高富水卵砾石地层热物理参数试验研究

冻结法施工设计过程中地层的热物理参数是必须明确的指标, 为了探明高富水卵砾石地层热物理参数以及各参数与影响因素之间的相互作用关系, 本文以现场取回卵砾石样为研究对象, 通过自制试验装置测量试样起始冻结温度、比热容和导热系数, 探究含盐量对试样起始冻结温度的影响, 试样比热容、导热系数与冻结温度之间的相互作用关系, 试验结果表明:随着含盐量升高, 试样中水分的蒸气压不断下降, 造成试样需要更低的温度, 释放更多的能量才会发生冻结, 试样随着含盐量的升高起始冻结温度下降, 1、2、3号试样平均起始冻结温度从-0.46 ℃下降到-1.15 ℃; 随着冻结温度的降低试样中水分冻结, 卵砾石试样中含冰量增多, 未冻水含量减少, 由于冰的比热容是水的一半, 致使比热容不断下降, 卵砾石试样比热容从1.60 J·(g·℃)-1下降到1.06 J·(g·℃)-1; 随着冻结温度的降低试样含冰量增多, 含水量减少, 由于冰的导热系数远远大于水的导热系数, 致使卵砾石试样导热系数不断上升, 由1.71 W·(m·K)-1增加到2.13 W·(m·K)-1; 由于试样中含冰量、未冻水含量随温度不断变化, 固态和液态水的相变, 导致试样热物理性质随温度不断发生改变。     

新型管幕冻结法温度场影响参数分析

新型管幕冻结法中冻结管周围温度场的发展状况是这一工法施工的技术重点,为研究这一工法中温度场的发展变化规律,在模型中选取2条路径,并在路径上布设分析点,通过分析土体导热系数、容积热容量、相变潜热、原始地温这4个因素对温度场发展规律的影响,形成如下结论:与港珠澳拱北隧道管幕冻结法相比,新型管幕冻结法支护形式更加灵活多样,受地形制约更小;土体导热系数对温度场有显著的影响,导热系数越大,温度下降越快,且幅度越大;容积热容量对温度场的影响效果较大,容积热容量越小,温度下降越快,且幅度越大;土体相变潜热对温度场变化几乎没有影响;原始地温越低,达到相同温度所需要的冻结时间越短。所得结果可供今后类似工程参考。      

滨海软土冻结温度场发展规律

为研究滨海软土地层中联络通道冻结温度场的发展规律，以上海轨道交通15号线罗秀路站至百色路站区间联络通道为工程背景，对冻结帷幕厚度、平均温度及冻结过程进行分析，通过建立联络通道三维数值模型预测冻结温度场发展规律，并与实测温度数据进行分析验证。结果表明:地层中存在固有压力导致泄压孔含有初始压力值，埋设冻结管时注入大量水泥浆将抑制地层中水分迁移，减小冻结过程冻胀影响；冻结过程地层温度下降规律可分为温度快速下降、降温速度减小后增大、降温速度缓慢减小、温度稳定4个阶段；冻结帷幕内外侧发展速度比例为1.42︰1，灰色粉土比粉质黏土夹粉土冻结效果好，粉质黏土夹粉土发展速度为20.02 mm/d，灰色粉土发展速度为29.75 mm/d。      

开放系统下饱和正冻土热质迁移的数值分析

引人Heaviside阶梯函数和Z函数使得冻结区和未冻区的导水系数、导热系数、体积热容量和土水势可以用统一的公式表达,提出了开放系统下饱和土在冻结过程中热质迁移的数学模型．对一个侧面绝热的圆柱土样的热质迁移过程进行了计算机模拟,结果表明：温度变化速率、冻结速率和温度梯度随时间减小,在冻结锋面附件温度分布曲线有拐点,冻结...     

土的冻结温度与过冷温度试验研究

通过不同降温条件的冻结试验,明确了土中出现过冷的条件。当环境温度高于土的最低过冷温度时,土表现出稳定的过冷状态;当环境温度低于最低过冷温度时,边界出现短暂过冷,而土样内部不出现过冷。通过分级降温的方法测定了不同含水率的粉质黏土和细砂以及不同NaCl浓度的粉质黏土的冻结温度和最低过冷温度。当含水率等于或高于饱和含水率时,含水率对冻结温度影响不大;当含水率低于饱和含水率时,冻结温度随含水率减小而降低;不同含水率土样的最低过冷温度相差不大;冻结温度降低随NaCl浓度增大的比例系数与理想稀溶液中水的凝固点降低系数非常接近。结合稳定冻结时间、冻结温度、环境温度或最低过冷温度引入了能间接反映自由水含量的指标。     

宁波地区人工冻土抗折特性研究

依托宁波地区甬舟铁路金塘海底隧道工程,针对隧道洞身范围的粉土和粉质黏土,在不同温度和不同含水率条件下进行冻土抗折强度试验,研究人工冻土抗折强度随温度和含水率变化的规律特征.结果表明:粉土和粉质黏土冻土抗折强度均随冻结温度的降低而增大,冻土抗折强度受冻结温度影响明显;不同含水率对粉土和粉质黏土抗折强度有一定影响,粉土试样...     

