渠道冻融作用物理模型试验相似准则分析

物理模型试验是开展渠道工程冻害问题研究的重要手段,而相似准则是开展物理模型试验的理论依据。根据引起饱和正冻土冻胀变形的"水-热"耦合控制方程、饱和冻土的有效应力原理及基于多孔介质理论中正冻土的静力平衡方程导出的孔隙压力和土水势的相似不变量,导出了冻土模型试验中孔隙压力与时间、变形的比尺准则。采用土工离心机放大重力场,可统一基土冻融作用过程中的孔隙压力与变形量间的比尺,在此基础上探讨了离心模型试验中渗透系数和孔隙水流速的比尺准则,仅当孔隙水动力黏度和孔隙水压力与原型相同时,离心模型试验中基土冻融作用时间效应的比尺为原型比模型的平方。     

一种新型平衡自调节系统在土工离心机上的应用

为了实现土工离心机运转以后的实时配平,减小离心机运转过程中的不平衡力,研制了一套平衡自调节系统。该系统构建了一套由电磁阀、传感器、PLC控制器组成的反馈控制系统,通过它向安装在配重端的水箱中受控注水,来实时调节工作端载荷变化引起的不平衡。将该系统应用到某土工离心机上,开展了离心机升速和负载增大工况下的自平衡调节试验,实现了离心机的实时配平。相对传统的液压缸或电机驱动配重块的平衡调节机构,该注水配平系统结构更简单、平衡调节范围更宽。     

在高离心场中模拟大型桩结构的原型特性

利用大离心机进行桩结构模型试验,除离心机外,还必须具备较为复杂的试验附属设备。本文结合过去两年开展的工作,介绍了桩基的试验原理及研制的离心试验加荷装置,模型参数量测、模型桩等设备。利用该套设备已成功地进行了多次桩基原型性能试验。     

在高离心场中模拟大型桩结构的原型特性

利用大离心机进行桩结构模型试验，除离心机外，还必须具备较为复杂的试验附属设备。本文结合过去两年开展的工作，介绍了桩基的试验原理及研制的离心试验加荷装置，模型参数量测、模型桩等设备，利用该套设备已成功地进行了多次桩基原型性能试验。     

新型离心机串联模型试验方法及其初步应用研究

为解决以往离心机试验中将大型地质物理模型过渡缩尺时无法与离心加速度相匹配的问题,在综合分析以往离心试验技术的基础上,结合现有离心试验技术的不足,提出新型离心机串联模型试验技术。该技术通过两次量纲变换,即在模型设计阶段,原型地质体经过第一次量纲变换至常规模型试验尺度(m倍),然后经过第二次量纲变换换算至离心模型试验尺度(n倍),将模型缩小至原来的1/mn。第一次变换将模型进行较大尺度的缩减,因此第二次将其变换至离心试验尺度时将具有较大的灵活度,能够适应承载能力较小的离心机模拟高程较大的地质体的工作特征。此技术实现了将天然地质模型缩尺至离心机试验箱内,并结合弱化岩土力学强度的方法,从而解决大尺度地质结构模型模拟中存在的缩尺困难的问题。结合我国西南某水电站边坡开展了初步验证,结果表明,串联试验理论能较好地满足大型离心机模型试验的要求,可再现大型地质体变形破坏的整个过程,该技术较好地解决了蓄水过程中边坡的变形模拟问题。     

鉴定地下洞穴坍塌机理的离心模型试验研究——介绍戴维斯加州大学离心模型试验技术

一、引 言 本试验为美国加州,利物莫尔,劳伦斯国家实验室(Lawrence LivermoreNational Laboratory)计划中核试验项目的组成部份。预测地下洞穴坍落而引起地表的坍陷是核试验重要课题之一。为了提高坍落的预测能力,必须对洞穴的坍落机理,包括坍落过程等进行深入探讨。本试验目的在于研究一套离心模型试验技术,着重于课题的定性研究,为今后的定量分析打下基础。试验是在戴维斯加州大学的吊斗型离心机上进行的,其技术性能为:转臂半径(至转斗底部)43吋;模型最大面积18×18吋;模型最大高度16吋;最大容量10000g—磅;最大加速度175g。     

