非饱和土水汽迁移与相变:两类“锅盖效应”的试验研究

"锅盖效应"定义为:不透水覆盖层下土体含水率大幅提高甚至饱和。最新的理论研究将"锅盖效应"分为两类,第一类由非饱和土内水气冷凝引起,第二类是冻结条件下由气态水迁移引起。为试验验证两类"锅盖效应",研究其内在机理,利用新研制的非饱和冻土水汽迁移试验仪,对不同初始含水率的试样开展不同温度条件的水汽迁移试验。试验结果表明:冻结和未冻结两种状态均能使钙质砂试样顶部含水率增加,但冻结状态下的增加幅度显著。冻结状态下,含水率峰值位置与冻结锋面大致相同,且初始含水率越大,试样顶部和冻结锋面处的含水率增加越显著,降温速率越小,气态水迁移越显著;初始含水率增加也能使未冻结状态下的钙质砂试样顶部含水率增加,并且温度梯度对气态水迁移有一定的抑制作用,温度梯度越小,抑制作用越明显。试验结果很好地验证了两类"锅盖效应"的理论。     

非饱和土水气迁移与相变:两类“锅盖效应”的发生机理及数值再现

结合非饱和土水气迁移的物理过程和内在机理,将"锅盖效应"分为两种情形。第一类"锅盖效应"定义为非饱和土水气的冷凝过程,而第二类"锅盖效应"定义为水气迁移成冰过程。相较于前者,第二类"锅盖效应"会造成覆盖层下土体含水率大幅度提高,且现有非饱和土水热气迁移理论无法给出合理解释。综合考虑水分的蒸发、冷凝和冻结3个相变过程,建立了非饱和冻土水热气耦合迁移的数学模型,并通过数值模拟求解,再现了第二类"锅盖效应"的形成过程。另外计算结果表明:温度梯度下的气态水迁移并成冰会造成覆盖层下土体接近饱和含水率;一定表层深度范围内,土体含水率增加存在两个陡升段。由于现行工程设计很少考虑防气隔气,在寒旱地区进行工程建设需对第二类"锅盖效应"引起足够重视。     

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。     

非饱和土水汽迁移与相变：两类“锅盖效应”的试验研究

“锅盖效应”定义为：不透水覆盖层下土体含水率大幅提高甚至饱和。最新的理论研究将“锅盖效应”分为两类,第一类由非饱和土内水气冷凝引起,第二类是冻结条件下由气态水迁移引起。为试验验证两类“锅盖效应”,研究其内在机理,利用新研制的非饱和冻土水汽迁移试验仪,对不同初始含水率的试样开展不同温度条件的水汽迁移试验。试验结果表明：冻结和未冻结两种状态均能使钙质砂试样顶部含水率增加,但冻结状态下的增加幅度显著。冻结状态下,含水率峰值位置与冻结锋面大致相同,且初始含水率越大,试样顶部和冻结锋面处的含水率增加越显著,降温速率越小,气态水迁移越显著;初始含水率增加也能使未冻结状态下的钙质砂试样顶部含水率增加,并且温度梯度对气态水迁移有一定的抑制作用,温度梯度越小,抑制作用越明显。试验结果很好地验证了两类“锅盖效应”的理论。     

非饱和土水气迁移与相变：两类“锅盖效应”的发生机理及数值再现

结合非饱和土水气迁移的物理过程和内在机理,将“锅盖效应”分为两种情形。第一类“锅盖效应”定义为非饱和土水气的冷凝过程,而第二类“锅盖效应”定义为水气迁移成冰过程。相较于前者,第二类“锅盖效应”会造成覆盖层下土体含水率大幅度提高,且现有非饱和土水热气迁移理论无法给出合理解释。综合考虑水分的蒸发、冷凝和冻结3个相变过程,建立了非饱和冻土水热气耦合迁移的数学模型,并通过数值模拟求解,再现了第二类“锅盖效应”的形成过程。另外计算结果表明：温度梯度下的气态水迁移并成冰会造成覆盖层下土体接近饱和含水率;一定表层深度范围内,土体含水率增加存在两个陡升段。由于现行工程设计很少考虑防气隔气,在寒旱地区进行工程建设需对第二类“锅盖效应”引起足够重视。     

