样内部水分迁移规律将相同.     

重塑粘质黄土冻胀敏感性试验分析

以沈哈高速铁路沿线具有代表性的粘质黄土为研究对象,在室内冻胀试验条件下,研究了非饱和含水量、冷端温度、冻结速率、补水条件以及冻融循环对土体冻胀特性的影响。试验表明,在封闭系统下,非饱和土体冻胀系数随含水量增大而增大,且最终趋于一个稳定数值;封闭系统下,随着冷端温度的降低,含水量较大土样的冻胀系数逐渐减小,含水量较小土样的冻胀系数逐渐增大;开放系统下,土样冻胀系数随冻结速率的减小逐渐增大,且增幅越来越大;外界补水条件下,土体冻胀量增加显著,但随含水量的增大,其影响逐渐减弱;干密度较小土样的冻胀总变形随冻融循环次数的增加呈指数递减的趋势,干密度较大土样则呈指数增加的趋势。     

不同间歇冻结模式土体冻胀控制试验研究

选取冻胀敏感性粉质粘土,进行了连续冻结、全间歇冻结、后间歇冻结模式下的冻胀试验,得出了土体冻胀量、冻结锋面、温度梯度的变化规律及冻结模式与冻胀控制之间的关系.结果表明:与连续冻结模式相比,全间歇冻结、后间歇冻结模式下的冻胀量分别减少了14.4%、43.6%.不同变温起始时间对冻土冻胀控制效果不同,后间歇冻结模式能够更加有效地控制冻胀量的发展.后间歇冻结模式下,土体内已冻区的温度梯度小,是造成后间歇冻结模式下土体冻胀量小于全间歇冻结模式下土体冻胀量的主要原因,可以考虑通过减小冻胀量快速增长阶段曲线的斜率更有效地进行冻胀控制.     

富水地层多圈水平杯型冻结温度场分布形式及变化机理研究

为了掌握富水地层多圈水平杯型冻结温度场的分布形式及发展规律,以昆明地铁城市轨道交通5号线冻结加固工程为背景,通过现场监测、数值计算、室内试验对冻结帷幕温度场变化规律及内在机理展开研究,分析冻结壁温度场在形成过程中的变化规律.试验结果表明：在外部降温计划的作用下,冻结壁温度场按照温度变化过程分为快速降温阶段、潜热释放阶段、稳定温度阶段及冻结维护阶段4个阶段.各阶段曲线变化速率与加固范围内试样未冻水含量变化具有一定的关联,未冻水往往通过影响比热容、导热系数与潜热等热参数对冻结壁温度场的变化规律从而影响到整体下的温度场分布规律.未冻水含量变化通过改变冻结冰体圆柱与土柱的几何位置关系从而影响试样冻结过程中的热传导形式,其中比热容在正温阶段时随温度降低逐渐增加.     

双向冻结单向融化土冻融循环下的融沉及压缩特性

自行设计了冻土冻融循环装置,基于此开展不同上边界冻结温度条件下粉质黏土的冻融循环试验.试验结果表明:1)随冻融次数增加,经高温冻结冻融作用和经低温冻结冻融作用当干密度ρd≤1.42g/cm3时,试样以压密变形为主,而低温冻结冻融作用后ρd1.42g/cm3的试样则以膨胀变形为主;第2次冻融作用与第1次冻融作用相比,高温冻结冻融作用后的试样融沉系数α0大幅度降低,而低温冻结冻融作用后的试样α0则表现为增加;随冻融次数增加,α0趋于稳定值α07,且α07随上边界冻结温度的增加而增加.2)当上边界冻结温度高于-2.8℃时(包含-2.8℃),不同干密度土样冻融1次后压缩系数mv均降低,当上边界冻结温度低于-2.8℃时,ρd≥1.42g/cm3的试样1次冻融后的mv增大,ρd1.42g/cm3的试样mv则减小;随冻融次数增加,mv逐渐增大并逐渐趋于稳定值mv7,且mv7随上边界冻结温度的降低而增加.     

南方短时冻土抗剪强度指标C、φ值的试验研究

以2008年南方地区发生的极端冰雪灾害使土体短时冻结并融化后造成的地质灾害为背景,通过模拟极端冰雪环境,研究在短时冻结-解冻条件下,冻融作用、温度和含水量等因素对南方地区粉质粘土的抗剪强度指标C、φ值的影响.对不扰动土及重塑土试样进行大量直接剪切试验和环境扫描电镜试验,试验发现冻融前后土的C、φ值和微观结构均有一定的变化,并分析了正冻结土与正解冻土在不同温度及含水量下C、φ值的变化规律.     