基于LXJ-4-450平台的土工离心模型试验研究

土工离心机是岩土工程领域最有效的物理模拟手段之一。近年来,随着现代液压、电控及测试技术的飞速发展,土工离心模型试验技术水平显著提升,应用领域也不断拓展。本文基于中国水利水电科学研究院的LXJ-4-450离心模拟试验平台,对新型机载设备及相应的试验成果进行总结,综述了近年来土工离心模型试验的研究进展。具体而言,研制了模拟污染物迁移的离心试验装置,探讨了污染物在土壤中的迁移机理;研制了离心模拟爆炸试验装置,验证了冲击波及气泡脉动在超重力场下的相似关系;研制了离心模拟溃坝试验系统,揭示了土坝漫顶破坏机理;此外,配置了世界首台水平、垂直双向离心机振动台,揭示了饱和砂土地基液化机理及地震动传播规律;开发了基于液压系统的离心模拟试验大荷载施加方法;最后,对中国水科院新建的大型土工离心机试验平台进行了介绍。     

冻土离心模拟技术研究进展

冻土工程实践的发展和需求不断给冻土工程提出新的问题。冻土离心模拟技术是专门针对冻土工程的物理模拟技术,即在已有的土工离心机的基础上实现了温度场与应力场的耦合,并可在较短的时间内完成对大跨度时间下冻土工程实际问题的模拟。近30年来,随着热交换装置不断革新、相似准则不断完善以及试验方法不断创新,使得冻土离心模拟技术在世界范围内发展迅速,为冻土工程问题的研究开辟了新的途径。本文介绍了试验装置的发展过程,综述了已开展的主要试验及研究成果,在此基础上展望了冻土离心模拟技术未来的发展方向。冻土离心模拟技术在冻土工程领域中将拥有广阔的应用前景。     

长江科学院土工离心机的应用与发展

土工离心机是研究复杂岩土工程问题的大型专用设备,长江科学院（以下简称长科院）早在 20 世纪 80 年代建成了当时国内最大的总容量300g-t 、有效容量180g-t 的土工离心机,为我国离心机研制和离心模型试验技术的发展奠定了重要基础。简要总结了国内外土工离心机的发展历史,介绍了长科院第一代土工离心机的研制过程和意义,回顾了第一代离心机所开展的重要研究工作及所取得的成果;详细叙述了长科院第二代土工离心机的研制过程和性能。在此基础上,对近期完成的几个离心模型试验成果进行介绍,并通过多项试验研究验证了试验系统的可靠性。     

土工离心机设计综述(一)

当代土力学的研究中,土工离心模拟试验是一门正在发展中的新兴技术,土工离心机则是它的主要设备。本文不仅对土工离心机在国内外发展的概况作了介绍;对如何选择离心模拟试验的设计参数作了说明,还对土工离心机设计中,例如空气流场的选择、封闭机坑(不通风)中风阻功率的估算、温升控制以及离心机结构设计作了较详细的分析;对离心机运行中的动力平衡、运行安全监测、运行速度的自动控制和模拟试验中数据采集等系统作了简要说明。     

大庆地区给水管道合理埋深的数值研究

大庆地区村镇给水管道冬季运行时常发生冻胀危害,为此提出了一种PPR-PVC管道浅埋外加保温层的综合防冻胀技术。为更好地确定采用该技术的管道最佳埋深,首先通过数值计算和实测结果的对比分析研究土壤的冻胀性参数;利用Matlab软件,建立给水管道与周围土壤非稳态传热物理模型,分别模拟了不同埋深处管道周围的土壤温度场,通过对比分析得到了大庆地区采用DN50的PPR-PVC新型保温给水管道的最佳浅埋深度为1.5 m,此处管道受到大气温度扰动小,融化圈范围大,土壤的冻胀性较弱。在考虑水分迁移和冰水相变因素影响下,通过模拟认为埋深在1.5m的PPR-PVC给水管道运行是安全可靠的。     

冻融对压实黄土工程地质特性影响的试验研究

季节冻土区黄土路基经常遭受强烈的冻融循环作用,使得路基土体的水分重新分布、密度发生变化,严重的会导致路基发生较大变形而破坏,造成一定的经济损失和安全隐患。通过补水条件下的压实黄土冻融循环试验,研究冻融循环作用对压实黄土的水分分布、变形和干密度等工程地质特性的影响。试验结果表明:反复的冻融循环作用使得土样含水率增加,从底板到顶板土样含水率逐渐递增,且含水率增加幅度随冻融次数的增加而增加;土样在冻融循环初期冻胀变形大于融沉变形,总体变形显著增加,经过一定冻融循环次数后土样总体变形趋于稳定,冻融循环后期土样出现较小的沉降变形;冻融循环使得土样的干密度逐渐减小,冻融循环次数越多,其干密度减小幅度越大。研究成果对压实黄土路基病害形成机理及防治措施研究具有重要的科学意义。     

