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。     

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。     

冻融期膜下滴灌棉田土壤水盐运移规律研究

为探究冻融期膜下滴灌棉田土壤水盐运移规律,于2016年12月～2017年4月在石河子大学节水灌溉试验站进行田间试验。结果表明:在3月4日棉田土壤最大冻深为60 cm。土壤温度受气温变化的影响随深度增加而逐渐减弱,并表现出一定的滞后性,土壤温度变化的滞后性随深度增加没有一定规律性。土壤冻结期,土壤水分由非冻结层向冻结层运移,盐分随着土壤水分自土壤深层向表层聚集;土壤消融期,在强烈地表蒸发作用下土壤表层水分下降,土壤盐分不断向地表运移,使上层土壤盐分含量升高。冻融过程使土壤各土层的水分自上而下呈现出增加-减少-增加的变化规律,形成土壤水分再分布现象。而土壤盐分呈现积盐-脱盐-返盐的规律,形成土壤盐分再分布的现象。冻融期土壤水分和土壤盐分的变异性变化趋势基本保持一致,符合盐随水走的运移规律。冻融过程中90 cm处的土壤水盐和变异系数都达到最大值。该研究结果对绿洲膜下滴灌可持续发展以及土壤次生盐碱化的防治,有着重要的意义。     

冻融条件下苏打盐渍土的水盐变化规律研究

冻融作用是导致我国北方半干旱地区土地盐渍化的主要原因之一。以吉林西部大安市为研究区域,通过野外调查和样品采集,开展了盐渍土的室内试验,研究了冻融过程中土壤水盐的运移规律。研究结果表明：该地区土壤中的水盐在冻融过程中经历了两次迁移过程,不同阶段具有各自的特点。冻结过程中,未冻层的水不断向冻层迁移并随之冻结,盐分亦随水分迁移;融化过程中,未融化的冰层阻碍水盐下渗,上层滞水向表层运移并蒸发,使表层盐分急剧增加。在水盐运移过程中,电导率与总盐的变化具有良好的相关关系。室内模拟试验为进一步阐明该区盐渍土的形成机理与影响因素提供了科学依据。     

水盐运移对硫酸盐渍土盐-冻胀规律的影响

为研究水盐运移情况下硫酸盐渍土盐-冻胀规律,采用室内土柱冻融试验,利用teros-12传感器及位移计测定冻融循环过程中土体含水率、电导率、温度和位移的变化,分析了水盐运移规律及其对土体盐-冻胀变形的影响。试验结果表明:在自上而下的冻结方式中,土体底部水分向冻结锋面移动,带动盐分向上聚积,同时土体体积含水率和电导率随温度的升降循环存在明显“滞回”现象。冻结阶段土体发生膨胀,竖向变形可分为3个阶段:①调整阶段,由生成芒硝引起;②快速变形阶段,由生成芒硝与冰晶共同作用所致;③缓慢变形阶段,由生成少量冰晶所致。融化阶段土体竖向变形以一定融陷速率发生快速融沉。含硫酸钠盐渍土冻融循环过程中,竖向变形随时间的变化关系呈现“桃尖型”趋势,且每次冻融土体竖向变形速率基本一致。随冻融次数的增加,盐-冻胀率也不断增加。土体含盐量越高对土体竖向变形的影响越显著。本研究可为揭示含硫酸盐渍土盐分和水分随温度变化的“滞回”现象以及水-盐-热-力耦合模型的建立提供数据支撑。     

寒区不同材质垂直埋管土壤冻结深度测量差异性分析

寒区土壤冻结深度的观测以往多采用丹尼林冻土器进行人工测量,由于受到天气、地形、低温和人为等因素的影响,往往难以开展。现多采用垂直埋管的方式对地温温度场进行测量,间接确定土壤冻结深度。本文以4种常用管材(铁管、PVC管、PMMA管、PPR管)为研究对象,分析了不同材质的垂直埋管对地温和冻结深度变化测量的差异性,得到如下结果:(1)冻融周期内,铁管、PVC管、PMMA管、PPR管测得的地温温度场有阶段性差异,土壤冻结前期和融化期差异较小,冻结稳定时期差异明显扩大,40~120 cm土层出现持续稳定差异,直接导致各管计算冻融深度的差异。(2)计算各管冻融深度过程中,冻结期采用线性内插冻融层面间起始冻结温度获得冻结锋面变化,融化期通过内插和线性外延土层温度场确定上下融化锋面变化,相比于传统内插温度场计算得到冻融深度变化的方法,能够更为真实地反映了土壤的冻结状况。(3)利用上述方法对4种不同材质管材的温度场测量结果进行插值分析,并将各管计算冻结融化深度与实际状况进行比较,得出保温材料插值计算冻深值偏小,冻融周期减少8~13 d,利用铁管温度场计算冻深值平均偏大约7.5 cm,但较保温材料能够更为精确反映土壤的冻结融化过程。(4)利用Stephen经验公式计算了试验场区冻融状况,绘制了计算冻融过程线,整个冻融过程结果与校正后人工观测结果基本吻合。     