富水砂层斜井冻结壁力学特性及温度场研究

研究富水砂层斜井冻结壁力学特性及温度场分布规律,可为解决斜井冻结法凿井穿越富水砂层技术难点提供可靠依据。以陕北某斜井冻结法凿井工程为研究背景,通过室内物理力学试验、现场实测及有限元数值模拟相结合的方法,研究了冻结状态下砂土的热物理及力学特性,分析了斜井冻结法凿井期间冻结壁受力机制,深入分析斜井冻融过程中冻结压力变化规律及原因,对测温孔与冻结壁径向温度实测与数值模拟结果进行了对比分析。研究结果表明,随着温度降低,冻结砂土导热系数呈现出先增大后减小的趋势,且冻结温度对冻结砂土的内摩擦角影响较大;冻结温度、井筒埋深和地下水对冻结压力的影响较大;混凝土水化热对冻结壁的影响范围约为460~475 mm。研究结果可为富水砂层地区斜井冻结法凿井的优化设计和安全稳定性研究提供依据。     

定向剪切应力路径下冻结黏土变形特性试验

为研究复杂应力路径下冻土的强度与变形特征,采用冻土空心圆柱仪（FHCA-300）对不同负温状态下的饱和冻结黏土开展定向剪切试验,基于不同剪切方向下冻结黏土的轴向和扭剪分量的应力-应变关系,探讨土样的剪切变形特征、各向异性属性以及剪切带的演变规律,并考察温度、大主应力方向角、平均主应力以及中主应力系数等因素对冻结黏土强度的影响。结果表明：平均主应力p值对冻结黏土的应力-应变关系影响显著,尤其是p=4.5 MPa时具有较高的剪切强度,且该值可能为压融临界p值;大主应力方向变化会诱发冻结黏土的各向异性,随着大主应力方向角的增加,冻结黏土剪切强度逐渐降低,并有明显的剪切带产生;中主应力系数的增加使得轴向强度有逐渐降低的趋势,但对剪切强度影响不明显;随着温度的降低,冻结黏土强度逐渐增大,试样发生脆性破坏并出现剪切破裂面,其剪切强度主要取决于冰颗粒和土颗粒的胶结力。     

青藏高原含砂砾石土壤导热率实验研究

土壤导热率是土壤的基本物理参数之一,也是陆面模式的重要输入量,对研究土壤热传输、水热耦合运移有重要意义。青藏高原由于独特的地理环境备受学者关注,但目前常用的土壤水、热属性参数化方案仅仅考虑了沙土、粉土和黏土,就砂砾石重要性的认识还不足,很少有模式模拟砾石对青藏高原多年冻土和高寒草地的影响。采用便携式热导仪（KD2 Pro,DECAGON,美国）测量了青藏高原玛多和北麓河两地典型土壤在冻结和未冻结状态下不同水分条件时的土壤导热率,分析了砂砾石含量对土壤孔隙度的影响及冻结和未冻结状态下,不同水分条件下砂砾石含量对土壤导热率的影响。结果表明：当含水量高于某一阈值时,含水土壤冻结状态下的导热率高于未冻结状态下的导热率;土壤含水量对土壤导热率影响显著,导热率随着含水量的增加而增大,在含水量较小时变化更明显;砂砾石含量比重多的土壤孔隙度较小,且砂砾石含量越大的土壤在冻结状态下导热率高。以上结果表明,砂砾石对土壤导热率有显著影响,在将来的模式模拟研究中必须考虑砂砾石对土壤热属性的影响,进而提高土壤水热过程模拟的精度。     

