冻结管引起的周围土体温度场演变规律及参数化分析

针对稳定线性冷源热传导问题,为研究人工冻结法冻结管周围土体温度场的瞬态变化,基于冻结锋面将土体分为冻结区及降温区,构建相应人工冻结相变温度场模型,并采用变量替换法得到冻结温度场解析解,利用指数积分函数解析式表达了冻结区和未冻结区的温度场分布。将理论解析计算结果与冻结槽试验结果进行比对,验证了理论封闭解的有效可靠性,并进一步通过参数化分析了与土体传热介质冻结温度场演变规律有关的初始温度、冻结温度、冻结温差、结冰潜热、盐水温度和冻结管吸热系数等影响因素的敏感性。结果表明:冻结锋面半径与冻结时间存在着平方根关系,冻结温度场呈对数型函数分布,且曲线曲率随冻结时间的增加而逐渐减小;土体初始温度、冻结温度、结冰潜能和盐水温度与冻结锋面半径均呈负相关,冻结管吸热系数与冻结锋面半径呈正相关;土体冻结温差、土体结冰潜能和冻结管吸热系数与土体冻结锋面半径的发展均呈现近似线性关系,传热介质初始温度和盐水温度对冻结锋面半径随冻结时间变化的对数型曲线曲率影响最大,结冰潜热和冻结管吸热系数次之,冻结温度最小。研究成果对认识稳定线性冷源作用下冻结管周围不良地基土温度场演变规律和进一步形成规范及指导冻结法施工技术具有重要意义。     

水盐运移对硫酸盐渍土盐-冻胀规律的影响

为研究水盐运移情况下硫酸盐渍土盐-冻胀规律,采用室内土柱冻融试验,利用teros-12传感器及位移计测定冻融循环过程中土体含水率、电导率、温度和位移的变化,分析了水盐运移规律及其对土体盐-冻胀变形的影响。试验结果表明:在自上而下的冻结方式中,土体底部水分向冻结锋面移动,带动盐分向上聚积,同时土体体积含水率和电导率随温度的升降循环存在明显“滞回”现象。冻结阶段土体发生膨胀,竖向变形可分为3个阶段:①调整阶段,由生成芒硝引起;②快速变形阶段,由生成芒硝与冰晶共同作用所致;③缓慢变形阶段,由生成少量冰晶所致。融化阶段土体竖向变形以一定融陷速率发生快速融沉。含硫酸钠盐渍土冻融循环过程中,竖向变形随时间的变化关系呈现“桃尖型”趋势,且每次冻融土体竖向变形速率基本一致。随冻融次数的增加,盐-冻胀率也不断增加。土体含盐量越高对土体竖向变形的影响越显著。本研究可为揭示含硫酸盐渍土盐分和水分随温度变化的“滞回”现象以及水-盐-热-力耦合模型的建立提供数据支撑。     

土体冻融循环过程剪切波速变化规律研究

由于冻土具有保持地层稳定,隔绝地下水等优点,冻法施工目前已经成为工程中的重要研究方向。本文利用弯曲元系统,开展了冻融土的剪切波试验,详细分析了干密度、含水率、温度对冻融土的剪切波速的影响状况,试验表明:冻结与融化过程中重塑砂土的剪切波速随温度的变化主要分为三个阶段,在同一温度测点,冻结时的剪切波速明显大于融化时的剪切波速。该项研究为实际工程应用,动力基础设计、地震场地响应分析和土体变形预测等岩土工程分析提供了参考。     

