冻融循环过程中岩石热传导规律试验及理论分析

 为研究岩石在低温环境下内部温度场随冻结、融化过程变化特征,探讨岩石在冻融循环过程中整体热传导规律。现开展干燥、饱水状态下类砂岩试样冻融循环室内试验,分析类砂岩试样在冻结、融化过程中内部非等温传递规律;结合试验现象,从水冰微观结构探讨水冰相变过程产生的热传导弛豫机制;最后,基于热传导理论,详细探讨冻融循环干燥、饱水状态下岩石热传导方程,给出饱水岩石三阶段温度分布理论解,并通过与试验对比,验证理论分析的合理性。研究结果表明：(1) 冻融循环过程中干燥状态下的类砂岩试样,其温变曲线大体呈现负指数曲线特征,且越靠近边界面,温变速率越大,同时相对冻结过程,融化升温过程速率更快;(2) 冻融循环过程中饱水状态下的类砂岩试样,其温变曲线呈现明显的三区段过程,在水冰相变过程产生典型的缓温变段,且相对干燥状态,其温变速率均出现一定程度降低;(3) 利用水分子相变过程中微观结构变化,可较好地解释水冰相变过程造成的热传导弛豫现象;(4) 给出了干燥、饱水状态下岩石热传导方程,并借此探讨了饱水状态下固相、液相及相变区温度理论解,通过与室内试验对比,验证了理论分析公式的合理性。研究对认识冻融环境下岩石内部温度场演化规律具有一定参考价值。     

基于CT图像的冻结岩石冰含量及损伤特性分析

冻结岩石中冰含量对其热力学及损伤特性有重要影响,研究岩石冻结过程中冰含量随温度的变化规律可以为冻结岩石工程的安全稳定性评价提供科学依据。运用CT识别技术,进行不同温度梯度下冻结岩石的CT扫描实验,获得20 ℃、-2 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃下岩石的CT扫描图像,实现了冻结岩石CT图像的伪彩色增强和直方图分析,完成了冻结岩石冰含量及损伤信息的数字表述,对冰含量随温度的变化规律进行定量分析。依据损伤力学理论,定义以冰含量表示的冻结损伤变量,探讨了未冻水含量和温度梯度对冻结岩石损伤特性的影响规律。研究结果表明:(-2 ℃,-5 ℃)是水冰剧烈相变的温度区间,冻结损伤演化起始和急剧增大阶段;(-5 ℃,-10 ℃)是冻结损伤发展阶段;(-20 ℃,-30 ℃)是冻结损伤趋于稳定的温度区间。所定义的冻结损伤变量能够描述温度降低过程中岩石损伤的演化过程,基于冻结岩石CT图像伪彩色增强的冻结岩石损伤演化的定量分析为冻结岩石工程的稳定性研究提供了新的思路和方法。     

露天煤矿冻岩边坡饱和砂岩冻融损伤试验与劣化模型研究

 高海拔多年冻土区露天煤矿岩质边坡常年处于冻融交替环境中,边坡浅部病害显著。为了分析边坡上岩石在冻融环境中的劣化规律,利用采集于木里地区露天矿边坡钻孔中的砂岩试样进行了室内饱和冻融循环试验,并建立了饱和岩石冻融劣化的理论模型。岩样冻融循环试验结果显示随着冻融循环次数的增大,饱和砂岩的微裂隙率逐渐增大,单轴和三轴抗压强度以及表示岩石质量的常见物理参数逐渐降低。基于岩石在冻融循环过程中的微裂隙变化,提出并推导了微裂隙扩展因子,理论建立了岩石强度随冻融循环变化的劣化模型和本构关系,利用劣化理论模型所计算的岩石强度与试验结果吻合较好。分析岩石微裂隙的变化规律,可以获得饱和砂岩在冻融循环环境中的劣化是由于岩石内部的微裂隙在水成冰相变过程中产生的巨大复合应力超过了岩石微裂隙开裂强度,而导致微裂隙逐渐失稳扩展,岩石整体性被削弱等结论。     

