冻融作用下地基土水分迁移试验研究

为研究季节性冻融区地基土水分迁移的规律,对不同初始含水量以及温度梯度作用下的重塑土进行了冻融试验,试验结果表明:随着初始含水量的增加,土样水分迁移更加明显;温度梯度越大,土样冻结速率越大,水分聚集层越靠近暖端。     

锅盖效应水分迁移规律分析

提出水分迁移系数来表示"锅盖效应"的强弱程度。基于水分迁移系数,分析不同干密度、不同初始含水率和不同试验时间的"锅盖效应"水分迁移试验数据,得到"锅盖效应"水分迁移的规律:1)随着干密度的增加,"锅盖效应"逐渐减弱,水分迁移系数与土体干密度近似呈线性关系。2)随着初始含水率的增加,"锅盖效应"先增强后减弱,存在某一初始含水率,使得水分迁移系数达到极大值。3)随着试验时间的增加,"锅盖效应"逐渐增强,水分迁移系数不断增大并趋于稳定。     

非饱和膨胀土水分迁移的试验研究

在等温条件下,分组对不同初始干-湿段土体含水量、不同时间间隔对非饱和膨胀土的气态水迁移和气液态水混合迁移的规律及其关系进行试验研究,揭示了其随时间的变化过程。试验结果表明,土质情况、含水量水平及含水量梯度对其有重要影响,气态水迁移量与气液混合迁移量都随含水量梯度增加而增加,与时间和位置呈复杂的非线性关系;含水量较小时,土粒对水分的吸附能力较强,致使含水量梯度较大,含水量较大时,土粒周围自由水较多,水分分布较均匀。     

兰新线路基土冻胀特性试验分析

为了研究兰新线路基土冻胀特性,进行了不同含水量、不同压实度的封闭系统冻胀试验和开放系统冻胀试验。试验结果表明,在封闭系统下冻胀量随含水量的增大而增长,随压实度增加而减少;开放系统冻胀量远大于封闭系统冻胀量,且与初始含水量有关;在冻结的过程中,冻土中的水分出现了重分布现象。     

原状土冻融过程中水分迁移试验研究

为了量化原状土中水分在冻融过程中的迁移,试验采取在其他试验条件相同的条件下,改变初始含水率或温度模式的方法,研究了单个因素对水分迁移的影响。经冻结并融化到设定位置后,从试验中观察到试样未融化部分存在有横向和竖向的裂缝现象、明显的冻融分界线、水分积聚层和融化锋面并不在同一个层面内、土中水的冻结温度各不相同、冻结后含冰不均匀现象等结果,进而对冻融过程中进行温度场分析以及冻融前后含水率的变化分析,用具体试验数据得出如下结论:控制不同顶板温度时,不同含水率的试样中各点处温度的变化趋势基本相同;在顶板控温相同的情况下,初始含水率大的试样,水分迁移量大,水分积聚多;不同冻结温度和融化温度对试样中水分的迁移影响非常明显,顶板冻结时温度越高,水分积聚层位置处的含水率越大,水分积聚越多等。     

重塑粘质黄土冻胀敏感性试验分析

以沈哈高速铁路沿线具有代表性的粘质黄土为研究对象,在室内冻胀试验条件下,研究了非饱和含水量、冷端温度、冻结速率、补水条件以及冻融循环对土体冻胀特性的影响。试验表明,在封闭系统下,非饱和土体冻胀系数随含水量增大而增大,且最终趋于一个稳定数值;封闭系统下,随着冷端温度的降低,含水量较大土样的冻胀系数逐渐减小,含水量较小土样的冻胀系数逐渐增大;开放系统下,土样冻胀系数随冻结速率的减小逐渐增大,且增幅越来越大;外界补水条件下,土体冻胀量增加显著,但随含水量的增大,其影响逐渐减弱;干密度较小土样的冻胀总变形随冻融循环次数的增加呈指数递减的趋势,干密度较大土样则呈指数增加的趋势。     

