一种新型冻土可视化试验系统及其在冻融试验中的应用EI北大核心CSCD

为了提高冻土试验系统的控温精度、实现分凝冰发育过程的实时监测,基于固态制冷技术和线阵CCD(Charge Coupled Device)扫描成像技术,研发一种新型冻土可视化试验系统。该系统的核心部件包括固态控温模块和CCD可视化模块。在固态控温模块中,引入人工神经网络对控温算法的控制参数进行优化选取,使得试验系统对控温对象的温度状态具备自适应调节能力。而在CCD可视化模块中,使用CCD感光元件构建了操作简便、成像精度高的线阵扫描结构,其最高分辨率可达4 800 dpi×4 800 dpi。性能测试结果显示系统的恒温控制精度为±0.002℃。在变温幅度为0.05℃的控温过程中,其温度过冲只有0.009℃;当变温幅度增加至0.5℃时,其温度过冲仅为0.089℃。而在线性降温过程中(降温速率-1.2℃/h),其控温误差未超过±0.01℃。在此基础上,开展正弦温度波动下的应用试验。从试验结果上看,该系统运行稳定、控温精度高,可视化模块可观测到0.5mm宽度的分凝冰发育过程。并且所得数据表明土体过冷过程和冻融历史对温度场、分凝冰发育状态存在显著影响。因此,当前冻胀试验中为了消除过冷影响而采取的预冻结处理方式会改变土样的初始状态,从而影响土体冻胀特性的评估结果;而且所采取的单次冻结的试验方式无法反应冻融历史对冻胀特性的影响,尤其是对于室内重塑土样。相关研究有待深入,而该试验系统为开展此类研究提供了条件。     

土体冻融特性试验研究现状与思考

冻融试验是获取冻土物理力学参数、评估冻土工程特性的重要手段。从冻土水热参数、力学参数、冻胀机制和融沉机制4个方面对土体冻融特性试验研究进行综述,对主要水热力参数的试验方法和试验设备进行汇总说明,对理论模型的发展过程及试验验证进行归纳整理。试验装置的变温控制性能是影响冻土试验数据质量的重要因素,但当前高精度冷却液循环控温设备的国产化程度较低,高性能冻融试验系统仍主要依赖进口。因此在开展冻土试验和理论研究的同时,对于试验设备的研发工作同样需引起重视。由神经网络–PID算法和热电制冷模块组成的固态控温系统可以解决试验装置的变温控制问题。固态控温系统的高变温控制性能具备模拟复杂冻结过程的能力。将其与新型传感技术结合,如光纤压力传感技术、线阵CCD扫描成像技术,可以为冻土研究提供新的试验方案,以此促进土体冻融机制研究,为我国寒区工程建设提供参考。     

线性降温对土中分凝冰形成影响的试验研究

对分凝冰现象的研究是理解冻土中各类复杂现象的关键。为研究上覆荷载作用下,线性降温模式的分凝冰形成规律,利用高低温交变箱,进行开放系统下土体的一维连续冻结试验。选取3个冷端初始温度,3个上覆荷载进行正交试验,比较分析每个试验条件下试样内部温度场的变化规律、冻结锋面随时间的推进规律、冻胀量变化规律以及水分的迁移情况。试验结果表明:上覆荷载越小,冷端初始温度越低,土样内部温度越低,含水率越高,冻胀量越大。     

高温冻土抗拉强度试验研究

高温冻土抗拉强度是分凝冰形成准则中的重要参数,对于土体冻胀过程中的分凝冰形成判定具有重要意义。为研究高温冻土抗拉强度,采用径向压裂法对青藏高原高温冻土进行巴西劈裂试验,获得高温冻土抗拉强度随温度变化规律:0℃~-0.4℃,高温冻土抗拉强度随温度降低而增大,且增大幅度随温度降低而减小;-0.4℃~-2.0℃,抗拉强度随温度降低线性增大。将试验获取的高温冻土抗拉强度拟合函数代入分凝冰形成准则,利用冻胀模型进行冻胀量的计算,与同条件下的试验结果进行对比,验证了高温冻土抗拉强度试验方法和结果的可靠性,为土体冻胀模型的应用提供了重要参数。     

变温幅度和间歇时间对土体冻胀影响的试验研究

选取冻胀敏感性粉质黏土,利用人工冻土一维冻胀试验系统进行不同变温幅度和间歇时间作用下的后间歇冻结试验,以试样冻深达到稳定阶段为初始时刻分析冻结锋面、冻胀量及温度梯度变化曲线,得到冷端变温幅度和间歇时间对土体冻胀的影响规律.结果表明:不同变温幅度作用下的冻结锋面、冻胀量曲线呈周期性变化,变化周期为240 min,与间歇时...     