基于紧密排列土柱模型的冻土热参数计算

为评估热参数对饱和冻土瞬态温度场的影响,分析冻土温度场的影响因素,提出一种最紧密排列的土柱几何模型,土柱外部被自由水充满.假定冻结在土柱围合区域的中心产生并呈柱状发展,根据任意时刻单元体内部土、水和冰的体积构成,依据Johansen的预估土体导热系数计算方法,建立未冻水含量与导热系数之间的计算关系.依据比热加权计算的原理,结合土体的相对密度及水和冰的密度,获取了土柱模型在不同冻结时刻各相的质量比,确定了未冻水含量与比热之间的计算关系.依据不同冻结时刻土柱模型中的未冻水含量,建立潜热随冻结时刻的变化关系.根据实测粉质黏土的导热系数,结合土柱模型获取其比热、潜热随温度的变化关系.将获取的不同温度下的导热系数、比热和潜热值代入数值计算软件ABAQUS,获取了冻土温度场的计算值.将该计算值与实测值进行对比,表明基于该模型获取的计算热参数值能够较好地预测冻土温度场.     

宁明膨胀土持水性研究

采用压力板法（吸力范围０～１.５ＭＰａ）及盐溶液蒸气平衡法（吸力范围３～３６８ＭＰａ）对宁明膨胀土进行了土－水特性试验研究,获得全吸力范围内的土－水特征曲线。采用初始干密度为１.２５和１.５ｇ／ｃｍ^３的压实样,比较不同初始干密度对土体持水性的影响;用泥浆制成干密度为１.２５ｇ／ｃｍ^３的预固结试样,比较相同干密度下,不同成样方式对土体持水性的影响。结果表明：压实试样初始干密度１.５和１.２５ｇ／ｃｍ^３的进气值分别约为７０、１０ｋＰａ,预固结试样初始干密度１.２５ｇ／ｃｍ^３的进气值约为３０ｋＰａ;土体质量含水率或者饱和度随着吸力的增加而减小,当吸力大于７０ｋＰａ,压实试样两种干密度曲线重合,说明初始干密度对土－水特征曲线影响发生在０～７０ｋＰａ,相同吸力条件下,预固结试样持水性更好。     

人工冻结过程中温度场的试验研究

为了研究人工冻结过程中温度场的变化规律，利用自行研制的人工冻结冻胀融沉模型试验装置，对徐州地区常见的粘土进行了12次大规模的冻融试验，分别模拟了封闭系统和开敞系统下人工冻土中温度场的变化情况，并与现场实测数据进行了分析比较，提出了在冻土体和受冻结影响的土体中的温度与距离分别近似成线性，已冻土体中的温度梯度比未受冻结影响土体中的大等几点结论．     

Combination effect of seasonal freezing and artificial freezing on frost heave of silty clay

To investigate the frost-heave properties of silty clay under the combination action of seasonal freezing and artificial freezing, and verify the feasibility of combined freezing, eight combined freezing experiments were performed on silty clay with water content (mass fraction) of 23.5% and 28.0%, through developed frost-heave test apparatus, in closed or open system. Two sorts of freezing temperature models, namely, constant and sine models, were applied to artificial freezing. The experimental results indicate that the frost-heave degree in seasonal freezing stage accounts for over 90% of the total in open system and it is up to 95% in closed system; the change of artificial sine-freezing temperature has no influence on the frost-heave degree in closed system, however, slight influence in open system. It is found that the variation of temperature gradient of sine-freezing specimen lags behind that of sine-freezing temperature with half phase; sine-freezing temperature model can reduce frost-heave degree of soil. Brand new technology is proposed for the application of artificial ground freezing and new study field of artificial freezing is created.     

液氮快速冻结在城市地下工程中的研究

结合液氮冻结技术在城市地下工程区间隧道旁通道排水管修复工程中的应用,就液氮快速冻结技术的原理、冻结工艺过程、冻结参数设计、冻结施工和冻结环境效应控制等几个关键技术问题进行了探讨和研究.     