裂隙(孔隙)水冻结过程中岩石细观结构变化的实验研究

 研究岩石在低温冻结过程中细观结构的变化和孔隙(裂隙)水的冻结过程,对于深化认识冻结岩石的力学及损伤特性具有重要意义。通过开展不同冻结温度下岩石细观结构CT扫描实验,获得了岩样在20 ℃,－2 ℃, －5 ℃,－10 ℃,－20 ℃,－30 ℃时细观结构的CT图像。采用Canny算子对冻结岩石CT图像进行边缘检测,完成了冻结过程中岩石二维细观结构的识别。基于体视学理论,提出表征冻结岩石细观结构特征参数的计算公式,分析了孔隙(裂隙)水冻结过程中岩石细观结构的变化,实现了冻结过程中岩样不同截面裂隙(孔隙)的长度、宽度、面积及圆形度等参数变化规律的定量分析。分析结果表明：在0 ℃～－2 ℃区间,岩样扫描层面内裂隙(孔隙)的长度、宽度、面积快速增加,这一阶段为宏观裂隙中体积水结冰阶段,裂隙(孔隙)的扩张由体积膨胀机制引起;在－2 ℃～－5 ℃区间,裂隙(孔隙)的扩张速率明显降低,该阶段为细观(部分微观)裂隙(孔隙)中水的结冰过程;在－5 ℃～－20 ℃区间,裂隙(孔隙)的扩张速率又开始增加,但低于0 ℃～－2 ℃区间的增加速率,该阶段为微观裂隙(孔隙)中的水向冰晶体迁移阶段,由分凝冰机制引起裂隙的扩张。     

冻融作用对原状黄土抗剪强度的影响规律

以西宁市某区域内原状黄土为研究对象,设计封闭系统下的三向慢速冻结试验、恒温恒湿的融化试验以及三轴剪切试验。基于土的莫尔库伦强度理论,利用抗剪强度包线求解黏聚力和内摩擦角,研究不同冻融温度梯度下抗剪强度指标的变化规律。结果表明:随着温度梯度增大,黏聚力衰减速度显著,衰减为极小值时的最不利冻融温度梯度为-15～15℃;冻融黄土的黏聚力与冷端温度、融化温度有关;较低含水率和较小冷端温度耦合作用或较高含水率和较大冷端温度耦合作用时,与冷端温度相比,融化温度为主导影响因素。随着冷端温度的增大,不同含水率试样的黏聚力降低幅度呈先减小、后增大的规律,最不利的含水率为18.34%。内摩擦角呈现出不规律性波动,变化幅度约为0～14°。由试验数据拟合出黏聚力随冷端温度和含水率变化规律的计算式,经试验验证,计算式能较好地描述其变化特性。     

饱水红砂岩裂隙冻胀力与变形试验研究

高寒高海拔地区常年受冻融循环作用影响,裂隙岩体冻胀现象普遍存在。为探究冻胀力在裂隙冻胀变形中的演化规律,揭示裂隙岩石的冻胀损伤机制,利用分布式压力薄膜传感器、温度传感器和应变仪组成的测试系统,对不同裂隙宽度的饱和裂隙红砂岩试样的冻融过程进行实时全面监测,获得裂隙冻胀力、温度和裂隙应变随时间变化的曲线。试验结果表明：在冻融过程中,饱水裂隙红砂岩裂隙内20 mm处出现恒温平台,标志着裂隙水发生冻结,且裂隙宽度越大,恒温平台出现时刻越早;岩石表面应变与温度变化拐点同步,裂隙应变拐点滞后于温度拐点,但裂隙应变与最大冻胀力的变化同步;在恒温平台出现时,岩石表面应变快速上升,主要是岩石骨架收缩和岩石孔隙水冻胀共同作用引起的;岩石表面温度变化比裂隙内温度变化更快,导致裂隙水的冻胀有所滞后;在融化过程,冻胀力和应变均再次爬升,并出现次高点;对于宽度在2～4 mm范围内的裂隙,最大冻胀力峰值随着裂隙宽度增大而增加;在整个冻融过程中,冻胀力的分布是不规则的、冻胀力由四周向内部递增,四周的冻胀力大小基本保持不变;冻融机制分析表明：岩块周边首先形成冻结层,然后裂隙水发生冻结逐渐形成冰塞,当冰塞不再滑移、达到完...     

