严寒地区地埋管换热器周围土壤冻结区域分布特征实验研究

建立了模拟严寒地区土壤热失衡状态下地源热泵冬季运行情况的实验装置,实验研究了地埋管周围土壤冻结区域的分布特征,给出了冻结相变锋面的平均移动速度。结果表明,土壤冻结区域呈不对称性分布,流体进口温度为-15℃时,埋深为350、700、1 050mm,热响应区在40~60mm段,冻结锋面的平均移动速率分别为5、5、6.67mm/h,热响应区在60~80mm段,冻结锋面的平均移动速率分别为1.54、1.82、1.82mm/h;土壤冻结在一定程度上有利于地埋管与周围土壤之间的换热,在严寒地区地源热泵的设计中应考虑土壤冻结现象。     

哈尔滨地区初冻期包气带土壤垂向水分变化特征试验与分析

在我国典型寒区哈尔滨地区,以初冻期的包气带土壤作为研究对象,在对土壤基本性质分析的基础上,利用烘干法测定不同埋深土壤含水率,试验分析得到初冻期土壤剖面含水率大致呈大—小—大的变化特点,随着土壤中水分的冻结,土壤中的水分向冻层迁移,冻层中含水率增大较明显。土壤冻结过程强烈依赖于土壤温度,由土壤垂向含水率变化曲线可见:埋深0～20cm土壤因受到外界降水、蒸发影响土壤含水率变化明显,埋深20～40cm土壤含水率较其它各层大,埋深40～80cm的含水率则趋于一致。以此为哈尔滨地区乃至寒区冬季冻结土壤的水分迁移研究提供科学依据。     

阿尔金山隧道洞口段气温与围岩冻融过程研究

季节冻土区隧道工程面临冻融不利影响,准确掌握隧道进深方向洞内气温分布与围岩体季节冻融过程对进出口保温段长度和保温材料厚度的合理设置至关重要。依托甘肃省阿尔金山公路隧道工程,开展了隧道进口段不同进深洞内气温的现场监测。在此基础上,基于考虑冰水相变的土体传热方程,利用数值模拟手段研究了不同保温层厚度条件下隧道洞口段不同进深围岩体季节冻融过程。结果表明,随进深不断增加,洞内气温年平均值逐渐增加,振幅逐渐减小,显著变化发生在洞口段300 m内。随保温层厚度增加,洞口段围岩体季节冻深呈指数函数形式减小。无保温措施条件下,距洞口5 m处季节冻深为2.51 m,相应冻结持续天数为138 d。铺设4 cm厚保温材料后,可有效保护洞口段围岩体不受季节冻融过程的显著影响。随进深增加,受洞内气温随进深增加而减小影响,围岩体冻结深度随保温层厚度的下降速率有所不同。     

含水裂隙冻融过程中冻胀力演化及影响因素研究EI北大核心CSCD

岩体冻融损伤的本质是水-冰相变过程中冻胀力驱动的既有裂隙的扩展,因而,研究裂隙中冻胀力的产生和演化过程是岩体冻融损伤研究中的核心问题,也是揭示岩体冻融损伤机制的基本前提。以含单裂隙灰岩为研究对象,监测冻融过程中裂隙内部温度变化、裂隙冰的形成过程以及裂隙内部冻胀力演化和裂隙端部冻胀变形,并分析不同变量(冻结速率、裂隙含水量(水占裂隙体积的比例)、裂隙深度)对裂隙冻胀特性的影响。试验结果表明:(1)冻融过程中裂隙内部温度变化可分6个阶段,在快速冻结阶段有明显的过冷和热弛豫现象,裂隙水由外向内冻结,形成冰壳将未冻水束缚在内;(2)裂隙内部冻胀力和冻胀变形的演化过程可分为5个阶段,阶段2为冻胀力和冻胀变形的产生与演化阶段,在此阶段冻胀力快速增长升至峰值后又迅速下降,冻胀变形演化则可分2种模式:快速增大后迅速降低和快速增大后缓慢增大;(3)不同变量条件下对裂隙水冻结过程中过冷度、热弛豫持续时间、最大冻胀力值影响最为显著,当裂隙深度较大时裂隙端部将会出现开裂现象。根据上述实验结果分析认为:冻融过程中冻胀力的产生和演化受裂隙中未冻水密封条件控制;密封条件的形成伴随着“未冻水冻结→冰壳断裂→未冻水挤出→冰壳闭合”过程的反复进行;密封条件形成后裂隙是否出现冻胀扩展取决于冻结速率、初始含水量及裂隙深度。     

