饱和正冻土中的水、热、力场耦合模型

土体在冻结过程中 ,不论是融土区、过渡区 (指正在形成的分凝冰及冻结缘区 )还是冻土区所涉及的问题不仅是温度场、水分场问题 ,而且涉及到力学场问题 ,并且力学场对土体的变形过程 (冻胀、压密 )及分凝冰的形成起着重要的作用 .依据连续介质力学、热力学原理 ,提出了土体冻结过程中的三场耦合方程 .并指出 ,土体冻结过程中的体积变化与应力状态、补 -排水条件、冻结条件密切相关 ;体变包含弹性部分、孔隙水变化引起的固结或膨胀部分、相变引起的体变及冻土区粘塑变形部分 ;水分驱动力控制着水分迁移量 ,它是由土基质势、溶质势、冰基质势、孔隙水压力及重力势组成 ;冻结缘现象是由于该区各点处的水分驱动力与相变温度同时满足相变条件而形成 ,冻结缘区含冰量的多少取决于冷能供给情况 ;分凝冰的形成及发展是引起较大冻胀的主要来源 ;分凝冰的形成条件由温度场及力学场统一控制 .即温度要达到相平衡条件 ;孔隙水应力除用于抵抗土骨架有效应力外 ,还需克服土颗粒间的粘聚力     

冻融循环过程中土体的孔隙水压力测试研究

冻融循环对土的结构以及物理力学性质有着重要影响,其变化与冻融过程中的孔隙水压力变化有密切关系。但土体冻结过程中的孔隙水压力测试一直是冻土土工测试试验的技术难题。针对这一难题,研发了一种适用于冻结土体孔隙水压力测试的探头,并对砂土和粉质黏土在冻融循环过程中的孔隙水压力发展变化进行了实时监测,获得了圆柱试样冻融循环过程中不同深度处的孔隙水压力变化过程。在冻结过程中,粉质黏土形成冻结缘区及可视的分凝冰,而砂土则无冻结缘及分凝冰的形成。冻融循环过程中土体内部的孔隙水压力变化受温度、冻结速率、冻融循环以及土质等因素的影响。孔隙水压力随温度的循环变化而经历周期性变化：冻结过程中,孔隙水压力不断下降,吸力不断增加;融化过程中,孔隙水压力增大。而冻结速率、冻融循环及土质主要对孔隙水压力降的幅值变化产生影响。此外,冻结锋面位置附近孔隙水压力的下降、吸力的增加,正是水分由未冻区向冻结区迁移的主要驱动力。根据以上试验结果及其理论分析发现,所研制的孔隙水压力探头具有一定的实用性。     

饱和正冻土水分迁移及冻胀模型研究

正冻土在温度梯度大的情况下,冻结锋面快速移动,孔隙水变成冰,造成原位体积膨胀;而通常在天然条件下,温度梯度都不大,水从未冻区向冻结区迁移,在某一个位置引起冰的累积,形成分凝冰。由于此诱发的冻胀要比原位冻胀大很多,因此,建立一个能够模拟土体水分迁移及分凝冰形成过程的冻胀模型尤其重要。基于第2冻胀理论,建立了饱和土体冻胀模型。在模型中,假设冻结缘中单位时间内水分迁移速度为常数,以计算冻结缘内水压力,再根据克拉方程得到冰压力。根据冰压力的大小作为分凝冰形成判据,研究中假设新的分凝冰形成以后,上一层分凝冰停止生长。模型把水分迁移和冻胀速率当作基本的未知量,模拟了与可天然土体冻胀类似的底部无压补水和顶部加压的冻胀情况。通过数值模拟与试验结果进行对比,初步验证模型的可靠性,其研究结果为实际寒区工程的冻胀预测提供参考。     

正冻土中冰透镜体形成力学判据的分析讨论

冻结缘是正冻土中从未冻区向冻结区过渡、并且非常薄的冰水共存带. 由于冻结缘在正冻土中位置的特殊性和其对冻胀的重要性, 从其概念的提出并在试验中得到证实后, 基于冻结缘的第二冻胀理论得到了快速发展. 通过分析近些年冻结缘的研究现状及冻结缘内冰-水压力关系基本可以发现, 由于受到现有观测和测试技术的限制, 描述冻结缘的很多参数大多来自于经验. 土体在冻结过程中, 在温度梯度小的情况下, 可以形成不连续的多层分凝冰. 只有了解冻结缘的特性才能更深刻了解分凝冻胀. 但关于分凝冰的形成判据却有很多种, 主要分为两类:一类是以热物理方面作为判据; 另一类是以力学方面作为判据. 通过对分凝冰形成的各种判据的综合分析和比较, 发现用冰压力和未冻水膜压力判断分凝冰形成是比较合理的, 而用孔隙压力则因为水压力概念的不清而显得模糊. 这些分析将为冻土冻胀理论的研究提供科学参考.     