高温作用下非饱和黄土水热迁移试验研究

黄土的水敏性特点使其强度随含水率降低而大幅增加,高温疏干方法进行黄土加固具有广阔应用前景,研究高温作用下非饱和土水热迁移规律具有重要意义。通过自制高温水热迁移装置,进行不同高温水平下不同初始含水率黄土的水热迁移试验。试验结果表明：高温对水分具有显著驱动作用;当热端温度超过100℃时,试验初期贴近热源土体的水分被快速驱离,是气液相变导致的气态水迁移显著增加所致;含水率分布由峰值曲线逐渐演变为含水率单向增大的缓变曲线;热源温度越高,水分迁移通量越大。建立了高温水热迁移模型,并通过计算验证了模型的可靠性。以体积含水量表示计算所得水分场数据分析了高温和水分含量对水分迁移的综合影响机制,根据黄土高温水分迁移特征在不同体积含水量阶段的差异化表现,将高温水分迁移特征划分为3个区间。Ⅰ低体积含水量区间：水分迁移通量随体积含水量变化曲线呈现峰值曲线,水分主要迁移形式为气态水;Ⅱ中体积含水量区间：随体积含水量增大,气态水迁移通量减小的同时液态水迁移通量增大;Ⅲ高体积含水量区间：温度作用对水分迁移进程不产生影响。     

基于膨润土微观结构确定土水特征曲线的残余含水率

根据蒙脱石层间水化微观结构,建立了蒙脱石水化后的含水率计算公式,并认为蒙脱石发生第1层水化时的含水率即为残余含水率。用4种膨润土土水特征曲线试验数据,分析探讨了考虑不同初始干密度和同一初始干密度下不同温度环境等因素对膨润土土水特征曲线的残余含水率影响。研究结果表明,膨润土的残余含水率与膨润土的比表面积、水膜厚度以及水膜密度成正比,而与膨润土的初始干密度和温度无关。通过实测和计算残余含水率比较,验证了该公式的合理性。     

原状与重塑膨胀土增湿变形特性研究

通过对原状膨胀土和重塑膨胀土进行无荷载和有荷载膨胀试验,研究了膨胀土的增湿变形特性与土体结构性的相关关系。试验结果表明,在初始干密度和初始含水量相同的情况下,重塑膨胀土的增湿变形量明显大于原状膨胀土,但两者的的增湿变形量均随初始含水量增大而减小。     

考虑水分迁移影响的浅层膨胀土抗剪强度冻融劣化特征

冻融作用下的水分迁移及其伴生现象会使浅层膨胀土的抗剪强度发生劣化,探明水分迁移对浅层膨胀土抗剪强度的影响对于膨胀土工程冻融病害的防治是必要的。首先,模拟实际冻融边界条件开展膨胀土在单向冻结–双向融化作用下的水分迁移试验,在此基础上进一步开展膨胀土的直剪试验;试验过程中对土样的水分场、温度场、竖向变形均加以监测。研究结果表明:(1)冻结温度梯度对水分迁移量的影响较大,冻融后膨胀土表现出冻胀融沉的特点且融沉量略大于冻胀量;(2)抗剪强度的变化与含水量的重分布沿深度方向上表现出了高度的相关性,抗剪强度在含水量增高的冻土区均表现出衰减的特点,在含水量降低的未冻区则表现出小幅度增加的特点,抗剪强度变化幅度随含水量变化幅度的增加而增大;(3)沿土样深度方向上抗剪强度指标的变化特征与含水量的变化特征也表现出了较高的相关性,含水量降低区的抗剪强度指标均有小幅增加,含水量增高区中基本上都呈现出衰减趋势,黏聚力的大幅减小是膨胀土抗剪强度冻融劣化的主要原因。     

单向冻结过程中NaCl盐渍土水盐运移及变形机理研究

冻结过程中的水盐迁移机理一直是冻土学研究的热点。通过单向冻结试验,研究了冻结过程中的水盐运移过程及土体变形。研究表明,在土体初始含盐量为0.8%的条件下,土体的冻胀变形显著减小,盐分的存在强烈影响着冻结缘处水分的集聚,盐对土体的冻胀具有抑制作用。在补给不同浓度NaCl溶液的条件下,土体初期的冻胀变形规律一致,随着盐分在冻结锋面处的累积,土体在后续冻结过程中水分迁移动力不足,从而使得土体冻胀过程中冻胀明显减小。基于溶液的性质并考虑盐分对土体冻结温度和未冻水含量的影响,建立了冻结过程中NaCl盐渍土水盐迁移规律及变形的计算模型,计算结果显示,计算模型能够很好地反映含盐土体在冻结过程中的温度、水分、盐分及变形的规律,从而为深入了解盐渍土在冻结过程中的变形机理提供理论参考。     