地膜和秸秆覆盖对冻融期土壤硝态氮迁移与分布的影响

为了揭示地面覆盖对冻融期土壤硝态氮迁移与分布的影响,试验分别设置裸地(LD)、地膜覆盖(MD)和秸秆覆盖(JD)3种地表处理,运用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)统计分析冻融期土壤硝态氮的时空变化规律。结果表明,封冻前地表覆盖(MD和JD)显著增加了土壤剖面(0~110cm)的硝态氮质量比,土壤硝态氮的累积效果为MD>JD>LD;冻结期各处理地块均在土壤相变区(0~60cm)出现硝态氮质量比高值区,LD在土壤冻结过程中的积氮效应(特指硝态氮)最为显著,积氮范围为10~55cm,硝态氮质量比峰值达37.18mg/kg,显著高于MD和JD;消融期MD显著增加土壤剖面硝态氮质量比,最高值达42.38mg/kg。MD和JD有效抑制了冻融期相变区土壤硝态氮质量比的波动程度,其中JD硝态氮质量比的时程变幅小于MD。同时,冻融期MD与LD间硝态氮质量比均差值明显高于JD,且土体通融后,MD、JD和LD为0~60cm土壤硝态氮质量比与封冻前相比分别增加了12.23、6.84和6.57mg/kg,说明MD更有利于硝态氮累积。     

青藏直流输电工程粗粒冻土地基温度监测与分析

为分析青藏直流输电线路工程冻土地基的冻结情况及其对基础安全稳定性的影响,在青藏高原五道梁地区对装配式原型基础冻土地基进行1个冻融过程的地温监测,结合该地区气温资料,分析粗粒冻土地温随时间变化特点和沿深度分布情况。监测结果显示：地温呈周期性波动,振幅随深度增加而减小,原状和回填冻土地基上部均存在冻融状态交替的冻融活动层;监测期内基础底部冻土处于冻结状态,基础安全稳定;原状和回填冻土最大融化深度分别为3.0和3.2 m,通过建立地温估算公式,并利用地温变化幅值、均值等结果,得到原状多年冻土上限为3.1 m,与工程勘测和监测结果一致;建立冬季时高孔隙率回填冻土地基传热方程,分析地基传热性能和与孔隙率直接相关的地基中空气自然对流速度对地基回冻的影响。研究表明：冻土回填扰动加剧地温波动的振幅和增大冻土融化深度,但影响程度和范围有限;输电线路冻土装配式基础冬季施工,在冻融活动层深度内保持地基适当孔隙率,既可在冬季加速地基回冻,又可利用土体自然固结和融沉,提高压实度,从而在暖季减弱热量向地基深部扩散,有利于地基保持冻结。     

渐冻隧道演化模拟试验系统的研制及初步应用

为了揭示负年平均气温区渐冻隧道的形成机制和演化规律,以及全球变暖情况下隧道渐融的形成机制,开发渐冻隧道演化模拟试验系统。试验系统主要由隧道模型、地温控制系统、气候控制系统、数据测量和采集系统组成。该试验系统的主要创新性如下:(1)设计并研制一套渐冻隧道演化模拟试验系统,可大幅缩短全周期运行状态温度场模型试验的研究周期,将原本需要40 d的试验周期缩短至4 d;(2)设计并研制新型的气候模拟系统,可长周期稳定地模拟年平均气温、温度振幅及风速等组合条件对隧道温度场试验的影响;(3)设计并研制可以测量隧道温度场全域全周期测试系统及地温控制系统,有效解决数据测量及地温控制等方面遇到的时间和空间上的难题。通过与寒区隧道温度场演化规律典型实例的对比试验,验证该模拟试验系统的准确性和可靠性。初步试验结果表明:年平均气温为-4℃时,隧道贯通运行后其冻结圈会逐渐沿隧道纵向推进,并在横断面上向围岩深部发展,引起隧道围岩的渐冻,隧道非冻土会逐年冻结,形成渐冻隧道。试验系统填补了寒区隧道复杂条件下全周期运行状况下的温度场演化规律试验研究的空白,对促进我国寒区隧道工程前沿研究起到了积极的推动作用,可为"一带一路"工程建设及川藏铁路工程提供试验基础。     