基于分层核磁测试新技术的未冻水变化规律研究——以砂土冻融过程为例北大核心CSCD

土体冻融过程中的未冻水动态变化与冰-水相变过程密切相关,是冻融过程中非饱和土研究的重要基础。利用在线控温以及分层扫描的核磁共振新技术直观测试冻融过程中非饱和砂土的未冻水含量。结合T_(2)分布曲线(曲线上不同的T;值对应着孔隙水类别特性,曲线下方的面积对应试样水分含量)在冻融过程中的峰值大小和峰面积数据反演土体中含水量的大小与赋存的位置,而曲线的峰形态以及弛豫范围(各峰起始值以及终止值)等信息反演不同类型水分(吸附水与毛细水)以及土体结构的分布。在处理试验结果时,首先依据测试得到的冻结温度划分试样冻结区与未冻区。冻结区与未冻区未冻水含量及其孔隙变化差异明显,究其原因是冰水相变与水分迁移。在土样冻结区域冰水相变占主导地位,水分主要由未冻区向冻结锋面附近的e、f层迁移。首先以中大孔隙中毛细水迁移为主,其次以小孔隙中的吸附水迁移为辅。依据水相变成冰体积增大和孔隙体积占比数据分析可知,冻结区微小孔隙会在冻结过程中连通形成中大孔隙;而在未冻区水分迁移占主导地位。未冻区受固结作用中大孔隙压缩形成为小孔隙。试验过程中冻结锋面附近的e、f层孔隙变化最为剧烈。     

饱和软黏土中埋地管道冻结模型试验研究

为研究软土地区埋地管道在土体冻结过程中的管道受力机理, 开展了饱和软黏土中地埋管道冻结模型试验。通过人工冻结技术, 近似还原了管土受冻过程, 研究了人工冻结过程中土体温度场、 水分场、 位移场分布情况, 以及管道的力学特性。结果表明： 在冻结过程中, 土体温度场的变化直接影响着土中水分场的分布; 在冻结锋面前缘存在着剧烈的水分迁移现象, 大量的水分向冻结锋面迁移, 使得土体产生线性冻胀; 冻胀发展速率受外部荷载的直接影响; 当冻结发展到管道处时, 位于冻胀和非冻胀过渡段位置处的管身出现应力最大值。研究结果对于正冻土中管道的安全评估具有重要的意义。     

现浇混凝土-冻土接触面冻结强度直剪试验研究

关于混凝土-冻土接触面的力学强度研究多集中于预制成型混凝土样（块）与冻土接触面的力学试验研究,而与工程实际更为接近的冻土中现浇混凝土、冻结稳定后混凝土-冻土接触面的力学强度研究则少有涉及。基于冻土中现浇混凝土的试验方式,开展了不同水灰比、含冰量及冻土温度条件下,混凝土-冻土复杂接触面冻结强度的直剪试验研究。结果表明：试验条件下,由于混凝土中粗、细骨料导热系数及水化热侵蚀强度不同,冻土中现浇混凝土会导致混凝土-冻土接触面发生起伏变化。受该因素影响,粗糙接触面较光滑接触面的冻结强度增大71.9%。粗糙接触面引起的应力集中,使得剪应力在剪切破坏过程中出现间歇性增大、跳跃。在冻结强度构成中,随接触面粗糙程度的增大, φ值对冻结强度增长的贡献要大于c值。水灰比由0.4增至0.6,混凝土导热系数降低,生成接触面趋于光滑,冻结强度减小;土体含水量由15%增大至30%时,冻结强度增大,含水量继续增大至40%时,冻结强度减小;在不同温度条件下,整体呈现冻土温度降低冻结强度相应增大的趋势。基于上述结果,多年冻土区灌注桩设计时,建议混凝土采用0.4~0.5水灰比。     

单向冻结条件下硫酸盐渍土热质迁移及变形特性研究

对水盐补给条件下硫酸盐渍土中的热质迁移、孔隙流体相变过程以及硫酸盐渍土盐冻胀变形进行了理论和试验研究。基于非饱和土力学和热弹性连续介质理论,建立了非饱和硫酸盐渍土中水-热-盐-力多物理场耦合的数学模型,其中考虑了孔隙内相变对热力学和水力学参数的影响,通过数值模拟分析了开放系统单向冻结条件下土体内部温度场、水分场、盐分场及应力场的变化过程,并利用室内降温试验对理论模型的有效性进行了验证。研究结果表明：盐分在结晶时所析出的潜热会直接影响到水分冻结成冰的过程;土体孔隙溶液浓度在开放系统单向冻结条件的影响下随时间先快速增长至峰值而后逐渐下降,最终趋于稳定;在负温的影响下,土体内部水分相变成冰,并逐渐形成冻结锋面,随着冻结锋面的下移,土体盐冻胀程度越来越大。     