硫酸盐渍土降温过程中的盐胀与冻胀特性

为研究降温过程中硫酸盐渍土盐胀与冻胀的内在联系,以冻结温度作为土体盐胀与冻胀的分界点,通过改变降温过程中盐渍土的水盐含量,控制盐胀与冻胀变形相对大小,开展了一系列盐渍土冻结变形试验,分析了水盐变化过程中,土体盐胀与冻胀的变化规律。结果表明降温过程中的盐胀与冻胀存在叠加效应,即总变形与总结晶体积之间不满足正相关关系,总变形受盐胀与冻胀强弱关系的影响,满足盐胀与冻胀的均势规律,即在盐胀变形与冻胀变形相等时,盐、冻胀总变形最小,总变形与盐胀比之间满足“M”形变化规律。研究结果对深入理解盐、冻胀变形的机理,建立盐、冻胀变形计算模型,以及开展盐、冻胀变形病害防治具有积极意义。     

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。     

季节性冻土区引水暗渠的临界埋深数值分析

在季节性冻土地区,输水暗渠受低温作用,不但引起混凝土结构的冻胀破坏,还将影响暗渠内的引水水体温度,导致水体结冰及暗渠阻塞.因此,需要对季节性冻土地区的暗渠结构在不同埋深情况下的温度场进行数值计算,确定其临界埋深.通过瞬态温度场的导热微分方程,采用迦辽金法推导出温度场的二维有限元公式,根据甘肃引洮工程的工程地质勘探报告及施工设计图纸,建立了暗渠数值计算模型.通过数值分析可知:埋深越大,对渠体结构的冻胀影响越小,低温季节时,地表低温对引水运行的影响也越小;通过对低温季节环境下的回归拟合分析,得出该地区季节性冻土中引水暗渠的临界埋深为3.31 m.     

聚氨酯保温板在哈达山输水干渠中的应用研究

哈达山水利枢纽工程干渠采用聚氨酯保温板作为渠道衬砌的防冻材料。由于该干渠地处严寒地区,渠床多为强冻胀土,渠道沿线地下水位高,冻胀问题非常突出。为了确保输水干渠衬砌设计的科学、可行,以及输水干渠的长期安全运行,对此进行了渠道衬砌防冻胀试验。通过对不同厚度的保温板减少冻胀破坏的效果进行研究,可以有效地减少冻胀作用对渠道刚性衬砌材料的破坏,确保衬砌的稳定,保证渠道运行安全。说明采用聚氨酯保温板防冻方法技术可靠,经济合理,可以在水利工程中进一步推广应用。     

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。     

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。     

地铁隧道局部冻结方案设计及参数分析

为了研究地铁隧道冻结工程中的冻结管形式选择和地表冻胀量控制问题,依托广州市轨道交通13号线北延线机场区间隧道冻结工程,采用了室内试验、现场实测、数值计算的方法,对保温工艺、形式和冻结孔间距、保温段长度、冻结时间对地表冻胀量的影响进行了研究。研究结果表明:冻结管采用保温材料隔热方式可有效实现局部冻结,但施工时保温材料需进行防水处理,防止因地下水进入保温材料造成导热系数增加;地表冻胀量与保温长度呈线性反比关系,且随孔间距的增大比例系数逐步减小,随冻结时间延长增大。根据实测数据、计算得到了适用于本工程工况的冻胀量预测公式;结合工程现场条件,分析了制冷能耗和冻胀量与孔间距的关系,提出了在保证地表冻胀量的前提下,尽量减少冻结孔间距达到缩减工期、能耗的目的。     

季节性冻土区路基土体冻胀影响因素灰色关联分析

以整治青藏铁路环青海湖段季节性冻土区路基冻害为背景,通过现场采集典型分布的粉质黏土,考虑温度、含水率、含盐量(质量分数)、压实度四个因素,进行室内冻胀正交试验,测试了不同温度环境下路基土体的冻胀率,进行正交试验的极差分析和方差分析,建立灰色关联度分析模型,分析各因素对冻胀影响的主次关系。结果表明,正交试验分析和灰色关联度分析所得规律一致,影响冻胀因素由主到次依次为温度、含盐量、含水率和压实度,因素之间的交互作用影响较小可以忽略;温度和含盐量对冻胀影响非常显著,含水率对冻胀有显著影响,压实度和其他3个因素之间的交互作用对冻胀没有显著影响。