矩形翅片热管冻结土壤的热-力耦合模拟研究

采用数值模拟的方法,研究了氨-钢矩形翅片重力热管冻结土壤的情况,并与传统氨-钢重力热管进行比较。从温度场和应力场进行了分析。以南京地区的春天作为土壤冻结的背景,即土壤的初始温度为286.32 K,气温为285.65 K。土壤采用粉质黏土,冻结深度为20.2 m。热管当量导热系数控制在4×10~5～9×10~5W/(m·K)。模拟结果显示,矩形翅片热管冻结土壤的效率高于传统热管。在冻结土壤过程中,矩形翅片热管所受的最大应力仅为传统热管0.98倍。且工况范围内,翅片发生的最大形变为0.23 mm。     

土/岩体的冻融回滞及水分迁移综合机制研究EI北大核心CSCD

为阐明土/岩体在冻融过程中产生的冻融回滞与不均匀冻胀现象,对冻融回滞与冻融水分迁移机制开展研究。首先,根据广义Clapeyron方程和Gibbs-Thomson方程,给出任意弯曲界面液相水的冻结温度方程,构建毛细管的冻结与融化模型;据此,引入抗冻性较差的“主干–旁枝型”孔隙结构,构建毛细–薄膜水的冻融回滞三角形模型;最后,通过低场核磁共振试验,验证该模型的正确性。研究表明:(1)由于冻融边界曲率差异,致使毛细压力为界面压力2倍,造成融化温度仅为冻结温度的1/2;(2)界面压力仅与边界条件有关,与冻融过程无关;(3)界面压力与理论冰压、理论吸力、迁移驱动力和表面吸附力无关,但与理论液压与净吸力成反比;(4)在界面压力作用下,净吸力在冻融过程中始终保持:P_(Suhi,1)相似文献   

木栈道冻融变形物理模拟试验研究

大连冬季最低气温可以达到-18℃，各类海岸建筑物如木栈道、栈桥、堤岸等会因冰冻产生一些工程问题。大连近海并不是全部封冻，海浪可以越过东港商务景观区护岸胸墙，并且这部分海水不能很好地排出，在低气温时结冰。预测防波堤内侧木栈道局部结冰厚度可能达20cm，木栈道因结冰向上膨胀力的作用可能会变形破坏。为探究冰的膨胀变形对木栈道结构的影响情况，对木栈道试件进行了冻胀试验、模拟拉拔破坏承载力试验和反复冻融试验。试验结果表明：只发生一次冻胀，试件无明显变形；但在反复冻融中，随着冻融次数的增加，试件的变形逐渐增大，并在第三冻融周期失稳破坏。     

冻融循环对非饱和粉质粘土SWCC及强度的影响

为研究季冻区非饱和粉质黏土在冻融条件下的土―水特征曲线及强度的变化,对季冻区非饱和粉质粘土的SWCC(土―水特征曲线)和强度进行了测量,观察了冻融循环次数及冻结负温对非饱和路基粉质黏土土―水特征曲线及强度的影响。研究表明:非饱和粉质黏土的土―水特征曲线用Gardner模型进行拟合效果良好;土―水特征曲线受冻融循环次数和冻结负温的影响较大,其强度随冻融循环次数的增加呈先减小后趋于稳定的趋势,冻融一次以后其强度降低最为明显,并且冻结负温为-10 ℃时其粘聚力损伤值最大。由基质吸力引起的累计粘聚力损伤值随冻融循环次数增加呈线性增加,随冻结负温减小成指数型增加。     

