不同负温条件下冻土导热系数的理论模型和试验验证

基于饱和冻土的三相组成和导热系数量纲定义,将冻土简化为由土柱、液态水、冰柱组成的混合物,进而建立了冻土导热系数的几何模型。考虑实际冻土中三相组成的含量随温度变化而不断变化的事实,给出了随温度变化的水柱和冰柱体积计算与演变规律。在此基础上,利用并联体系导热效果的叠加原理,给出了随温度变化的冻土导热系数计算模型。基于热流传递过程中并联与串联同时进行的耦合特性,建立了考虑固-液界面的导热系数计算模型。将预测值与瞬态探针法的实测结果和Johansen法的计算结果对比后发现,该类计算方法能有效模拟不同负温条件下冻土的导热系数,并且具有概念清晰、方法简单等特点。     

冻土导热系数测试和计算现状分析

为认知冻土导热系数测试和计算方法的研究现状,从而服务于冻土温度场的计算,介绍了冻土导热系数的研究背景和导热系数对冻土温度场的贡献,并对冻土的组成和导热系数随不同负温变化的原因进行了分析。阐述了目前冻土导热系数的测试技术、计算方法、理论计算模型及土中固相矿物导热系数的确定方法,并分析了其优缺点和误差存在的原因。对冻土导热系数随温度、干密度、含水率等因素变化的研究成果进行了整理,分析了基于测温法确定冻土导热系数存在的误差及其原因,并初步提出了一种修正冻土导热系数测试结果的方法。在此基础上,提出了对冻土导热系数测试和计算的建议和展望。结果表明:温控环境和测试过程中的相变热对导热系数实测值均存在影响,从未冻水含量的角度修正相变潜热对导热系数测试过程的影响具有理论可行性;线性回归预估模型应考虑土质对测试值的初始影响,从相间热量平衡的角度建立导热系数的理论模型,对于温度场解析问题的研究具有重要作用;考虑土颗粒的多孔特性,推演不随密度变化的土中固相物质导热系数的确定方法,对于提升冻土导热系数计算模型的预测精度具有基础作用;从微观角度出发,建立能够反映土体冻结速率的导热系数模型应是冻土导热系数研究区别于常规土体的重要方向;统筹考虑导热系数、比热和潜热对温度场的影响,从温度场的角度验证导热系数计算模型的可靠度是必要的;所得到的结论可为冻土温度场解析解问题的研究和冻结法施工中的温度场预测提供借鉴。     

基于图像测量三轴试验的土的本构模型构建方法

本构模型是描述材料力学性状的数学物理方程,是进行土工结构变形计算和稳定分析的必要条件。基于图像测量的三轴试验发现,土样在局部出现破坏后,各处的应力应变关系变得不一致,破坏区域和未破坏区域的变形形态和应力应变关系截然不同,土样整体的应力应变曲线是土样各处变形的综合结果。由此可以考虑：土一点只有未破坏和破坏两种状态,未破坏时服从应力应变关系,破坏时沿着破坏方向滑动、服从摩擦规律。因此,构建本构模型的思路可以由描述土样整体从初始加载到形成剪切带的应力应变全过程,变成只描述未破坏状态土的应力应变性质,建立破坏前的应力应变关系模型,选用合适的破坏准则判断一点是否破坏,破坏后应用滑动摩擦定律。     

岩土的非线性冻结模型试验和相似准则

由于冰的比热和导热系数与水的比热和导热系数具有显著的差异性,因此土的比热和导热系数在冻结过程中是不断变化的。依据常热参数建立起来的温度场相似准则,难以准确反映土体在冻结过程中由热参数非线性引起的温度场演变。该文基于考虑热参数非线性变化的热传导微分方程,采用相似变换法导出了冻土模型试验中温度场的相似准则,并给出了采用原土进行模型试验时原型与模型应满足的相似关系。同时,在考虑第三类边界条件对相似准则影响的基础上,导出了模型土应满足的热物性相似条件。在此基础上,分别利用ABAQUS有限元软件对线性、非线性以及考虑第三类边界条件的原型和模型温度场进行了数值模拟,并对冻结过程中特征点的温度演变过程进行了分析。计算结果表明：建立的非线性导热相似准则能够正确反映原型冻土温度场的演变过程,说明模型土热参数的计算方法是合理的。同时表明,满足第三类边界条件的土体非线性冻结相似准则具有明确的物理意义和更高的实用价值。该研究成果为冻土模型试验中模型土的配制提供了切实合理的参数计算方法,为冻土水-热-力三场耦合模型试验的设计和实施提供了理论基础和技术支持。     

