单向冻结条件下粗颗粒级配土的水热分布及冻胀特性研究

随着寒旱区高速铁路工程的增多和工程服役时间的增长，气态水迁移引发的路基冻害问题被广泛关注。为深入探究寒区粗颗粒填料的冻胀机制，研制一套考虑水–热–力耦合的土柱试验装置，开展不同补水类型、细颗粒含量、细颗粒类型的单向冻结试验。结果表明：(1)冻结锋面位置受补水方式、细粒土含量的影响较为显著，细粒土类型的影响相对较小。(2)随冻结时间的增长，液–气组合补水和气态水补水均会导致试样含水率不断升高，而前者含水率变化较快。细粒土含量和类型会显著影响气态水迁移量，造成土柱水分分布的明显差异。(3)粗颗粒级配土中液态水很难通过冻胀–抽吸力直接上升至冻结锋面，气态水迁移是造成冻胀发展的重要因素。在高速铁路的长期运营过程中，气态水迁移引发的路基水分积聚和冻胀问题不可忽视。     

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。     

冻融循环作用下非饱和粗颗粒填料水热汽迁移追踪及规律研究

为研究高铁路基非饱和粗颗粒填料水-热-汽效应,研发了适用于冻融循环作用下水-热-汽迁移特征追踪的试验装置,采用荧光素为示踪剂追踪外界补水中液态水上升的高度和变化规律。首先开展一系列关键性技术试验验证了试验方法和装置的有效性。而后在试验装置研发的基础上,开展试验研究冻融循环过程中,恒温降温模式下开放补水的非饱和粗颗粒填料中的水-热-汽效应。试样每次冻结时长72 h,融化12 h,分为3次冻结和2次融化。试验结果表明,恒温冻结模式下,冻深随着冻结次数的增加而增加。冻结过程中,粗颗粒填料外界水分补给主要以气态水的形式向土样内部迁移,融化时土样内部水分会向外界迁移。最大补水量出现在第2次冻结中。试验结束时,上冷浴盘顶部出现冰层,已冻区含水率的增幅相对比较均匀。反复冻融循环作用下,高铁路基粗颗粒填料的水、汽迁移和相变可导致路基中冰层的形成和强度的改变。     

冻融循环对轻质填料抗压强度的影响

通过对不同配合比的13组试样在不同冻融循环次数下的无侧限抗压强度试验,研究了冻融循环对轻质填料抗压强度与变形特性的影响.结果表明,轻质填料经历冻融循环后仍具有良好的力学性能,各组分对轻质填料抗冻融特性的影响程度不同,掺加水泥可有效抵抗冻胀力,EPS颗粒和粉煤灰在掺量适中的情况下,可显著提高轻质填料的抗冻融性能,水分是造成轻质填料冻融破坏的主要因素,在满足水泥水化所需水分的前提下,寒区工程中应用轻质填料需适当降低含水率.另外,在分析不同控制强度下轻质填料冻融破坏特点的基础上,分析了该轻质填料抗冻融破坏机理.     

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。     

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。     

深季节冻土地区堤防温度及湿度变化规律研究

为研究深季节冻土区堤防工程冻结期间内部温度和水分的变化规律,以热传导和水分迁移的多场耦合方程为理论依据,采用有限元方法模拟堤防工程在冻结期间的温度场、湿度场变化。研究结果表明:堤身温度剧烈波动区深度为6m;堤身温度的变化具有滞后性,并随深度增加而显著;堤身冻结过程中,冻结锋面处发生了由未冻区向已冻区的水分迁移;堤身的冻深略大于天然地层的冻深。     

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。     

冻土毛细-薄膜水迁移统一模型及其试验验证

针对毛细水迁移机制难以解释冻结缘及不连续分凝冰的形成,薄膜水迁移机制难以解释孔、裂隙间水迁移造成的不均匀冻胀,在毛细理论和冻结缘理论的基础上,通过对冻结缘区增加一组不同孔径的毛细管,对所有毛细管壁增加一层未冻水膜,构建出冻土的毛细-薄膜水分迁移统一模型。该模型从液压驱动角度分析了冻结大孔和未冻小孔中的液压、冰压以及驱动力分布,统一了冰透镜体暖端的液压驱动力与表面吸附力,并结合分凝冰形成机制,推导出分凝-冻结温度的控制方程。再根据表面吸附力、冻结缘渗透系数随分凝 冻结温度的变化律,在达西定律的基础上,给出了水分迁移速度的显式方程。最后,将Konrad冻胀试验中的主要参数代入该显式方程,发现理论计算值与试验值高度一致,验证了该模型的正确性。     

WFS-FA-EPS填料导热系数试验研究

采用ISOMET热特性分析仪对废铸砂(WFS)、粉煤灰(FA)、聚苯乙烯(EPS)颗粒、水泥(可选)与水按一定质量比例混合制成的抗冻胀、低导热性、轻质填料进行了导热系数测定,探讨了不同状态下(冻结与否)导热系数与水泥、粉煤灰、EPS颗粒掺入比、含水率以及龄期的关系,并与常规岩土材料进行对比,进行了变量权重的正交分析,建立导热系数与不同组分含量关系的预测公式。试验结果表明,单因素变化时,EPS颗粒含量、粉煤灰含量、水泥含量的增加会不同程度地降低导热系数,有助于隔热与降低冻结深度;干密度和含水率的降低会减小导热系数;龄期的增加会增加导热系数;主要变量因素降低填料导热系数的权重由大到小顺序为EPS颗粒、粉煤灰和含水率;材料的导热系数随水料比w/(10EPS+FA)的增加而增加;试验调查的填料导热系数在0.5～1.0 W/m·K范围,低于常见岩土材料的导热系数(1.0～2.0 W/m·K)。     