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。     

寒区输水渠道衬砌与冻土相互作用的冻胀破坏试验研究

寒区输水渠道冻胀破坏直接影响着工程安全及效益发挥,基土冻胀变形及其与结构相互作用共同导致衬砌冻胀破坏发生。采用低温室循环供冷,模型槽底部砂砾石层补水,设计衬砌渠道低温冻胀模型试验,研究渠基土体的温度场、水分场、变形场和衬砌位移之间动态耦合规律,对比观测了冻融试验前后渠基土横剖面物理性状的变化。研究表明:引起基土冻胀变形的水分迁移量及结冰量受温度梯度、冻结速率控制,也受土体初始含水率的制约;渠道断面形状影响渠道的温度边界和热传导,使各部位冻结速率及冻胀变形不一致。渠基土冻结过程中兼有冻胀和挤密,土体受挤压程度同样受渠道衬砌及断面形状的影响,土体内应力复杂。渠基土冻胀与衬砌位移不协调,导致渠底衬砌与土体脱空且偏心受拉。土体冻结时与衬砌间形成接触分凝冰层,传递作用力;温升融化时,接触分凝冰层消融,表层土体强度丧失,造成渠坡滑动失稳破坏和衬砌结构大面积的滑塌。     

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。     

兰州地区黄土冻胀特性和水平冻胀力试验研究

为研究不同含水率黄土在一维冻结条件下温度场、冻胀量和水平冻胀力的变化特征规律及冻胀力与冻结温度之间的动态关系,选取兰州地区黄土进行了封闭系统下的一维冻胀试验。研究结果表明:土体的降温过程分为3个阶段,降温冻结初期各深度土体的温度下降速率较快;土体温度下降到0 ℃时降温曲线出现转折点,土层各深度降温速率曲线出现近乎平行于横坐标的平稳段;冻结后期各深度土体的温度下降速率较慢。冻胀量变化曲线按照变化趋势分为3个阶段: 轻微冻缩阶段,快速发展阶段,拟稳定阶段,不同含水率的土体经历各阶段的时间有所不同。冻胀量随着土体含水率的增加而增大,本试验中含水率14%和20%的土体最终冻胀量分别为3.52 mm和 8.23 mm。在相同土质和温度条件下冻胀力发展的起始温度相同,约为0.60 ℃,含水率不同的土体出现最大水平冻胀力的温度不同。最大水平冻胀力沿土体深度先增大后减小,最大值出现在相对深度0.6~0.8处。     

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。     

冻土毛细-薄膜水迁移统一模型及其试验验证

针对毛细水迁移机制难以解释冻结缘及不连续分凝冰的形成,薄膜水迁移机制难以解释孔、裂隙间水迁移造成的不均匀冻胀,在毛细理论和冻结缘理论的基础上,通过对冻结缘区增加一组不同孔径的毛细管,对所有毛细管壁增加一层未冻水膜,构建出冻土的毛细-薄膜水分迁移统一模型。该模型从液压驱动角度分析了冻结大孔和未冻小孔中的液压、冰压以及驱动力分布,统一了冰透镜体暖端的液压驱动力与表面吸附力,并结合分凝冰形成机制,推导出分凝-冻结温度的控制方程。再根据表面吸附力、冻结缘渗透系数随分凝 冻结温度的变化律,在达西定律的基础上,给出了水分迁移速度的显式方程。最后,将Konrad冻胀试验中的主要参数代入该显式方程,发现理论计算值与试验值高度一致,验证了该模型的正确性。     

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。     

冻融过程中土中水分迁移室内试验研究

通过调节试验箱顶板、底板和箱体的温度模式,在正冻和正融试验条件下对粉质粘土的水分迁移进行试验研究。共做了四组试验,每组两个试样,一个用于冻结后测含水量,另一个用于测融化到设定位置的含水量。在其他试验条件相同的条件下,改变初始含水量或温度模式,研究了单个因素对水分迁移的影响。