锅盖效应的形成机制及其防治

"锅盖效应"是指非饱和土中由于上覆结构密闭导致水分不能排出而引起的浅层土体含水率增加的现象。干旱、半干旱寒冷地区地下水位低,毛细作用向上输水范围有限,几乎不能直接补充土体浅层水分。故认为"锅盖效应"水分主要来源于温差驱动迁移而来的气态水在浅层土体中形成的冷凝或冷冻水。通过对冷凝或冷冻条件下"锅盖效应"的室内试验,结合试验数据对"锅盖效应"进行分析,提出相应的灾害防治方法。结合"锅盖效应"的形成机理,分析哈大高铁冻胀问题并给出了相应的建议。     

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。     

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。     

改性钠羧甲基纤维素加固土冻融性能及损伤机制研究

以改性钠羧甲基纤维素加固土法在季冻区边坡水土流失的治理和应用推广为研究背景,基于室内试验,研究冻融循环次数和冻融低温温度对加固黄土和粉砂土体积、抗剪强度、渗透系数和耐久性的影响规律及加固土颗粒及结构在冻融循环过程中的变化。发现在反复冻融循环过程中,加固黄土和粉砂土的体积和渗透系数随循环次数增加而增大,抗剪强度和耐久性随冻融次数的增加而减小;加固黄土和粉砂土12次冻融循环后试样冻胀体积和抗剪强度随冻结温度降低而减小,渗透系数随温度降低而增大,耐久性随温度降低而减小,但减小幅度随温度降低越来越小;加固黄土作为相对细的土冻胀变形更显著,渗透系数变化更明显,而加固粉砂土作为相对粗的土颗粒间胶结作用更弱,黏聚力变化更显著,两者耐久性受冻融循环影响变化规律相似;M-CMC与颗粒间的包裹吸附胶结增强了土壤结构稳定性,使得黄土和粉砂土随水融次数增加试样含水率不断提高,试样体内液态水凝结成冰晶体时的冻胀作用增强,这是加固土团聚粒发生塑性变形甚至断裂变形的主要原因,导致加固土结构损伤劣化,改良性能受到影响;与此同时,由于M-CMC材料的延展性,使得材料与颗粒间胶结具有"弹性"减缓了冻胀损伤,提高加固土的冻融耐久性。     

冻结作用下复合填料水分迁移与冻胀特性研究

在补水条件下,对4种聚苯乙烯(EPS)颗粒掺量的复合填料试样施加3种冷端温度(-5,-10,-15℃)冻结,开展水分迁移及冻胀特性测试与分析.研究了冻结作用下复合填料温度分布特征、水分迁移规律和冻胀变形特性,基于温度场和水分场的相关性分析了复合填料抗冻胀破坏机理.结果表明,一定程度地增加EPS颗粒含量,会使复合填料冻结温度与热阻提高,温度传导、冻结锋面移动速率以及冻结深度递减,已冻区含水率增量变小,冻结锋面和未冻区含水率增量变大,冻胀量减少,有助于缓解冻胀破坏.TIF颗粒掺量为0.5%～1.0%(质量分数)时,复合填料抗冻胀性能较好.抗冻胀机制与EPS颗粒的隔热、阻水和吸纳作用有关.     