寒区不同材质垂直埋管土壤冻结深度测量差异性分析

寒区土壤冻结深度的观测以往多采用丹尼林冻土器进行人工测量,由于受到天气、地形、低温和人为等因素的影响,往往难以开展。现多采用垂直埋管的方式对地温温度场进行测量,间接确定土壤冻结深度。本文以4种常用管材(铁管、PVC管、PMMA管、PPR管)为研究对象,分析了不同材质的垂直埋管对地温和冻结深度变化测量的差异性,得到如下结果:(1)冻融周期内,铁管、PVC管、PMMA管、PPR管测得的地温温度场有阶段性差异,土壤冻结前期和融化期差异较小,冻结稳定时期差异明显扩大,40~120 cm土层出现持续稳定差异,直接导致各管计算冻融深度的差异。(2)计算各管冻融深度过程中,冻结期采用线性内插冻融层面间起始冻结温度获得冻结锋面变化,融化期通过内插和线性外延土层温度场确定上下融化锋面变化,相比于传统内插温度场计算得到冻融深度变化的方法,能够更为真实地反映了土壤的冻结状况。(3)利用上述方法对4种不同材质管材的温度场测量结果进行插值分析,并将各管计算冻结融化深度与实际状况进行比较,得出保温材料插值计算冻深值偏小,冻融周期减少8~13 d,利用铁管温度场计算冻深值平均偏大约7.5 cm,但较保温材料能够更为精确反映土壤的冻结融化过程。(4)利用Stephen经验公式计算了试验场区冻融状况,绘制了计算冻融过程线,整个冻融过程结果与校正后人工观测结果基本吻合。     

冻融循环过程中渠道土质边坡水分场变化特征的试验研究

以辽宁省灯塔灌区总干渠为工程背景,利用低温环境模拟试验箱内的边坡模型试验,分析冻融循环对土质边坡的水分场的影响。结果表明:边坡表层的水分与气温有比较明显的关联,这种变化会随着深度的增加而减小,同时还呈现出愈加明显的滞后效应;在冻结过程中,受到温度势的影响,土壤水分表现为向冻结锋面迁移;在融化过程中,土壤水分则表现为向土体表面迁移。因此,经过多次冻融循环之后,土体水分场的分布呈现出趋向均衡的态势。结果对相关理论研究和工程实践具有重要的借鉴价值。     

多年冻土地区冻融循环下路基变形规律研究

为研究多年冻土地区路基在冻融循环下的变形规律,考虑水的相变作用,对路基非稳态温度控 制方程、应力－变形基本方程和温度－应力耦合方程进行了推导,并以祁连山中高山区山前斜坡地带某 段多年冻土路基为例,建立数值模型,进行路基多场模拟计算,结果表明:融化和冻结温度场变化是由于 外界温度变化引起的,冻结温度场呈上凸形态;路基坡脚和路肩对外界温度变化极为敏感,且阴阳坡存 在温度差异,路肩两侧产生ｘ方向的冻胀力,在坡脚因冻胀力的差异产生ｙ方向的应力,应力的差异使 得土体内部产生剪切力,导致坡脚和路肩出现纵向裂缝;受外界温度的变化、重力的作用和温度梯度力 的影响,路基含水率发生变化,融化状态、冻结状态的路肩总位移随时间缓慢增加。     

补水条件下路基土体冻结过程中的温湿度分布研究

季节冻土区路基土中的水热迁移往往导致道路病害。为进一步研究季节冻土区路基土体在冻结过程中温度和水分的变化规律,建立开放系统条件下的土体水－热耦合理论模型,然后利用有限元软件进行求解,并借助补水条件下的单向冻结试验对模型的准确性进行验证。结果表明:土体冻结期间,沿试样高度方向的温度分布呈现由非线性分布向线性分布过渡趋势,未冻区水分在温度梯度作用下向冻结区迁移,并在冻结锋面处含水率发生突变;建立的开放系统条件下的土体水－热耦合理论模型能够较好地预测土体冻结过程中的温度和水分变化。     

季节冻土区渠道水分迁移规律及冻胀特性试验研究

为了量化渠基土体中的水分在冻融过程中的迁移及其分布规律,揭示渠基土体的微观冻胀特性,选取渠基土体不同部位的原状土样,进行冻融试验,采用CT扫描技术,监测研究渠基土样冻融过程中的水分迁移及其孔隙水分布规律,进一步探究渠基土体的微观冻胀特性。结果表明:冻融过程中土样深度16～18 cm处的含水率较高,产生了水分积聚。冻结过程中,土体的微观孔隙结构发生了明显变化,同时发生了裂缝的张开和闭合。在融化阶段,由于冻结水快速融化,土体发生融沉,最大融沉量为6.78 mm。研究成果揭示了渠基土体单向冻融过程中的水分迁移规律、孔隙水的分布状态及其冻胀微观特性,为季节冻土区输水渠道的抗冻胀设计提供了理论基础。     