基于土体各向异性的雨水入渗渗井试验研究与验证

为提升海绵城市建设和运行过程中雨水的利用率,提出了一种雨水入渗渗井装置,并对雨水入渗效果进行了验证。在黏土场地竖向开挖一定深度的渗井孔,并用中粗砂填满,即形成一种雨水入渗装置。利用原位试验对渗井场地中土体的渗流情况进行了测定,得到了入渗过程中不同时刻土体的饱和度。依据数值分析软件ABAQUS对原始黏土场地和设有砂石渗井的黏土场地分别进行了数值模拟,获取了入渗过程中不同时刻土体的饱和度模拟值。将原始场地的饱和度模拟值和设有砂石渗井场地的饱和度模拟值进行了比较,并将在设置渗井的场地进行的原位试验得到的饱和度实测值与ABAQUS计算出的饱和度模拟值进行了对比。研究结果表明:砂石渗井能大幅增加土体的入渗量,且靠近渗井的土体水分入渗量较原始场地平均增长率达到了67.21%;砂石渗井增加入渗的效果随土体深度和距渗井轴心距离的降低而增加。该研究成果期望为海绵城市的建设提供参考。     

热参数对冻土温度场的影响及敏感性分析

为评估热参数取值对冻土温度场的影响,将导热系数、比热、潜热作为冻土温度场的影响因素进行试验设计。通过室内试验测定了饱和粉质粘土在不同负温下的导热系数、比热及潜热值,并基于Johansen法提出了考虑冻土未冻水含量的热参数修正算法,按照变参数和常参数形式代入数值分析软件ABAQUS,获取了不同的温度场计算值。将不同负温下的热参数和某负温阶段的平均热参数代入数值分析软件,分析热参数变化对冻土温度场的影响。依据冻结试验获取了冻结150 h的模型箱温度场实测值,并将计算值与实测值进行了比较。结果表明:不同的热参数对冻结初期影响较大,随着冻结的深入各计算值间的差值逐渐缩小。采用一定负温阶段的平均热参数作为恒定热参数进行数值计算,从微观上不能满足精度要求。潜热是影响冻结温度场计算精度的主要因素,考虑不同负温土体导热系数、比热、潜热的计算更接近于实测值。研究成果为寒区水利工程设计和施工提供参考。     

土体温度场物理模拟用土的制备方法研究

为提高冻土模型试验对现场实际的反映程度,基于模型与原型之间的相似关系,提出了一种制备热学参数满足相似原理的模型土方法。首先,根据傅里叶方程、第三边界条件和相似理论推导出了土体冻结过程中热学参数相似准则,并依照Johansen的导热系数广义几何平均计算方法列出了模型土应满足的3个方程。在此基础上,选用高密度聚乙烯、标准砂、活性炭粉制备模型土并模拟了天津地区某粉质黏土冻结过程温度变化。根据高密度聚乙烯、标准砂、活性炭粉和天津地区粉质黏土的导热系数、比热和密度实测值,结合模型土的三个配比方程确定了模型土的相态组成。分别将配制好的模型土以及粉质黏土用于模型试验和原型试验,并将实测温度值进行了对比,验证了模型土配置方法的有效性。 该研究对于冻土温度场的跨尺度预测具有借鉴意义。     

基于数字图像相关技术的砂土全场变形测量及其DEM数值模拟

岩土材料在力学性能上表现出各向异性与非线性特征,不同土体的受力变形规律也不相同。为了更真实地反映平面应变状态下土的受力变形特性,研制了一种新型的平面应变加载设备,该设备通过对试样的侧向（围压方向上）施加柔性荷载来降低常规平面应变试验中刚性加载所造成的边界约束影响。同时,搭建了能够得到表面变形识别的数字图像采集系统。在此基础上,利用研制的平面应变设备结合二维数字图像相关技术（2D-DIC）根据获得试验过程中的全场变形来分析福建标准砂在不同围压下的变形特性。另外,通过数字图像相关法得到的平面应变试验结果来确定砂土基于抗滚动摩擦模型的细观参数,并对试验过程进行了离散元分析。结果表明：基于数字图像相关测量技术的新型平面应变试验设备可以准确获得福建标准砂的局部变形规律和变形过程的非线性行为,由此确定的砂土细观参数也能够较为真实地反映试验材料的应力-应变关系。     

预应力混凝土应用及减少预应力损失措施

以安徽某库房工程预制排架结构为例,介绍了预应力混凝土施工中的底模施工、锚具加工、预应力钢筋制作、孔道留设、预应力钢筋张拉、预应力值校核以及孔道灌浆等施工工艺。指出锚具变形、预应力筋与孔道间摩擦、应力松弛、混凝土收缩徐变等均会引起预应力损失,针对此,提出了超张拉、合理养护等预防措施。