低温饱和岩石未冻水含量与冻胀变形模型研究

 寒区岩石在季节性温度变化下会经历冻胀融缩过程,研究低温岩石中未冻水含量以及冻胀变形规律是进行寒区工程数值仿真和稳定性分析的关键问题。岩石是不同于土体的脆性多孔介质材料,孔隙中的未冻水含量还无法通过实验直接测量;基于累计孔隙体积分布规律,考虑孔隙水的冻结点变化和未冻水膜的影响建立低温岩石未冻水含量理论表达式,实例证明该计算式具有较高的可靠度。假定岩石为弹性孔隙介质,基于孔隙冰与岩石孔隙间的膨胀耦合关系可计算冰压力;利用应变等价原理将孔隙中的冰压力等效为岩石表面的三向拉应力,从而根据弹性理论建立了有效冻胀力下低温饱和岩石冻胀变形模型。结果表明饱和岩石低温冻胀变形与岩石基质的力学参数、岩石孔隙率以及未冻水含量等因素有关。最后通过与2个已有的室内冻胀变形实验对比,说明本文冻胀变形模型的正确性以及实用性。     

土体冻胀敏感性评价

 假定冻胀是由冻土内冰透镜体的生长引起的;冰透镜体的生长由热力学Clapeyron方程控制,并且依赖于已冻结区与未冻结区之间冻结缘是否存在。未冻水和冰共存于冻结缘的孔隙中;冰水交界面处的吸力使水产生流动,并为冰透镜体的生长补给水分。同时,通过定义1个新的简单的“有效应力”的概念,来判断是否会萌生新的冰透镜体,并提出1个简单的冻胀模型。该模型仅通过几个简单的土的参数,就可以计算土体冻胀量及冻结深度。在此基础上,利用所建立的模型对不同土的冻胀敏感性进行分析。土的冻胀敏感性必须结合环境条件来评估,如上覆压力、温度梯度、降温速率及地下水位埋深等;而某些土在传统的分类中属于弱冻胀土,但在一定环境条件下,仍会产生显著的冻胀量或冻胀压力。     

人工冻结粉土未冻水含量测试试验研究

未冻水含量测试是冻土科学研究中的一个重点和难点问题。为测定粉土中未冻水含量,将小体积土样冻透后,放置在温度恒定的空气中,依靠自然对流加热融化,记录其中心温度–时间变化曲线。根据牛顿冷却定律,建立一个反映冻土温度随时间变化的计算模型,应用该模型拟合温度–时间曲线的融土部分,得到融土与空气表面的对流传热系数;拟合温度–时间曲线的相变部分,确定某地区的粉土冻结点。根据冰的质量和相变过程吸收热量的关系,建立冻透状态下未冻水含量的计算模型及测试方法。应用该方法进行粉土未冻水含量测试,结果表明,该粉土冻结至－4 ℃时未冻水含量在3.75%左右。反演土样融化过程的理论计算温度与实测值吻合较好,表明了提出的理论模型及测试方法的可行性。     

Coupled thermo-hydro-mechanical modeling of frost heave and water migration during artificial freezing of soils for mineshaft sinking

Artificial freezing of water-bearing soil layers composing a sedimentary deposit can induce frost heave and water migration that affect the natural stress–strain state of the soil layers and freezing process. In the present paper, a thermo-hydro-mechanical (THM) model for freezing of water-saturated soil is proposed to study the effects of frost heave and water migration in frozen soils on the formation of a frozen wall and subsequent excavation activity for sinking a vertical shaft. The governing equations of the model are formulated relative to porosity, temperature, and displacement which are considered as primary variables. The relationship between temperature, pore water, and ice pressure in frozen soil is established by the Clausius–Clapeyron equation, whereas the interaction between the stress–strain behavior and changes in porosity and pore pressure is described with the poromechanics theory. Moreover, constitutive relations for additional mechanical deformation are incorporated to describe volumetric expansion of soil during freezing as well as creep strain of soil in the frozen state. The ability of the proposed model to capture the frost heave of frozen soil is demonstrated by a comparison between numerical results and experimental data given by a one-sided freezing test. Also to validate the model in other freezing conditions, a radial freezing experiment is performed. After the validation procedure, the model is applied to numerical simulation of artificial freezing of silt and sand layers for shaft sinking at Petrikov potash mine in Belarus. Comparison of calculated temperature with thermal monitoring data during active freezing stage is presented. Numerical analysis of deformation of unsupported sidewall of a shaft inside the frozen wall is conducted to account for the change in natural stress–strain state of soil layers induced by artificial freezing.     