渠道下卧土-混凝土衬砌冻结接触面直剪试验研究

为研究渠道下卧土-混凝土衬砌冻结接触面抗剪强度及其随主要影响因素的变化规律,采用直剪仪开展了不同含水率、冻结温度、法向应力及冻结时间条件下渠道下卧土-混凝土衬砌冻结接触面直剪试验研究。结果表明:剪切的初始阶段,接触面存在局部剪应力释放现象,释放量大小受土体含水率、法向应力、冻结时间因素影响,但不受冻结温度的影响;在本试验参数范围内,接触面峰值抗剪强度随着土体含水率、法向应力、冻结时间的增加而增大,随冻结温度的降低而增大;接触面的抗剪强度实质上是冻土中的冰晶与混凝土衬砌接触面之间的胶结力,以及土体与混凝土衬砌接触面之间的黏聚力与摩擦力;峰值抗剪强度大小主要受胶结力影响;黏聚力和摩擦力主要受法向应力、冻结时间的影响。     

地下水含盐量对人工冻结效果影响分析

目前对于人工冻结法的研究主要集中在地下水渗流对冻结效果的影响,未考虑地下水含盐量的影响,对地下水含盐量对冻结效果的影响机制认识不深入。含盐量将会影响地下水的热力学性质,在近海地层和海底进行临时地层冻结加固时,高含盐量地下水将会影响地层冻结效果。基于热流耦合模型,采用COMSOL多场耦合分析软件对双管冻结条件下高含盐量地下水冻结机理展开研究,重点分析冻结温度场、冻结交圈、冻结管间距对冻结效果的影响。研究表明:当地下水含盐量高于4%时,下游的冻结范围受地下水含盐量增加的影响较大。随着地下水含盐量的增加,冻结前期用时较长,积极冻结阶段用时逐渐缩短;当冻结壁完全交圈并冻结完全时,冻结壁中心位置处温度随地下水含盐量的提高而有所升高;冻结管间距的增加将会放大地下水含盐量对冻结的影响。     

温度效应下的冻结砂土经验蠕变模型分析

为保证地下工程土体在开挖过程中的稳定性和安全性,通常利用人工冻结法建立临时冻结壁,探究在低温条件下周围土体的强度特性、蠕变变形规律等物理力学行为至关重要。在冻结砂土单轴抗压强度试验基础上,对其进行不同温度以及加载应力下的单轴压缩蠕变试验,并进行影响因素分析。引入S-M经验蠕变模型,考虑温度和加载应力的影响,对模型参数进行识别,得到改进的冻结砂土S-M经验蠕变模型。西北地区的砂土单轴压缩蠕变试验结果表明,该模型能较好地预测冻结砂土衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段的变形值,为人工冻结法更好地应用于实际工程提供一种理论支撑。     

季节冻结深度自动监测技术试验

通过测试土样初始冻结温度,建立野外现场温度自动化远程实时监测系统,利用初始冻结温度等温线深度代替冻结锋面,计算季节冻土层厚度,为冻土学冻结深度观测自动化提供依据。试验结果表明:冻结过程相关系数为0.97,融化过程相关系数为0.98,整个冻融过程相关系数为0.98;用温度场冻结点等温线观测冻深的方案是可行的,可以实现冻融过程自动化实时监测,且观测精度较高。     