季冻区隧道过渡段二衬短周期冻融数值模拟

衬砌、围岩中的反复冻融往往伴随着开裂、剥落等风化作用,传统的防冻理论假定环境年温度正弦变化从而低估了二衬冻融次数。自主开发了一款适应低温环境的温度自动记录仪,对季冻区隧道过渡段衬砌表面温度进行了长期、高频监测。推导了适应复杂初始、边界条件的多层圆筒一维瞬态导热差分方程,通过算例验证了其计算精度。将监测数据作为边界条件代入差分方程模拟了真实衬表温度波动下隧道过渡段二衬冻融过程,并探讨了保温层铺设位置对冻融的影响。结果表明:距衬表约5 cm范围内温度波动剧烈;二衬内部每年会经历一次季节性冻结及若干次短周期冻融;在二衬与初支之间铺设保温层后,短周期冻融循环次数及季节性冻结起、止时间基本不变,而短周期冻融深度有所扩大;在二衬表面铺设保温层能使内部始终处于正温,有利于隧道防冻。     

土体冻融对水份迁移影响及微观研究

为研究冻融循环作用对土体水份迁移的影响,采用自行研制的装置进行单向冻融试验,测定并分析了冻融循环作用下土体中水分迁移变化,同时利用扫描电子显微镜(SEM)采集了不同冻融循环次数的微观图像。通过对比研究了冻结温度、冻前含水率、孔隙直径、颗粒直径及微观结构特征变化对水分迁移的影响。结果表明:(1)随着冻融循环次数的增加,土样中含水率变化规律为逐层降低-回升变为逐层降低-平稳,最后变为逐层降低;(2)随着冻融循环次数增加,孔隙直径组成发生改变,大直径孔隙减少,小直径孔隙增加。     

Natural freezing as a wastewater treatment method: E. coli inactivation capacity

Inactivation capacity of E. coli (strain ATCC 15597) in water by natural freezing was examined via two freezing methods: spray freezing and freezing in a freezer. The effect of freezing temperature (-5, -15 and -35 degrees C), storage time, freeze-thaw cycles on the survival of the test organism were investigated. In addition, the number of cells injured by the freezing process was also examined by using different growth media. The bacteria frozen at the warmer temperature (-5 degrees C) was most sensitive to storage and freeze-thaw cycles as compared to those frozen at -15 and -35 degrees C. In general, greater inactivation efficiencies were achieved under longer storage time and warmer freezing temperature conditions. Freezing and thawing caused cell injury. More cells were injured when frozen at -15 degrees C. The percentage of cells injured decreased as freeze-thaw cycles increased. The spray-freezing process was found more effective in killing the cells. On average, the log reduction rate for the spray ice with two-day storage time was about 4 log units higher than those without any storage after freezing. The results indicated that the natural freezing processes are not only cost-effective techniques for chemical and physical contaminant removal from wastewater or enhancing sludge dewaterability in cold regions but also effective in reducing E. coli concentration.     

软弱地层联络通道冻结法施工温度及位移场全程实测研究

研究软弱地层联络通道冻结法施工的冻结温度场、解冻温度场、冻胀融沉发展规律,是解决其冻胀及工后融沉预测与控制的前提。以软土隧道联络通道冻结法工程为背景,对冻结温度场、解冻温度场、地表变形、深层土体冻胀融沉及温度变化规律等进行了全程实测,对冻结壁的形成及解冻全过程进行了分析。结果表明:冻结过程温度变化规律可分为温度快速下降、降温减慢、降温速度加快、土体温度稳定、维护冻结等5个阶段。解冻期间,土体温度经历快速回升、0℃附近稳定、温度持续回升3个阶段。冻结圆柱交圈是产生迅速冻胀的临界时间点,冻胀主要发生在冻结18~45 d;联络通道解冻15 d,部分土体温度达到0℃附近,冻土进入相变阶段,因此应在15 d后开始融沉跟踪注浆;入土深度越大土体相变阶段持续时间越长,粉土融沉主要发生在解冻前2个月,其完全解冻需要100 d左右,此为跟踪注浆至少应持续时间。深部土体温度、冻胀融沉位移均随深度增大呈线性递增。实测拱顶冻结壁处最大冻胀及融沉位移分别是对应地表冻胀、融沉量的3.6倍、4.9倍。地表冻胀融沉槽为联络通道中线两侧符合拟正态分布规律,其影响范围约为隧道底部埋深的1.2倍。     