软弱地层联络通道冻结法施工温度及位移场全程实测研究

研究软弱地层联络通道冻结法施工的冻结温度场、解冻温度场、冻胀融沉发展规律,是解决其冻胀及工后融沉预测与控制的前提。以软土隧道联络通道冻结法工程为背景,对冻结温度场、解冻温度场、地表变形、深层土体冻胀融沉及温度变化规律等进行了全程实测,对冻结壁的形成及解冻全过程进行了分析。结果表明:冻结过程温度变化规律可分为温度快速下降、降温减慢、降温速度加快、土体温度稳定、维护冻结等5个阶段。解冻期间,土体温度经历快速回升、0℃附近稳定、温度持续回升3个阶段。冻结圆柱交圈是产生迅速冻胀的临界时间点,冻胀主要发生在冻结18~45 d;联络通道解冻15 d,部分土体温度达到0℃附近,冻土进入相变阶段,因此应在15 d后开始融沉跟踪注浆;入土深度越大土体相变阶段持续时间越长,粉土融沉主要发生在解冻前2个月,其完全解冻需要100 d左右,此为跟踪注浆至少应持续时间。深部土体温度、冻胀融沉位移均随深度增大呈线性递增。实测拱顶冻结壁处最大冻胀及融沉位移分别是对应地表冻胀、融沉量的3.6倍、4.9倍。地表冻胀融沉槽为联络通道中线两侧符合拟正态分布规律,其影响范围约为隧道底部埋深的1.2倍。     

冻融和干湿循环下盐渍土水盐迁移规律研究

通过单向冻结试验研究盐分在土体冻结过程中对水分重分布与变形的影响,并结合模型试验分析冻融、蒸发、辐射和降水过程中的水盐迁移规律。研究表明:盐分的存在会减弱土体在冻结过程中的水分迁移,进而抑制土体的冻胀变形。Na Cl盐渍土在冻结过程中只有冰晶产生,土体只发生冻胀变形。而2 4Na SO对温度极其敏感,降温过程中会产生冰晶体和盐晶体,土体发生冻胀和盐胀两种变形。硫酸钠的结晶还会降低土体导水系数,进而减弱土体的水分迁移。在高含盐量的2 4Na SO盐渍土(3.6%)冻结过程中,土体的分凝冻胀现象消失,只有冻结初期的原位盐胀和冻胀。模型试验表明2 4Na SO含量为2%的盐渍土冻融过程中,水盐迁移同样微弱。蒸发条件使得盐分向表面集聚,降水条件使得表层盐分向下迁移。干湿循环是土体发生盐胀破坏的主要原因,其远比冻结过程中的盐分迁移来的剧烈。盐胀发生在土体表面,而冻胀破坏主要在冻结锋面。基于以上试验,探讨了盐渍土在冻结过程中的水盐迁移过程以及盐胀和冻胀的成因。     

兰州地区黄土冻胀特性和水平冻胀力试验研究

为研究不同含水率黄土在一维冻结条件下温度场、冻胀量和水平冻胀力的变化特征规律及冻胀力与冻结温度之间的动态关系,选取兰州地区黄土进行了封闭系统下的一维冻胀试验。研究结果表明:土体的降温过程分为3个阶段,降温冻结初期各深度土体的温度下降速率较快;土体温度下降到0 ℃时降温曲线出现转折点,土层各深度降温速率曲线出现近乎平行于横坐标的平稳段;冻结后期各深度土体的温度下降速率较慢。冻胀量变化曲线按照变化趋势分为3个阶段: 轻微冻缩阶段,快速发展阶段,拟稳定阶段,不同含水率的土体经历各阶段的时间有所不同。冻胀量随着土体含水率的增加而增大,本试验中含水率14%和20%的土体最终冻胀量分别为3.52 mm和 8.23 mm。在相同土质和温度条件下冻胀力发展的起始温度相同,约为0.60 ℃,含水率不同的土体出现最大水平冻胀力的温度不同。最大水平冻胀力沿土体深度先增大后减小,最大值出现在相对深度0.6~0.8处。     

吉林西部季冻区冻融过程对黏性土分散性的影响

在季节性冻土区,温度的周期性变化会引起土体冻结和融化。在土体冻结过程中,土中的水分发生迁移,水中的盐分也发生变化,对土体的性质产生一定影响,土的分散性发生变化。选取吉林西部镇赉地区黏性土,利用室内试验模拟土体在冻融作用下的水分迁移过程,结合分散性鉴定试验,对冻结前后土样的含水量、含盐量、土粒的微观结构以及分散性的对比研究,分析季节性冻土区水分迁移对黏土分散性产生影响的主要因素。研究表明,研究区土样属分散性盐渍土,在冻结过程中土中水分及盐分向上迁移,土的结构变得更松散,冻融作用后土的分散性显著增强。     

