基于近红外光谱技术的冻土未冻水含量分析研究

简述了冻土的含义,对引入近红外光谱技术对冻土中的未冻水含量进行测量的方法作了介绍,并与传统测定方法进行了对比试验,结果表明近红外光谱技术可以准确的测量出冻土中的未冻水含量,冻土中的未冻水含量在-10℃时与初始含水量关系不大,都趋于同一数值。     

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。     

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。     

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。     

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。     

未冻水仓影响深厚冻结壁安全的探讨

指出随着表土层厚度的逐渐增大,冻结法凿井工程中多圈冻结管设计越来越多,多圈冻结工程中,极有可能在两排冻结管交圈以后两者之间形成未冻土夹层,在适宜的工程地质条件下,甚至有可能形成密闭的水仓,这是冻结工程的重大安全隐患,针对这个问题,探讨了形成密闭水仓的可能条件、危害及施工处理对策,以期为深厚表土层冻结法凿井工程提供指导。     

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。     

冲击速度对冻土冲击韧度的影响

为研究不同冲击速度条件下冻土冲击韧度的变化特性，以及冻土在高应变速率下的强度特性，采用传统冲击试验机对冻结兰州黄土、兰州中砂和纯冰进行了不同冲击速度、不同温度条件下有缺口冲击试验研究。试验结果发现裂纹在试样中扩展所需能量随速度的增加而增加，并与试验样品种类密切相关。随着温度降低和锤速的增加，试样冲击韧度的敏感性也随之加大，试验范围内锤速产生的影响要远大于温度产生的影响     

线热源法测量冻土热参数的适用性分析

提出了应用线热源法测量冻土热参数存在的问题,冻土中未冻水含量随温度的变化是导致线热源法测量误差产生的根本原因。对二维无限大——点热源热传导方程进行简化得到一维中心对称——热流边界热传导方程。采用双针法对不同温度的环刀土样进行了测试并对冻土传热过程进行数值试算,反演得到不同温度的相变热容和未冻水含量。结果表明:当温度大于-0.7℃时,相变热容值远远大于冻土体积热容并且随温度急剧变化,线热源法测量的结果严重失真;当温度介于-0.7~-4℃时,线热源法测量结果仍有较大的误差;当温度低于-4℃时,相变热容值很小且比较稳定,线热源法测量的热参数能满足一定的精度要求。     

冻土未冻水含量与电导率的关系研究

冻土中未冻水与冰含量的确定是困扰寒区岩土工程研究的难题之一.通过对冻土的电导率进行测试,研究冻土电导率对含水率和温度的响应规律.试验结果表明,正温下电导率与温度的关系不能直接应用于负温条件,传统简单等效的方法会导致较大误差.基于冻土的导电理论建立冻土未冻水含量的电导率模型,实现了土体电导率模型在正温和负温区间的统一.分...     

Hysteresis in the ultrasonic parameters of saturated sandstone during freezing and thawing and correlations with unfrozen water content

Determining the mechanical properties of frozen rock is highly important in cold-area engineering.These properties are essentially correlated with the content of liquid water remaining in frozen rock.Therefore, accurate determination of unfrozen water content could allow rapid evaluation of mechanical properties of frozen rock. This paper investigates the hysteresis characteristics of ultrasonic waves applied to sandstone(in terms of the parameters of P-wave velocity, amplitude, dominant frequency and quality factor Q) and their relationships with unfrozen water content during the freeze-thaw process.Their correlations are analysed in terms of their potential for use as indicators of freezing state and unfrozen water content. The results show that:(1) During a freeze-thaw cycle, the ultrasonic parameters and unfrozen water content of sandstone have significant hysteresis with changes in temperature.(2)There are three clear stages of change during freezing: supercooled stage(0℃ to -2℃), rapid freezing stage(-2℃ to -3℃), and stable freezing stage(-3℃ to -20℃). The changes in unfrozen water content and ultrasonic parameters with freezing temperature are inverse.(3) During a single freeze-thaw cycle, the ultrasonic parameters of sandstone are significantly correlated with its unfrozen water content,and this correlation is affected by the pore structure. For sandstones with mesopores greater than 50%,there are inflection points in the curves of ultrasonic parameters vs. unfrozen water content at -3℃ during freezing and at -1℃ during thawing. It was found that thermal deformation of the mineral-grain skeleton and variations in the phase composition of pore water change the propagation path of ultrasonic waves. The inflection point in the curve of dominant frequency vs. temperature clearly marks the end of the rapid freezing stage of pore water, in which more than 70% of the pore water freezes. Consequently,the dominant frequency can be used as an index to conveniently estimate the unfrozen water content of frozen rock and, hence, its mechanical properties.     

含水率和含盐量对冻土无侧限抗压强度影响的试验研究

为了探索冻土的力学性质,开展了不同含水率、不同Na₂SO₄含量条件下冻结低液限黏土的无侧限抗压强度试验,探讨了含水率、Na₂SO₄含量对冻土应力应变特性、强度与破坏类型的影响,以及冻土无侧限抗压强度与上述两影响因素之间的关系。试验结果表明：随着含水率的升高,冻土逐渐表现出塑性;Na₂SO₄含量越高,脆性破坏特性越显著。冻土强度随含水率和Na₂SO₄含量的升高先增加,达到最大强度后迅速降低,最大强度对应的含水率为17.5%。含水率为13.5%时,最大强度对应的Na₂SO₄含量为4.4%,含水率为15.5%与17.5%时,最大强度对应的Na₂SO₄含量为5.8%。     

Effect of chemical composition of soils on the strength and deformability of frozen saline soils

The possibility of deriving a generalized relationship between strength characteristics of frozen saline soils and homological temperature is established. An equation for determination of the freezing point of saline soils is obtained on the basis of the Rayleigh-Van't Hoff law and confirmed experimentally. Translated from Osnovaniya, Fundamenty i Mekhanika Gruntov, No. 6, pp. 18–22, November–December, 1994.     

冻土中气态水迁移及其对土体含水率的影响分析

现有文献几乎尚未系统分析冻结条件下气态水对不同土性含水率的影响。基于热力学平衡理论及水热耦合理论,提出了未冻水含量和冰体积分数的计算方法,建立起新的耦合模型。该模型中最大未冻水含量和冰体积分数仅与水力参数和温度有关,具有明确的物理意义,与砂壤土的冻结试验结果对比也验证了新模型。模型分析结果表明:冻结条件下的气态水迁移主要受温度势而非基质势的作用,粉土和砂土中的气态水迁移是不能忽略的,而黏土中几乎没有气态水迁移;初始体积含水率、冻结温度、冻结时间及地下水位高度等都会对气态水的迁移有影响。总的来说,气态水对于粉土等冻胀敏感性土,即使较小的水分增加仍然能够产生显著冻胀,因此实际工程必须重视气态水的作用。本文分析加深了对"锅盖效应"的理解,也验证了"锅盖效应"通常发生在覆盖层下的粉土区域,而非砂土或黏土。