原状土冻融过程中水分迁移试验研究

为了量化原状土中水分在冻融过程中的迁移,试验采取在其他试验条件相同的条件下,改变初始含水率或温度模式的方法,研究了单个因素对水分迁移的影响。经冻结并融化到设定位置后,从试验中观察到试样未融化部分存在有横向和竖向的裂缝现象、明显的冻融分界线、水分积聚层和融化锋面并不在同一个层面内、土中水的冻结温度各不相同、冻结后含冰不均匀现象等结果,进而对冻融过程中进行温度场分析以及冻融前后含水率的变化分析,用具体试验数据得出如下结论:控制不同顶板温度时,不同含水率的试样中各点处温度的变化趋势基本相同;在顶板控温相同的情况下,初始含水率大的试样,水分迁移量大,水分积聚多;不同冻结温度和融化温度对试样中水分的迁移影响非常明显,顶板冻结时温度越高,水分积聚层位置处的含水率越大,水分积聚越多等。     

裂隙砂岩未冻水含量演化特征研究

孔隙水的冻结是寒区岩体发生冻胀损伤的根源，研究未冻水含量演化规律对于了解孔隙水的冻结过程，揭示冻结岩体的损伤机制具有重要意义。以完整与双裂隙砂岩为研究对象，开展不同冻结温度(-2℃，-5℃，-10℃，-15℃，-20℃)下循环冻融试验，采用核磁共振系统检测未冻水含量变化。通过分析冻结温度、冻融次数、裂隙对未冻水的影响，探究未冻水含量与砂岩细观损伤的关联。结果表明：(1)岩样未冻水含量随温度降低呈指数型衰减，在温度梯度作用下，毛细水的冻结速率最快，自由水次之，结合水的冻结速率最慢；(2)未冻水含量与冻融循环次数线性负相关，当冻结温度低于-20℃时，冻融次数对未冻水含量的影响减弱，但裂隙的存在促使冻融前期自由水冻结速率加快，中、后期结合水加速冻结，相比完整岩样，裂隙岩样未冻水含量减少5%;(3)岩石孔隙体积和渗透率均与冰含量呈正相关，裂隙岩石的冻融损伤主要是由于冻融前期自由水的原位冻结，后期结合水的继续冻结以及毛细水的迁移过程造成的。该研究有助于深入了解裂隙岩石的冻融特性，为寒区岩体工程安全建设与运营提供理论依据。     

基于FLAC~(3D)的含相变三场耦合简化算法

为了探求简便实用且可服务于实际冻土工程研究的含相变THM(温度场–渗流场–应力场)耦合算法,基于含相变三场耦合能量平衡方程和冻融过程能量阶段假设,提出水–冰相变简化算法;对热–流–力算法进行串并联,得到三场耦合简化算法;并将该简化联合算法应用于FLAC~(3D)对室内岩样冻融试验进行再现,模拟结果与室内试验结果吻合较好,表明该简化算法可行。同时对试验进行扩展,探讨不同因素对温度场和变形场的影响,结果表明:对流换热系数、冻结温度、环境温度越高相变持续时间越短,径向最大冻结应变越大;孔隙率或含水率越大,相变持续时间越长,径向最大冻结应变越大;膨胀系数和冻融循环次数越大,径向最大冻结应变也越大。研究成果对认识岩石冻融环境下温度、变形规律以及相关室内试验设计有一定的参考意义。     