黄土高原边坡冻融病害调查及现场测试研究

通过调查及现场测试开展了黄土高原边坡冻融病害及其机理的探讨研究。根据调查结果,将黄土高原边坡冻融病害分为挡土墙的破坏、锚索支护结构冻胀病害、边坡表皮冻融剥蚀、边坡层状冻融剥落、边坡浅层滑塌,并初步探讨了病害产生的原因;现场温度场和水分场的测试结果表明:冬季随着地表温度的降低,冻结锋面向下移动,冻土层厚度增加,冻土层含水量越来越大,冻土层下方未冻土含水量明显降低,可为进一步深入研究冻融病害机理提供参考依据。     

交叠车站下穿段MJS+水平冻结温度场分析

以南京地铁7号线中胜站下穿既有10号线中胜站工程项目为研究背景,提出了富水承压含水砂层交叠车站下穿施工MJS+水平冻结新工法,通过ADINA有限元软件进行水平冻结温度场数值模拟,获得了富水砂层交叠车站下穿段人工水平冻结的冻结温度场变化规律,并对比分析了MJS加固端部采取保温措施与否的冻结温度场发展规律,研究了因MJS水化热产生的不同地层初始温度和不同季节施工对冻结温度场的影响。结果表明:随冻结时间增加,冻结锋面发展速度先快后慢,冻结40 d时,冻结区内土体温度维持在-13 ℃以下;无论是在MJS加固区的顶部、中部还是底部,距离冻结管越近,其温度下降速度越快,最终土体温度也越低;MJS加固区中地层初始温度平均每升高4.54 ℃,内部土体达到设计厚度所需时间延长1 d;夏季必须对端部采取保温措施,否则无法形成所需厚度,对端部采取保温措施后,端部冻结交圈时间减少2 d,冻结40 d时端部冻结壁厚度增加了2.6倍。相同地层初始温度和冻结设计方案下,冬季施工能有效增强端部位置的冻结效果。研究成果可指导实际工程施工,同时为国内相似地层类似工程设计、施工提供技术支撑。     

冻融循环对青藏粉砂土力学性质影响的试验研究

 为研究冻融循环作用对青藏粉砂土力学性质的影响,对不同冻融循环次数、冻结温度、围压下的粉砂进行常规静三轴剪切试验,研究冻融循环后土体的应力–应变关系曲线、静强度、弹性模量、抗剪强度参数的变化规律。试验结果表明：粉砂土的力学性质受冻融循环次数的影响较大,且在经历7～9次冻融循环后达到最小值。冻结温度对粉砂力学性质的影响较弱,且无一定规律。基于显著性分析理论,研究冻融循环次数、冻结温度、围压以及各因素间的交互作用对粉砂力学性质影响的显著性大小。分析结果表明：围压和冻融循环次数对力学性质影响的显著性较强,而冻结温度的影响较弱。同时,围压与冻融循环次数、冻结温度与冻融循环次数之间的交互作用对于粉砂的力学性质的影响均比较显著。     

冻融对AS型固化剂改良土工程特性的影响

通过室内动静三轴试验,研究了Aught Set(AS)型土壤固化剂改良土的抗冻融耐久性,分析了AS型固化剂改良土的应力应变关系、静强度、动模量和临界动应力与龄期、冻融次数以及冷却温度等影响因素的相互关系.结果表明,试样的7d无侧限抗压强度达到28 d的75％;AS型固化剂改良土的应力应变关系为应变软化型曲线,呈脆性破坏形式;其静强度、临界动应力以及动回弹模量均随冻融次数增加呈指数形式衰减,且经历6次冻融后均趋于稳定;同一动应力水平下,冻融作用使得试样的累积塑性变形由变形稳定状态向变形破坏过渡;试样在经历多次冻融循环以后,负温越低对试样的力学特性影响越小.