冻土超声波波速与冻土物理力学性质试验研究

超声波在介质中的传播速度反映了介质的物理力学性质．运用UVM-2型声速测定仪，测定不同密度的冻结砂土、冻结黄土和冻结粘土在不同温度下的超声波波速(纵波波速和横波波速)。对比分析不同土质的冻土，在温度和密度变化时超声波波速的变化，得出以下结论：土质颗粒的大小及组成成分在土冻结且在温度继续下降的过程中，通过影响结合水含量的变化而影响未冻水含量的变化．从而进一步影响冻土中的超声波传播速度．所以，可以在超声波波速与温度变化和未冻水含量与温度变化的基础上，建立超声波波速与未冻水含量的关系，通过测定超声波波速来量测冻土未冻水含量．密度的变化也影响着冻土纵、横波波速的变化，且冻结黄土的波速受密度变化影响较大，而冻结粘土则较小。冻土土质类型不同．透过它们的纵波波速和横波波速的变化范围也不同，可以通过对比表示压缩和剪切相对幅值的纵横波速比比值，来判定此冻土的土质类型，一般冻结粘土为1．07，冻结黄土为2．15，冻结砂土为0．7。根据弹性理论，泊松比与波速比有关，所以可以直接测量冻土的波速比研究冻土的强度及变形性能．     

饱和土水热耦合分离冰冻胀模型研究

针对饱和土一维冻结过程中的冻胀发展过程,在已有的描述透镜体生长过程的水热耦合模型的基础上,建立了水热耦合分离冰冻胀模型。利用固体表面水膜的热力学理论分析了冻土中未冻水膜在相界面上的平均分离压力,指出当该压力大于土层破坏的临界压力时,冰透镜体产生;以活动透镜体底端将土柱划分为主动区与被动区,主动区过程采用透镜体生长的水热耦合模型描述,而被动区为近似导热过程,由此建立了完整冻胀模型;提出了透镜体的分离冰生长方式,并与刚性冰生长方式进行了对比,阐述了本文模型与已有的各类模型之间的联系。采用有限容积法对模型进行了数值计算,与Konrad的3组试验进行了对比,结果表明模型很好地反应了土体冻结过程中温度场及冻胀的发展过程。     

单向冻结时开放条件下饱和砂岩冻胀试验及THM耦合冻胀模型

为研究寒区岩石在梯度温度场中补水条件下的冻胀变形规律,进行了单向冻结时开放条件下饱和砂岩冻胀试验。试验结果表明,单向冻结时开放条件下饱和岩石冻胀过程中,沿冻结方向的冻胀位移变化过程可分为冷缩阶段、原位冻胀阶段、分凝冻胀阶段3个阶段。分凝冻胀阶段冻结锋面趋于稳定,冻胀变形持续增长,与时间基本呈线性关系。此外,分凝冻胀阶段补水量换算的迁移水分凝冻胀位移与冻结方向冻胀位移比较接近。随着平均温度梯度增大,分凝冻胀变形速率增大,且分凝冰位置与平均温度梯度线性相关。然后,建立了考虑孔隙水原位冻胀与迁移水分凝冻胀的THM耦合冻胀模型。模型中,孔隙水原位冻胀计算基于未冻水含量,并引入约束系数表征岩石骨架对孔隙水冻胀约束程度;迁移水分凝冻胀计算基于分凝势理论,水分迁移速率与冻结缘处的温度梯度成正比。模型计算结果与试验结果对比表明,建立的THM耦合冻胀模型能够比较准确地计算单向冻结时开放条件下饱和岩石冻胀位移,并能够模拟出分凝冻胀时分凝冰层引起的位移突变及分凝冰位置,可用于寒区冻胀敏感性岩石开放条件下冻胀变形计算。