冻融循环条件下岩石核磁共振特性的试验研究

 为研究岩石在冻融循环作用下微观结构的变化特征,选取寒区花岗岩为试样,在冻结温度为－40 ℃,融解温度为20 ℃条件下分别进行0,10,20,30和40次冻融循环试验,并对冻融循环后的岩样进行核磁共振(NMR)测量,得到不同冻融循环次数后岩样的横向弛豫时间T2分布及核磁共振成像图像。结果表明：花岗岩的T2分布主要为3个峰,第一个峰和第二个峰的面积之和占全部峰总面积的98%以上,表明微孔隙占绝大多数;在经历10,20,30和40不同冻融循环次数后,岩石的T2谱面积发生了明显变化,孔隙率分别增大了14.0%,0.9%,16.2%和1.6%。核磁共振图像显示冻融循环后岩样的孔隙空间分布情况。冻融循环条件下岩石核磁共振特征的变化规律,为岩石冻融损伤机制研究提供可靠的试验数据。     

基于核磁共振技术的岩石孔隙结构冻融损伤试验研究

 为研究岩石在冻融循环作用下的孔隙结构损伤特性,选取寒区花岗岩为岩样,在冻结温度为－40 ℃,融解温度为20 ℃条件下,分别进行3轮冻融循环试验,并对每轮冻融循环后的岩样进行核磁共振(NMR)测量,得到同一块岩样不同冻融循环次数后的孔隙度、横向弛豫时间T2分布及核磁共振图像(NMRI)。结果表明：花岗岩的T2分布主要为3个峰,随着冻融循环次数的增多,岩石的孔隙度、核磁共振T2谱分布和T2谱面积均会增大,但每个岩样的增大幅度均不同,反映出冻融循环作用下岩石中孔隙的发育和扩展特性;核磁共振图像显示同一块岩样在不同冻融循环次数后的内部微观结构分布,动态地显示岩石的冻融损伤过程。冻融循环条件下岩石核磁共振特征为岩石冻融损伤机制研究提供可靠的试验数据。     

岩土介质在冻融过程中的温度场研究及工程应用

基于"三区域"(已冻区、正冻区和未冻区)理论,建立岩土介质在冻融过程中的温度场数学模型,并将利用有限元数值计算方法得到的结果与V.J.Lunardini等得到的经典解析解结果进行对比,验证该数学模型的正确性和可靠性。在此基础上,探讨岩土介质在冻融过程中相变潜热和正冻区的大小对温度场分布的影响,并对西藏嘎隆拉隧道围岩温度场以及保温层保温效果进行数值仿真分析。研究结果表明:采用二衬表面附设保温材料方法对隧道衬砌及围岩温度影响效果明显,在二衬表面施作6 cm厚的福利凯保温层后,衬砌和围岩不会承受冻融破坏。该研究成果对于寒区隧道冻融圈大小的确定及防寒保温措施的选用具有重要的理论和现实意义。     

裂隙岩体水–冰相变及低温温度场–渗流场–应力场耦合研究

 岩体冻融损伤涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合问题。基于水–冰相变理论和能量守恒原理,得出冻结率表达式。运用双重孔隙介质模型理论,根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理,得出冻结条件下裂隙岩体的温度场–渗流场–应力场(THM)耦合控制方程。最后,通过1个含裂隙隧道低温THM耦合算例,将围岩当作岩块与裂隙介质组成的系统,采用等效热膨胀系数法对夹冰(含水)裂隙的冻胀效应进行模拟,并考虑冻结过程对岩体渗透系数的影响,研究低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。     