间歇冻结抑制人工冻土冻胀机理分析

阐述了用间歇冻结法控制人工冻土冻胀的机理,通过对冻结细粒土的数值分析,指出与连续冻结相比,间歇冻结在冻结锋面推进速度、冻结区温度、平均冷率和未冻结区的温度梯度等方面有显著不同,这些差异的存在有利于抑制冻胀的产生和发展．结果表明,在一定的冻结温度和间歇冻结方式条件下,即使在冻结敏感土（如粉土）中也可控制冻胀．     

引气混凝土在中国盐湖环境中抗冻性的研究

用快冻法研究了普通混凝土与引气混凝土在水和西藏、内蒙古、新疆和青海盐湖卤水中的抗冻性。结果表明，普通混凝土在盐湖卤水中冻融时，引起冻融破坏的主导因素是盐结晶压，混凝土的抗卤水冻蚀性主要取决于盐结晶压的损伤负效应和卤水冰点降低的损伤正效应。引气产生的气孔不仅能释放水冻胀压，而且能更加显著的缓解盐结晶压，引气能否改善抗冻性主要取决于盐湖卤水的种类和成分。     

界面渐进结冰融冰过程的试验研究

提出了一种应用热泵节能技术的高效界面渐进冷冻试验系统,并对该系统中的界面渐进结冰融冰过程进行了分析和研究,试验数据重复性良好,验证了所建试验系统的可靠性。研究结果表明,随着换热管表面结冰厚度的增加,系统性能系数和换热管结冰速率都有一个从迅速减小到缓慢减小再迅速减小的过程;增加管排密度、减小结冰厚度或采用带肋片的换热器,能够显著提高系统的性能系数;采用特殊设计的在低压比下高效运行的压缩机,能够大幅提高系统的性能系数。     

低温地表水管内层流凝固过程的冰层增长规律

为深入挖掘地表水等环境友好型可再生能源,解决常规地表水热泵在寒冷地区应用的经济与技术难点,提出采集地表水凝固热的热泵系统的构想,为此,须掌握关键设备凝固热采集装置的管内冻结变化规律.采用近似方法分析冬季低温地表水的常壁温下管内层流流动水的冻结问题,模拟不同工况下水流的冻结特性及冰层增长的规律.分析表明:在Stefan数较小的情况下,显热影响可以忽略,可采用准稳态方法对管内水的凝固作近似分析,且该问题的控制参数仅为水和冰层表面对流换热参数.结冰初期某一参变量变化对冰层厚度的增长规律影响不明显,而随时间的增长影响逐渐加大.所得近似结果对凝固热采集装置的设计有重要指导作用,进而可使该技术拓宽到城市污水源热泵污水供水量不足的情形.     

冻结土壤温度场数值模拟的改进

针对土壤冻结过程的数值分析，基于显热容法用有限差分法构造出热传导方程变空间步长的半隐格式和全隐格式．结合实例分析了FEM和FDM方法造成的‘相变遗漏’，提出一种自调节时间步长、半隐和全隐格式交替使用的方法，使模型求解迭代大为简化，有效避免了‘相变遗漏’引起的温度场分析误差，该方法能够较为精确求解冻土温度场，是对传统方法的有效改进，也为土体冻结及冻胀融沉过程的精确分析创造了条件。     

常用工程材料的冻黏特性及冻黏界面破坏形态

用自制的材料冻黏力测试仪对Q235、PTFE、铝合金、橡胶、光滑玻璃和毛玻璃6种常用工程材料进行了冻黏特性试验,根据试验定义了材料冻黏系数概念并给出了上述6种材料的冻黏系数。观察了冻黏界面破坏形态,分析了在不同冻黏强度下的界面冰层的破坏规律,建立了由黏着层与黏附冰层组成的冻黏界面模型,并提出了材料的高冻黏强度主要取决于材料表面黏附冰层自身的强度的观点。分析了材料的冻黏强度机理,为冻黏防治理论与技术研究提出了新的途径。     

混凝土冻融耐久性劣化与孔结构变化的关系

以冻融循环为试验条件，采用光学显微镜测孔法和压汞法测试混凝土的孔结构，研究不同耐久性的混凝土其抗冻性与孔结构的关系，并研究冻融过程中混凝土性能劣化与其孔结构变化的关系。结果表明，掺入优质引气剂、高效减水剂等外加剂及优质矿物掺合料，可显著改善混凝土的孔结构，从而提高混凝土的抗冻耐久性。