高寒地区河道堤防土体材料冻融特性影响因素及冻融强度试验研究

针对某高寒地区内陆河堤防工程土体材料,借助土体渗透测试仪与GDS三轴试验机,设计开展冻融试验与三轴强度测试试验,获得了土体冻融特性与冻融强度特征。研究表明冻融试验中温度随时间变化为“U”型,孔隙系统状态对温度传递影响较弱,在封闭或开放系统中土层冻胀高度均为45cm;开放系统中,冻胀高度以下土层含水量相比封闭式系统有所增大,高度105cm处增大幅度约为16.7%。分析得出低温温度影响土层冻胀高度线,温度-28℃下位于60cm,升温时间亦有所滞后;初始含水量增大,冻胀高度线不变,但冻胀高度线以上土层温度下降持续时长延长。含水量、低温槽冻结温度均与峰值应力呈正相关,其他参数相同下含水量12%峰值偏应力相比含水量8%增长了9.5%,冻结温度-10℃峰值偏应力相比-3℃增大了80.4%,冻结温度增大会促进土体变形趋于脆性特征;含水量增大,会提高抗剪参数值。论文为高寒地区堤防工程中土体材料的冻融特性及强度特征研究提供一定参考。     

季节性冻融土壤入渗参数的多元线性预报模型

以土壤水动力学、冻土物理学、统计学等理论为基础,研究新疆典型干旱区细土平原与沙漠交错带的冻融土壤水热迁移规律,分析不同深度土层在冻结期、融化期的水热变化特征,探明研究区冻融土壤的水分入渗规律及影响因素,以期建立季节性冻融土壤入渗参数的多元线性预报模型。结果表明:土壤冻结融化过程中,深层土壤的液态含水率在冻融过程中基本不随环境温度升降发生变化,各层土壤的液态含水率、温度均与环境温度的变化趋势基本保持一致;冻结期相比融化期在初期短时间内渗入水量较大,达到稳定入渗所需要的时间较短;从冻结期到融化期,随着土壤中冻结水含量减少,未冻水含量增加,土壤的饱和导水率随之变大;土壤入渗能力主要与环境温度、土壤温度、土壤含水率等因素有关,并得出研究区冻融土壤的入渗能力预报模型。     

单向冻结条件下硫酸钠盐渍土的冻结温度试验研究

硫酸钠盐渍土具有明显的随季节温度变化而发生土体结构改变的特性，给工程造成较大危害。为了研究单向冻结条件下硫酸钠盐渍土的冻结温度特性，在室内配制初始含水率分别为15%、17%、19%、21%,含盐量分别为0%、1%、2%、3%、5%的硫酸盐渍土试样，采用可控温冰柜进行单向冻结试验。结果表明：(1)同一土体，不同位置处冻结温度相同，但达到冻结温度所需时间存在略微差异。(2)初始含水率和含盐量对硫酸钠盐渍土冻结温度有很大的影响，当硫酸钠含盐量为1%和2%时，冻结温度随初始含水率的增加呈“先陡后缓”型变化趋势，并在最优初始含水率时达到最大值，之后冻结温度随初始含水率变化曲线趋于平缓；当含盐量较高(5%)时，冻结温度随初始含水率增加近似呈线性增加趋势。(3)硫酸钠盐渍土冻结温度随含盐量的增加而降低，且盐量为1%～2%时，不同初始含水率土体冻结温度及达到冻结温度所需时间随含盐量均呈“归一性”变化趋势。在计算硫酸钠盐渍土冻结温度时，应将硫酸钠溶液视为非理想稀溶液。在同一初始含水率条件下，对硫酸钠含盐量与冻结温度按三次多项式进行拟合吻合度较高。该研究成果可为硫酸盐渍土地区工程建设提供参考。     

局部超低温制冷治理多年冻土路基融沉的数值模拟研究

青藏铁路路基在全球升温和人为施工热扰动等不利因素的影响下会出现融沉现象,针对多年冻土地区升温引发的路基融沉问题,提出了采用超低温短时制冷进行工程抢险和维护冻土路基稳定的方法。主要分析短时超低温制冷方法在不同的布管位置(路基和坡脚地层)、布管角度(水平管和倾斜管)、管长度(5 m、7 m)和制冷时间等因素影响下路基温度场、冻土上限和融化盘的变化。研究表明:超低温制冷方法是一种高效治理融沉灾害的抢险施工工法;管长越长冻土交圈时间越短,因为超低温的制冷效率高,可以在短时间内使路基处于负温状态,显著提高承载力;路基水平管的冻结效果好,坡脚处的冻结效果差;冻土上限可以在短时间内最高提升5 m,融化盘面积大大减少甚至可以被消除;路基内最高温度可以降低2℃,路基的最大融化深度可以降低4 m。综上所述,只要施工采取适宜的布管方式就可以在短时间内使整个路基处于负温状态,同时提高路基的承载力,达到很好的工程抢险效果。研究成果对治理多年冻土地区路基病害具有参考价值。     