一种微结构颗粒体分布特征的分析方法

在扫描电镜法（SEM）图像二值化基础上,建立了以颗粒体面积为变量的面积累计曲线表示方法,进而建立了该曲线的曲率系数和颗粒体面积分布特点的不均匀系数。基于瓜州砂质粉土和天津黏土的SEM图像,分析了不同面积比对应的颗粒体特征。研究表明,砂质粉土和黏土的颗粒体面积累计曲线、曲率系数和不均匀系数具有明显的差异性。砂质粉土的颗粒体面积累计曲线是一条平滑的曲线,表现为不良级配土的粒径分布特点;而黏土的颗粒体面积累计曲线具有明显的台阶,表现为某粒组缺失的粒径分布特点。另外,砂质粉土的颗粒体面积累计曲线曲率系数和不均匀系数均明显大于黏土的对应系数。该分析方法可以用来量化不同土的SEM照片之间的差异,从而为岩土微结构的定量化研究提供了一条新的思路。     

青藏工程走廊冻融土热扩散系数特性与预测模型研究北大核心CSCD

热扩散系数是多年冻土对外界热扰动敏感程度的重要影响参数之一,也是寒区工程设计与建设的关键基础数据。基于瞬态平面热源法导热系数测试结果和质量加权法计算获取的比热容理论值,计算获得青藏工程走廊西大滩—唐古拉山沿线典型类别土样热扩散系数,分析对比了走廊带内冻融土热扩散系数的分布特征和参数影响规律,提出了基于经验拟合公式法和RBF神经网络方法的冻融土热扩散系数预测模型,并比较了不同预测模型的预测效果。研究结果表明:青藏工程走廊带内土的热扩散系数与粒径整体呈正相关性,融土热扩散系数按黏性土、粉土、全风化岩类、砂土及碎石土依次增大,冻土热扩散系数按黏性土、全风化岩类、粉土、碎石土及砂土依次增大;热扩散系数与容重及天然含水率相关性随土类及冻融状态差异明显,冻、融土热扩散系数呈显著正线性关系;以融土热扩散系数为拟合参数的冻土热扩散系数三元预测模型的预测精度明显高于二元经验公式;RBF神经网络模型在冻、融土热扩散系数预测中均具有最优的预测精度,为最佳预测模型。     

时域反射仪在监测青藏高原活动层水分变化过程中的应用

时域反射仪（ＴＤＲ）是一种利用电磁脉冲方法,根据电磁波在土层中的传播速度测试不同土层 的介电常数,接介电常数值可获不同土类在冻融状态下的未冻水含量和总体积含水量．ＴＤＲ仪可在 野外环境下无破损地测得融土和冻土的液态水含量,尤其是能测出不同负温下冻土中未冻水的变 化．该仪器最适用于测量均质细颗粒土的体积含水量,经与烘干称重法对比,ＴＤＲ仪应用在青藏高 原上不同融土类所测含水量值的误差范围：粉土和细砂为±２．５％,粘土和亚粘土为±３．０％,砂砾石 土和碎石土为±５％．经过反复的野外实践证明,用 ＴＤＲ仪测上层含水量具有简便、快速及稳定等 优点,是值得推广的方法．根据青藏公路沿线８个场地埋置的ＴＤＲ仪和地温仪所获的一个年周期的 水、热资料（１９９７．８～１９９８．７）,分析了高原活动层在冻融过程中温度场和水分场的耦合所导致的水分迁移及水分场重分布的规律     

Investigating soil thermodynamic parameters of the active layer on the northern Qinghai-Tibetan Plateau

The soil thermodynamic parameters, including thermal conductivity, diffusivity and volumetric capacity within the active layer on the northern Tibetan Plateau, were calculated using the measured data of soil temperature gradient, heat flux, and moisture at four stations from October 2003 to September 2004. The results showed that the soil thermodynamic parameters exhibited clear seasonal fluctuation. The thermal conductivity and diffusivity in summer and autumn at Beiluhe, Kexinling, and Tongtianhe were larger than those in winter. The volumetric thermal capacity causes an opposite change; it was larger in autumn and winter than in summer. In spring, the soil thermal conductivity at the Kekexili station was larger than that in summer. Generally, fine-grained soils and lower saturation degrees in the topsoil might be a reason for the lower soil thermal conductivity in winter. For a given soil, soil moisture was the main factor influencing the thermodynamic parameters. The unfrozen water content that existed in frozen soils greatly affected the soil thermal conductivity, whose contribution rate was estimated to be 55 %. The thermodynamic parameters of frozen soils could be expressed as a function of soil temperature, volumetric ice content and soil salinity, while for the unfrozen ground the soil moisture content is the dominant factor for those thermal parameters. As for the soil thermal diffusivity, there exists a critical value of soil moisture content. When the soil moisture content becomes less than a critical value, the soil thermal diffusivity increases as the soil moisture content rises.     