早期受冻环境对混凝土服役期性能的影响

为准确评估混凝土早期受冻对其服役期性能的影响,模拟早期突然受冻环境,测试了不同早期受冻环境下混凝土服役期的抗压强度、劈拉强度、动弹性模量等宏观性能参数和孔隙结构、吸水特征等微观指标;分析了受冻温度、受冻时长、起冻时刻等环境参数对混凝土服役期性能的影响规律和影响机理.结果表明：受冻温度越低、受冻时长越长,混凝土服役期宏观性能劣化越明显,浆气比减小,含气量、吸水率、吸水孔率增大,各孔径的气孔数量均有所增加;受冻温度从-1℃降到-5℃、受冻时长从2h延长至4h时,混凝土服役期性能劣化明显,而受冻温度从-5℃降到-9℃、受冻时长从4h延长至8h时,混凝土服役期性能劣化程度较小;初凝后、终凝前受冻的混凝土服役期性能劣化最显著,初凝前受冻的混凝土服役期性能劣化次之,终凝后受冻的混凝土服役期性能劣化程度较小且损失程度随受冻时混凝土龄期的增长而减小;随着起冻时刻的延后,混凝土的浆气比增大,而含气量、吸水率、吸水孔率减小,终凝前起冻的混凝土各孔径梯度的气孔数量明显大于终凝后起冻的混凝土.     

动态结霜过程霜层参数测试技术研究与应用进展

本文对国内外现有结、除霜实验台、实验系统进行了较为全面的调研,对霜层参数测试技术,如霜层表面温度、厚度、密度、导热系数及微观形貌等,从技术原理、应用现状以及适用条件等方面进行了总结与分析。指出霜层厚度与霜层表面温度是霜层参数中的关键因素。现有霜层厚度测试技术与实际脱节,导致实际运行中的设备普遍存在"误除霜"事故,因此作者提出发展新型霜层参数监测技术,如光电耦合技术,来解决霜层参数在线监测问题,并加强现有结霜实验系统的控制水平,以求进一步完善结霜机理研究。     

纤维混凝土抗冻性能研究

通过试验研究了聚丙烯纤维(PP纤维)和植物纤维(UFPP纤维)对混凝土抗冻性能的影响.结果表明:在混凝土中掺加PP和UFPP纤维均可提高混凝土的抗冻性能,并且UFPP纤维对混凝土抗冻性能的提高作用明显高于PP纤维;此外,掺0.9kg/m3纤维混凝土的抗冻性能优于未掺纤维和掺0.6kg/m3纤维混凝土.同时,研究了掺纤维混凝土孔结构对混凝土抗冻融循环能力的影响,并分析其机理.     

单向冻结条件下饱和粉质黏土的冻胀试验研究

在单向冻结条件下对饱和粉质黏土试件进行了6种工况下的室内冻胀试验研究.结果表明:冷端温度、压实度、温度梯度、上覆压力和补水条件是影响土体冻胀变形的关键因素;温度梯度、冷端温度和上覆压力与土体冻胀变形呈反比,压实度与土体冻胀变形呈正比;冻胀率是表征土体冻胀敏感性的关键指标,与材料参数和冻结条件有关.最后,基于试验研究提出了用于指导工程应用的路基冻胀病害防治措施.     

Effect of Frost Heaving on the Failure of Deep Structures

Soil Mechanics and Foundation Engineering -     

再生混凝土的抗冻性能研究

旨在研究未掺任何外加剂的再生混凝土的抗冻性能。即再生混凝土在硬化初期受到一次冻结对其质量的影响,用抗压强度来表征它的力学性能。同时研究经过在标准条件下养护几天后再受冻的再生混凝土的早期抗冻能力,并分析影响再生混凝土抗冻性能的原因。     

混凝土冻融损伤与防治

根据近年发表的国内外相关文献,综述了国内外学者对于混凝土抗冻性问题展开的研究活动,对混凝土冻融破坏的形式、机理进行了分析和归纳,对提高混凝土抗冻性的方法和措施进行了总结。     

石灰岩机制砂混凝土抗冻性能研究

为探明石灰岩机制砂在严寒地区应用的合理性,以相对动弹性模量为评价指标,研究了混凝土强度等级、含气量和石粉含量对石灰岩机制砂混凝土抗冻性能的影响规律,采用吸水率和气泡间距系数分析了石灰岩机制砂混凝土冻融破坏原因. 结果表明：高强石灰岩机制砂混凝土具有高抗冻和破坏突发特征,提高混凝体强度等级或引入适量优质气泡是提高石灰岩机制砂混凝土抗冻性能的有效途径;当C30和C60石灰岩机制砂混凝土含气量分别为6.4%和4.4%时,混凝土的抗冻性能最佳;石灰岩石粉对混凝土性能有正、负双重效应,其含量控制在10.0%以内对混凝土抗冻性能、力学性能和工作性能有利.     

建筑物表面起霜的原因及防治措施

建筑物表面“起霜”主要是一些无机盐类从溶液中析出的结晶,它产生体积膨胀,造成结晶膨胀压力,导致装饰层与基层脱离。白霜的机械强度很低,也是导致装饰层与基层黏结不良的原因之一。因此要针对起霜的原因采取相应的有效防治措施。     

霜层生长过程的神经网络仿真模型研究

利用神经网络的强非线性映射能力，对已公开发表的实验数据作了结霜过程的智能化仿真研究。