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。     

综合考虑盐胀和冻胀时硫酸盐渍土体积变化关系式的建立

为了摸清硫酸盐渍土在降温过程中产生冰晶和引起盐胀的剧烈反应期内的体积变化规律,假定土体中芒硝与冰晶独立存在,并认为土体体积变化由三部分体积增加和三部分体积减少引起,根据溶质守恒定律,推求了考虑盐胀和冻胀综合影响下硫酸盐渍土的体积变化关系式,发现剧烈反应期内土体体积变化主要由原始孔隙率n、降温前后未冻水体积含量θu1和θu2与降温前后的硫酸钠溶解度r1和r2所决定。利用自行研制的恒温冷浴土壤试验系统,观测了人工掺配硫酸盐渍土在降温过程中的体积变化;采用冻结温度试验确定了土样冻结过程中的未冻水含量,并引入未结晶水含量的概念,计算了土样降温过程中的累计盐(冻)胀率,通过分析比较土样体积变化率实测值和计算值,验证了关系式的合理性和适用性。     

饱和粉土冻胀过程试验研究及数值模拟

 为了研究温度梯度、冻结速率、土样高度和竖向压力对冻胀的综合影响,在不同试验条件下对饱和粉土进行了一系列一维土柱冻胀试验,试验中测量土样温度、竖向压力、冻胀量和补水量。试验结果表明：在温度场处于准稳态时,冻胀速率与温度梯度成正比例增长关系,冻胀速率随着竖向压力增大而线性减小;定义比冻结速率为冻结速率与土样高度之比,当温度场处于瞬态时,冻胀速率随比冻结速率成幂函数增长,增长率随着比冻结速率增大而减小。提出了综合考虑温度梯度、冻结速率、竖向压力和土样高度的冻胀计算公式,在此基础上推导了考虑水分迁移的冻土热扩散方程,提出了模拟冻胀和温度变化的数值模拟方法,通过一个数值算例计算了冻结过程中的温度和冻胀量变化,并与实测结果对比验证了该方法的可靠性。     

冻融过程中未冻水含量及冻结温度的试验研究

 土体冻融过程中的未冻水含量是控制水分迁移及冻胀融沉的关键因素,而冻结温度是判断土体是否处于冻结状态的重要指标。基于频域反射法(FDR),测定不同初始体积含水率条件下青藏高原粉质黏土,冻融过程中的体积未冻水含量及温度变化,分析引起体积未冻水含量及冻结温度产生差异的主要原因。试验结果表明：初始含水率较高的土体,冻结过程中出现了很明显的过冷现象以及温度和体积未冻水含量的突变,而初始含水率较低的土体,这种现象并不明显。初始含水率较大的土体冻结先于初始含水率较小的土体,并且对温度突变的敏感性大于初始含水率较小的土体。对冻融过程体积未冻水含量的滞后分析发现,体积未冻水滞后度?θ和温度滞后度?T均是先增大后减小,体积未冻水滞后度?θ的峰值发生在相变区附近,其峰值随着初始含水率的增大而增大。当初始含水率等于或高于液限含水率时,含水率对冻结温度影响不大;当初始含水率低于液限含水率时,冻结温度随含水率减小而降低。     

基于冻土正交各向异性冻胀变形的隧道冻结期地层位移数值分析

 针对隧道水平冻结法施工的特点,综合考虑地层温度、地表对流等各类初始和边界条件及土体的相变潜热过程,建立隧道水平冻结温度场的数学模型。定义土体的冻胀率为瞬时体应变,考虑冻土的正交各向异性冻胀变形特征,即冻胀变形主要发生在沿热流方向(温度梯度方向),引入变形特征系数的概念,从而导出土体温度降至冻结温度后而产生的瞬时热应变分量(冻胀应变分量),并建立地层冻胀的弹塑性热力耦合数学模型。基于ABAQUS有限元软件的二次开发技术,编制冻土正交各向异性冻胀变形的用户子程序,从而提出隧道水平冻结期地层位移的热力耦合数值分析方法。将该方法应用于某浅埋大断面地铁隧道水平冻结工程中,获得地层冻结温度场和冻胀位移场的分布规律,并与现场实测结果相比较,验证数值分析方法的可靠性,同时表明地层位移分析中考虑冻土正交各向异性冻胀变形特征的必要性。     

盐渍土冻结过程中的特征温度研究

盐渍土在降温冻结过程中出现过冷温度和冻结温度两种特征温度,分别表示在降温过程中孔隙溶液中晶核形成和孔隙溶液与冰晶共存时的临界温度,对判断土体的冻结状态有着重要的意义.首先,通过不同含盐量的土体冻结试验,得到了相应的过冷温度和冻结温度;然后,基于热力学与经典成核理论给出了盐渍土冻结过程中的两种特征温度的理论计算模型,并与...     