裂隙岩体冻融损伤研究进展与思考

 裂隙岩体具有不同于土体的结构和强度特征,现有冻土理论不能解决低温岩体裂隙冻胀开裂、扩展演化问题,冻融过程中水分迁移机制、冻胀力的量值与萌生消散机制以及裂隙冻融扩展演化机制等是研究裂隙岩体冻融损伤的关键问题。对裂隙岩体中的水分迁移机制研究应立足于微观尺度,从分凝冰理论入手,关注于未冻水膜的迁移机制。低温裂隙岩体冻融损伤程度受到裂隙中冻胀力大小控制,而冻胀力大小和裂隙冻融扩展机制与裂隙的空间位置形态、未冻水含量、冻结温度以及岩石的物理力学性质等因素有关。几十年来,对岩体冻融裂隙扩展的研究主要集中在理论模型探究、室内裂隙岩体冻融试验和现场监测分析3个方面,取得了丰硕的成果,但目前关于冻岩的研究还远未成熟,要深入揭示裂隙岩体冻融损伤演化机制,还应借助于室内试验从裂隙岩体冻融水分迁移机制入手,以探究冻胀力量值的求解方法为初步目标,进而结合岩体裂隙扩展准则研究冻胀力对岩体裂隙网络发展的影响。     

常州砂性地层联络通道解冻规律研究

人工冻结联络通道施工常采用跟踪注浆解决软弱地层工后融沉问题,为此必须掌握解冻温度场的变化规律。以常州市轨道交通1号线某隧道联络通道冻结法施工为背景,将冻结阶段现场实测与温度场数值模拟进行对比,验证数值模拟方法正确性,并通过数值模拟对自然解冻与强制解冻规律进行分析。结果表明,60 ℃~90 ℃循环热水强制解冻周期为33.5~22 d,较自然解冻周期的160 d缩短了5~7倍,不同温度的强制解冻解冻周期大致呈线性变化。强制解冻完成次序依次为上部结构、冻结管内侧土体、冻结管外侧土体、集水井底部。冻结壁厚度不同工程可采用不同温度热水循环进行强制解冻,冻结壁厚度较薄时可适当降低热水温度;强制解冻融沉注浆前期应将重点放在联络通道上部结构侧边及顶部,后期应将重点放在底部。     

原状与重塑黄土冻融劣化机理对比试验研究

通过对西安Q₃原状和重塑黄土在冻融作用下的电镜扫描和直剪试验,对比研究了原状和重塑黄土冻融过程抗剪强度劣化机理及规律。结果显示:冻融过程原状和重塑黄土微观结构都发生显著变化,土体胶结性变差。冻融条件下试样表观结构特征破坏较为严重,且原状黄土表观结构劣化程度更为严重。黏聚力随冻融次数增加均呈指数衰减趋势;原状黄土黏聚力高于重塑黄土,但随冻融次数增加,两者差异逐渐减小;原状黄土黏聚力衰减幅值及速率高于重塑黄土。随含水量增加,黏聚力总体呈线性减小变化规律,且反复冻融后黏聚力随含水量变化曲线分布特征近似重叠。冻融作用对内摩擦角无显著影响。随冻融次数增加,黏聚力冻融损伤系数表现出呈指数增加特征;原状黄土黏聚力冻融损伤系数高于重塑黄土。     

冻融荷载耦合作用下节理岩体损伤本构模型

 针对寒区节理岩体,提出冻融细观损伤,受荷细观损伤与节理宏观损伤的概念。基于Lemaitre应变等效假设,推导冻融受荷条件下考虑节理岩体宏细观缺陷耦合的复合损伤变量。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,建立节理岩体冻融受荷损伤本构模型,引用试验资料对模型的合理性进行验证。研究结果表明：(1) 岩石在冻融循环过程中引起的细观损伤是一个周期性疲劳破坏的过程,冻融细观损伤随冻融次数近似线性增加,单次冻融循环对岩石造成的损伤较小,为局部损伤;岩石在受荷过程中引起的细观损伤随应变的演化率呈不均匀分布,峰值应变处受荷损伤演化率最大。(2) 预制节理对岩石造成的宏观损伤具有明显各向异性,随冻融循环次数的增加,节理岩样的宏观各向异性有所弱化,弱化程度同节理性质和冻融循环次数有关。(3) 寒区受荷节理岩体的力学性能由冻融细观损伤,受荷细观损伤与节理宏观损伤及其耦合效应所决定,节理岩体冻融受荷复合损伤变量可以较好地反映节理岩体的抗冻性能。