寒区大坝心墙土料冬季冻融与防控监测

两河口水电站是雅砻江干流规划开发中的中游控制性龙头电站,大坝为300米级砾石土心墙堆石坝。由于地处川西高原气候区,冬季气候寒冷干燥,大坝心墙土料填筑过程中面临着冻融问题的困扰。基于一个完整冬季的现场监测,系统分析了这一寒区大坝心墙建筑过程中砾石土、接触黏土土料温度变化规律、冻融特征与影响因素以及现有保温措施防冻效果。结果表明,无保温措施条件下,砾石土、接触黏土均出现了负温冻结现象,其中砾石土最大冻结深度达20 cm,接触黏土达14 cm,土料冻结持续时间不超过1个昼夜,为短时冻土。土料降温冻结过程以与外界大气对流换热过程为主,受气温、风速条件影响显著,波动范围较大,而升温融化过程以太阳辐射增温过程为主,与有效辐射起始时间密切相关,因此波动范围较小。监测期内,采用三布两膜保温材料覆盖可有效防止心墙土料冻结的发生,有、无保温材料覆盖条件下浅层土料最低温度可相差约5℃。结合监测结果和现场实际,建议将现有心墙防渗土料半幅填筑方式转换为全幅填筑,并研发轻质、憎水保温材料及其快速收放机械设备,以提高填筑作业进度、强化防冻效果。系统完整的现场实测结果,可为未来寒区水电大坝建设提供基础数据和参考。     

基于微观结构重塑的非饱和冻土导热系数预测

为预测非饱和冻土的导热性能,基于土体微观结构,提出了非饱和冻土特征结构识别算法和多元素生成算法,并将该算法与传统有限单元法组合,建立非饱和冻土导热系数蒙特卡洛预测模型。通过土体SEM电镜图像,采用逆向四参数增长识别法识别土体中各组分含量、大小以及各方向分布概率;改进传统的四参数随机增长法,提出了考虑土、水、冰和气的多元素生成算法;基于生成的非饱和冻土模型,通过蒙特卡洛方法获得非饱和冻土导热系数,并与规范中冻土导热系数进行对比,验证了蒙特卡洛法预测模型的合理性（平均误差<4%）;通过多因素分析研究孔隙率、颗粒大小、土体导热性、饱和度以及结冰率对非饱和冻土导热性影响,各因素与导热系数的相关系数依次为：-0.352、-0.098、0.641、0.520和0.060,影响大小为：土颗粒导热性>饱和度>孔隙率>土颗粒大小>结冰率。各影响因素对非饱和冻土导热系数影响可以归纳为对热通量形成“热链”密度、宽度、连通性、热流承载力以及对“热桥”通量的影响。     

海相沉积软土地区人工冻土强度特性试验研究

人工冻土的物理力学指标是地铁隧道工程冻结壁设计参数和开挖的依据。通过对宁波轨道交通一号线联络通道②～⑤海相沉积软土地层人工冻土的室内单轴抗压强度和抗剪强度试验,获得了冻结前后②～⑤土层的比热容、导热系数、内摩擦角和粘聚力的对比结果以及不同温度条件下冻土的极限抗压强度、弹性模量和泊松比结果。试验结果表明:②～⑤土层人工冻结土的物理力学指标较原状土有很大的提高,人工冻土极限抗压强度、弹性模量随温度的降低而增大,近似呈线性关系。各土层泊松比、温度的变化对冻土泊松比影响较小,随温度的降低有一定的减小。在-10℃条件下,冻结前淤泥质土、粘土层的内摩擦角和粘聚力有了大幅的提高,而③1砂土层的内摩擦角增幅较小。     

水泥改良土杯型冻土壁融化温度场三维数值模拟

为掌握水泥改良土杯型冻土壁的解冻规律,以南京地铁10号线过江隧道盾构出洞水平冻结加固工程为例,对水泥改良土杯型冻土壁融化温度场进行了三维数值模拟,并研究了导热系数、比热容、相变潜热等因素变化对融化温度场的影响规律。结果表明:冻结水泥土解冻速度受初始温度影响较小,受冻土位置影响较大;解冻过程中,冻土壁外侧1 m处的非冻结土温度先降后升,冻土壁外侧3~7 m处土体温度始终呈下降趋势;随着导热系数减小、相变潜热增大、比热容增大,解冻时间延长;比热容对冻结水泥土解冻过程的影响主要体现在升温阶段,相变潜热主要影响冻土相变阶段,导热系数既影响升温阶段又影响相变阶段。