具有多物理场测试功能的冻土模型试验系统

为测试岩土体在冻融过程中温度场、冻胀力、冻融变形等物理量随温度的变化过程,研制了具有加载、冷量控制、温度场测试、三维应力测试和三维应变测试等多种功能的冻土模型试验系统。该试验系统由模型箱、加载系统、冷冻系统、温度测试系统、三维冻胀力测试系统、三维冻胀变形测试系统等部分组成。模型箱由大尺寸槽钢通过螺栓连接而成,可保证内置土体在冻胀时箱体不发生变形。加载设备由6个300 k N千斤顶组成,可对土体施加竖向荷载。冷冻系统由冷冻机、冻结器及连接管路组成,可调节出口冷媒温度和冷媒流量。温度测试系统由23个温度传感器组成,可测试箱体内任意时刻任意位置处土体的温度。自制的三维冻胀力测试装置由位于不同方向上的6个高精度土压力盒组成,能测试岩土体在冻融过程中一点的三维应力状态。自制的三维应变测试装置由位于不同方向上的12个应变片组成,能测试土在冻融过程中一点的三维应变状态。针对天津地铁5号线某联络通道冻结法施工遭遇粉土的模型试验表明:该试验系统具有组装灵活、操作简单、性能稳定可靠、测试参数全面准确等特点。     

石灰改良黄土路基填料抗冻性能分析

根据现场路基温度和湿度,采用冻胀率试验和冻融循环试验研究了石灰改良黄土路基填料抗冻性能。结果表明:路基土体上部易发生冻结,最低温度和最高含水率分别为-11.3℃和19.3%;石灰改良黄土冻胀率受温度、压实度、含水率及石灰剂量影响,当温度从-3℃降到-6℃时,冻胀剧烈,冻胀量占试样总冻胀量的63%～73%;在冻结温度为-15℃、含水率≥21%条件下,冻胀率与含水率具有良好的线性关系;冻融循环作用下,改良黄土加州承载比(California bearing ratio,CBR)和无侧限抗压强度随冻融作用次数的增加逐渐减小,冻融作用5次后CBR和抗压强度趋于稳定,而石灰剂量为3%的改良黄土冻融作用1次后CBR不满足路基填料设计要求。建议该地区路基填料抗冻性能研究的冻结温度≤-11℃、含水率≥19%,改良黄土石灰剂量≥5%。     

冻融循环导致洛川黄土边坡剥落病害产生机制的试验研究

 冻融循环作用导致洛川黄土边坡剥落病害的发生。作为对比,在洛川剥落边坡及铜川未剥落边坡分别采样,模拟自然坡面冻融过程,在开放不补水条件下,开展冻融循环试验,测定在冻融循环作用下土样表面的变化特征及土样高度、干密度、含水率、黏聚力及内摩擦角的变化情况。试验结果表明：洛川土样在初始几次冻融过程中,土样体积稍有增大,含水率变化较大,冻结过程中冰晶冻胀力破坏土体结构,融化时结构不可恢复,反复冻融导致土体强度弱化。冻融循环10次左右后,土体物理力学状态趋于稳定。融化时,在水的软化作用和冰的促化效应下,沿着水冰交界面易产生剥落病害;铜川土样在冻结过程中,在冻结缘处产生负孔隙水压力,土体密度增大,体积减小,强度增大;融化时,有效应力减小,总应力不变,融沉量大于冻胀量,土体黏聚力略有增强,不易产生剥落。     

分凝势评价土体冻胀敏感性的有效性验证

冻胀率作为常规的冻胀评价指标,只能预估土体的冻胀变形。为了较好的评价土体的冻胀性,验证分凝势模型能否有效的评价土体的冻胀敏感性,基于室内冻胀试验,实测土体冻结过程中的温度场和冻胀变形。依据Konrad模型计算分凝势;分析了分凝势随冻结时间的发展规律、分凝势与冻胀变形和冻胀速率的关系。研究表明:单向冻结条件下,饱和粉质黏土冻结过程中的分凝势与冻胀变形和冻胀速率具有较好的正相关性。分凝势可以有效评价土体的冻胀敏感性,表征冻土的变形趋势和冻胀程度。     

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。