多年冻土地区冻融循环下路基变形规律研究

为研究多年冻土地区路基在冻融循环下的变形规律,考虑水的相变作用,对路基非稳态温度控 制方程、应力－变形基本方程和温度－应力耦合方程进行了推导,并以祁连山中高山区山前斜坡地带某 段多年冻土路基为例,建立数值模型,进行路基多场模拟计算,结果表明:融化和冻结温度场变化是由于 外界温度变化引起的,冻结温度场呈上凸形态;路基坡脚和路肩对外界温度变化极为敏感,且阴阳坡存 在温度差异,路肩两侧产生ｘ方向的冻胀力,在坡脚因冻胀力的差异产生ｙ方向的应力,应力的差异使 得土体内部产生剪切力,导致坡脚和路肩出现纵向裂缝;受外界温度的变化、重力的作用和温度梯度力 的影响,路基含水率发生变化,融化状态、冻结状态的路肩总位移随时间缓慢增加。     

季节性冻融土壤入渗参数的多元线性预报模型

以土壤水动力学、冻土物理学、统计学等理论为基础,研究新疆典型干旱区细土平原与沙漠交错带的冻融土壤水热迁移规律,分析不同深度土层在冻结期、融化期的水热变化特征,探明研究区冻融土壤的水分入渗规律及影响因素,以期建立季节性冻融土壤入渗参数的多元线性预报模型。结果表明:土壤冻结融化过程中,深层土壤的液态含水率在冻融过程中基本不随环境温度升降发生变化,各层土壤的液态含水率、温度均与环境温度的变化趋势基本保持一致;冻结期相比融化期在初期短时间内渗入水量较大,达到稳定入渗所需要的时间较短;从冻结期到融化期,随着土壤中冻结水含量减少,未冻水含量增加,土壤的饱和导水率随之变大;土壤入渗能力主要与环境温度、土壤温度、土壤含水率等因素有关,并得出研究区冻融土壤的入渗能力预报模型。     

吉林农安县盐渍土理化特性及水盐运移规律研究

以吉林省农安地区盐渍土土样为研究对象,通过研究其基本理化性质以及土样中水分和盐分变化规律,分析了农安地区盐渍土的性质及其对水盐运移的影响。结合相关文献中研究区的气象资料及试验成果可知,该地区水盐迁移具有明显的季节性:在未冻结期,春季干旱土体以蒸发作用为主,土中水分带动盐分向地表方向迁移,地表浅层土的含水率低,但盐分聚集;夏季多雨,以淋滤作用为主,水分带动盐分向下运移;在冻结期,受温度梯度的作用,盐分随水分向冻结锋面迁移。研究成果可为农安地区盐渍土水盐运移规律研究及道路翻浆的防治提供实验依据。     

北疆膜下滴灌棉田冻融过程中土壤水盐运移研究

为研究非生育期北疆膜下滴灌棉田在冻融过程中的土壤水盐运移规律,在石河子121团试验地开展了常规水分、盐分和温度监测试验。研究结果表明:气温对土壤温度的影响很大,随着土层深度的增加,各土层温度逐渐减小,气温对各土层的影响也逐渐变小。冻结前期,各层土壤水分随深度的增加而增加,水分主要集中在40~100 cm土层,盐分主要分布在80~100 cm土层。冻结期,水分波动较盐分剧烈,盐分大部分都集中在100 cm层。融解期,由于多次的冻融循环作用,各土层的水分含量变化比较大,而盐分在10~80 cm层变化不大,80~100 cm层盐分累积比较大。经过一个冬季,盐分主要分布在80~100 cm土层。     

冻土水文地质学研究进展

冻土水文地质学主要研究冻土区水分要素的时空分布和运动规律及其与冻土间的相互作用。在微观上,冻结温度、未冻水含量以及孔隙水压力等冻土层独有的水热参数决定了冻土的结构和物理力学性质,同时影响了冻土层的冻融过程。而宏观上,冻土层的存在改变了常规的地表径流和水系模式,地下水的循环系统也由于冻土层的季节性冻融发生了根本变化,形成了冻土区独特的水文地质条件。从微观和宏观两种角度系统归纳与总结国内外冻土水文地质学研究进展,并分析包括地球物理技术、水化学、冻土水文模型在内的技术方法,同时对高寒区特有的地下水溢流冰、融雪入渗和冻土保墒现象的研究成果进行总结与分析。冻土水文的发展趋势应在积累研究数据和技术方法的基础上进一步探索产汇流过程机理,并建立更完善的冻土水文物理模型,定量分析冻土与水资源之间的相互作用。     