含水率和温度影响下的高原土体力学特性试验研究

利用自主研制的土体冻融循环剪切试验仪,开展了温度和含水率影响下的青藏高原土体力学特性正交试验,从压缩特性、冻结和冻胀、剪切特性3个方面对土体进行分析。结果表明:土样压缩过程的法向位移随含水率的增大而增加,压缩量与法向应力关系可用双曲线模型进行描述。不同含水率的土体从0 ℃降至?12 ℃过程中均产生了土体冻结现象,含水率12%的土体发生冻胀时的温度集中在?3~?2 ℃范围内。温度越低,土体的应力软化特性越明显,且峰值剪切应力和残余剪切应力越大,土体在最佳含水率附近时峰值剪切应力最大。?12 ℃土体的法向位移变化规律在不同试验条件下均表现出剪胀特性,而12 ℃和0 ℃土体随着含水率的增加由胀缩特性并逐渐变化至完全以剪缩特性为主。内摩擦角随含水率和温度的增大而减小,黏聚力随温度的升高而减小,在最佳含水率附近最大。     

人工冻结砂土热力耦合模型分析

针对饱和砂土在单向冻结过程中的温度及其冻胀发展问题,基于多孔介质传热与固体力学理论,利用有限元数值计算软件Comsol Multiphysics,建立多物理场耦合下的热力耦合模型。在考虑单向冻结过程中热传导和对流传热的基础上,建立热力耦合方程,基于试验不补水的条件下,考察不同冷端温度下冻结砂土温度场和冻胀量的发展趋势。榆林某路基砂土热力耦合模型模拟结果和试验实测结果对比表明,所建立的热力耦合模型能很好地反映砂土单向冻结过程中热量的交换形式和土体随温度的冻胀情况。     

反复冻融循环对黄土孔隙比及渗透性的影响

在冻融循环过程中,周期性的冻结与融化持续改变着土体内部结构,使土的孔隙比与渗透性不可避免地发生相应的变化。以陕西杨凌地区Q3黄土为研究对象,在封闭系统下通过对不同初始条件的黄土进行多次反复冻融循环(最多冻融循环50次),研究了杨凌黄土孔隙比与渗透系数的变化规律。试验结果表明,封闭系统下反复冻融循环后土样孔隙比和渗透系数变化的情况与试样初始条件密切相关。试样初始含水率越高,冻融循环破坏作用越强,延续时间更长,试样需更长的循环周期达到动态稳定;冻融循环过程中,试样孔隙比与渗透系数随干密度的改变有不同的变化趋势;30次冻融循环后,试样的孔隙比与渗透性逐渐趋于稳定。     

冻结温度对冻融黄土力学特性的影响规律研究

黄土地区存在冻融灾害,冻融循环、冻结温度和冻结速率的研究对于冻融灾害工程预防有着重要的意义。在封闭环境下不同含水率土样分别进行0,-5,-10,-15,-20 ℃的冻结,随后15 ℃融化后测定黄土力学特性的变化规律,试验研究了试样经历不同最低冻结温度的单次冻融循环后的无侧限抗压强度、抗剪强度及压缩性等力学特性的变化规律。试验结果表明:在历经不同冻结温度的冻融作用后,不同含水率黄土的无侧限抗压强度均减小,冻结温度越低,无侧限抗压强度下降就越快;不同含水率土样的黏聚力也呈现出随冻结温度的降低而下降的趋势,黄土内摩擦角先减小后增加,变化幅度处于0°~2°;含水率为14%和26%黄土的压缩系数在-20 ℃冻结后的增幅都呈现>0.1 MPa^-1的增量,其余低温条件下的浮动变化很小,而含水率为18%和22%黄土的压缩系数随着冻结温度的下降而呈现出较均匀的波动变化,相邻负温情况下的波动值≤±0.1 MPa^-1。