渠道防渗衬砌工程的冻害及防治措施简介

本文介绍了渠道衬砌工程常见的冻害现象并介绍了常规的防治措施。     

基于冻融循环试验的季节性冻土区边坡稳定性分析

内蒙古包头地区属于典型的季节性冻土区,冻胀和融沉是冻土危害产生的主要原因,也是人们面临的重大难题。通过建立非饱和粉砂土黏聚力、内摩擦角与冻融循环参数之间的定量关系,探索冻融循环对粉砂土抗剪强度的影响规律。通过对不同含水率、不同干密度的土样进行不同次数的冻融循环分析并总结其变化规律,研究发现:不同干密度、不同含水率的土样,黏聚力都会随着冻融次数的增加不断减小;内摩擦角会随着冻融次数的增加逐渐趋于稳定,波动的幅度在5°之内;抗剪强度的变化趋势受黏聚力的影响较大。最后,用岩土工程软件进行有限元分析,利用折减系数法计算边坡的安全系数,以此为包头地区季节性冻土的研究提供更好的理论基础。     

季节冻结深度自动监测技术试验

通过测试土样初始冻结温度,建立野外现场温度自动化远程实时监测系统,利用初始冻结温度等温线深度代替冻结锋面,计算季节冻土层厚度,为冻土学冻结深度观测自动化提供依据。试验结果表明:冻结过程相关系数为0.97,融化过程相关系数为0.98,整个冻融过程相关系数为0.98;用温度场冻结点等温线观测冻深的方案是可行的,可以实现冻融过程自动化实时监测,且观测精度较高。     

盐环定扬水干渠冻胀原型试验观测与防治措施

针对陕甘宁盐环定扬黄工程三道井干渠破坏严重问题,布设6个冻胀观测断面,通过气温、地温、冻深、冻胀量、基土含水率等主要指标观测,分析了各影响因素的变化过程和变化规律,提出渠道坡脚和渠底是冻胀变形最为严重的部位,应重点进行防护;基土含水率是冻胀破坏的决定性因素,减轻渠道冻害关键在于降低基土含水率。根据试验结果,提出三道井干渠在更新改造时采用聚苯乙烯板的保温防冻胀措施,在冻胀破坏最为严重的坡脚部位采用20 cm厚现浇混凝土弧形坡脚+5 cm厚聚苯乙烯板,全断面采用0.3 mm厚复合土工膜防渗以减少渗漏引起的基土含水率升高等措施,并付诸实施,效果显著。     

基于BP神经网络的重塑黄土冻融过程抗剪强度劣化特性研究

冻融循环导致黄土强度的损伤规律十分复杂,传统单一因素评价方法难以确定冻融过程黄土抗剪强度指标损伤规律与多因素之间的量化统计关系。基于此,首先针对西安Q3重塑黄土进行室内冻融试验,得到不同干密度、含水率及冻融次数下的抗剪强度指标数据;然后采用BP神经网络算法对试验数据进行学习训练,得到各因素与抗剪强度指标间的预测模型。研究发现:黄土试样黏聚力随冻融次数增加呈指数衰减趋势;黏聚力随含水率和干密度增加分别表现出线性衰减和增加特征且冻融后黏聚力与含水率和干密度的变化曲线近似重合;内摩擦角呈波浪形变化趋势且波动范围较小,无明显变化。冻融过程黄土黏聚力神经网络模型的预测值和试验值之间相对误差较小,表明该方法具有较好的预测精度,能够综合描述诸因素与黏聚力的量化关系。     

冻融循环对软土力学性质的影响分析

为探究冻融循环过程中软土的冻胀融沉规律、力学性质及力学参数特性等,对松花江避暑城战备路工程软土试样进行室内冻融循环试验。通过改变冻融循环次数测定试件体积膨胀与收缩率,并通过室内三轴试验,测得不同冻融循环次数及不同围压条件下的软土抗剪强度。宏观试验数据及微观分析结果表明:软土在冻胀融沉过程中体积变化率随冻融循环次数的增加逐渐增大,6次冻融循环后,土体冻胀率、收缩率基本保持不变,冻胀融沉现象趋于稳定;随着冻融循环次数的增加,软土抗剪强度先增大后减小,且在第6次冻融循环作用下达到最小值,在后续6~15次冻融循环过程中,抗剪强度逐渐增大,且接近冻融循环作用之前的抗剪强度值;冻融循环作用对软土黏聚力c有显著影响,而与内摩擦角φ无相关性。     

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。