土体龟裂力学机理及理论模型研究进展

土体龟裂是一种常见的自然现象,它对土体的物理力学性质有重要影响,是许多工程地质及环境地质问题的重要诱因。开展土体龟裂研究,探讨其形成机理并构建相应的理论模型,一直是本课题的研究重点和难点。根据近年来国内外围绕土体龟裂所取得的研究成果,着重对土体龟裂的力学机理及相关理论模型研究进展进行了归纳和总结,并依据各模型的理论基础及其特点进行了分类和评价,得到如下主要认识:学界关于龟裂的形成机理尚未有统一认识,主流观点认为龟裂是土体张拉破坏的一种表现形式,张拉应力和抗拉强度是控制龟裂形成的两个关键力学指标,但上述力学机理不能解释所有的土体龟裂现象。与土体龟裂相关的理论模型总体上可以分为4大类:（1）以断裂力学为理论基础的模型:代表性的有线弹性断裂力学模型、弹塑性断裂力学模型和基于线弹性断裂力学的有限元模型;（2）以张拉破坏为理论基础的模型:代表性的有线弹性力学模型、剪切破坏模型、弹性力学模型和黏性开裂模型;（3）以土体干缩变形过程为基础的含水率-体积变化模型;（4）以土体固结理论为基础的应力路径分析模型。在此基础上,进一步对各模型的适用条件及不足之处进行了评价。最后,笔者对该课题今后的研究重点和方向提出了建议,包括:蒸发过程中土体微观结构变化及微观力学分析;蒸发过程中孔隙水的迁移过程、分布特征及赋存状态研究;土体收缩研究;土体抗拉强度研究;裂隙发育宽度及深度预测理论模型研究;龟裂发育几何形态特征预测理论模型研究。     

土体冻结过程中的热质迁移研究进展

土体的冻胀，融沉问题归根结底是热质迁移问题，文章概述了近年来在国际上有关这方面研究的新成果，总体上讲，冻结缘的厚度，分凝冰形成温度以及冰透镜体形成条件等作为热质迁移试验研究的重点受到关注，质的迁移研究不仅仅限制在水分的迁移，而且对于矿物质，溶质，气体等的迁移以及对水分迁移的影响都有不同程度的研究，对于冻胀预报模型，已从经验型过渡到依据基本物理，力学，热动力学理论而建立的理论模型，今后的研究发展方向是加强室内参数测试水平以及对理论模型的普遍性验证。     

冻土水热力耦合研究现状及进展

开展冻土水热力三场耦合研究对解决寒区工程问题具有重要的理论指导意义。归纳了冻土水热力耦合的理论基础,认为目前的水分迁移驱动力假说仍然不能很好地解释水分迁移现象,分凝冰的形成机制及判据仍需进行深入的研究。分类和评价了常见的正冻土水热力耦合模型,发现流体动力学模型虽然能够很好地描述水热迁移现象,但未考虑非连续冰透镜体;而较复杂的刚冰模型虽然考虑了冻结缘内水热迁移耦合现象,但是参数众多;热力学模型从微观角度描述了冻土水热力并考虑孔隙吸力,但仍存在参数众多的问题。同时,对预融膜理论在冻土水热力耦合问题中的应用进行了分析和展望,认为可以借助预融膜理论对冻土水热力耦合中的能量、水分迁移驱动力以及迁移速率等进行描述。最后,基于冻土水热力三场耦合研究现状及存在的问题,提出了冻土水热力耦合研究的总体构想：研究与实际情况相符同时适用于稳态及非稳态的通用数学表达式,开展冻土物理学各个参数的动态变化研究,纳入非饱和土体在冻融过程中的水热力相互作用研究,实现水热力在真正意义上的耦合,同时,加强预融膜理论在大尺度、陆面过程以及水热边界等方面的应用研究。     

温度-湿度-荷载综合作用下路基冻融过程试验研究

为了研究季节冻土路基内部温度场、水分场及应力场综合效应的变化特性,基于自主研发的温度-湿度-荷载综合模型试验测试系统,进行室内路基模型的冻结与融化循环试验,分析了冻融循环过程路基内部土体水、热及力学性能的变化特性.试验表明:冻结过程中,初期温度变化大,温度梯度从顶端向底部逐渐递减;路基顶冻结后,0℃冻结锋面不断往下移动,0℃分界线两段内温度梯度差异大;路基含水率分为冻结区未冻水含量似稳定段、过渡区未冻水快速相变段、未冻结区含水率减小段.融化过程中,温度变化先大后小,未冻结水含量与温度大小相关,路基内部含水量呈现中间增大,两端减小的情形.水热综合作用下,应力场表现:冻融过程中,路基回弹模量随着冻结深度的增大呈线性增加,随融化深度的增加而减小;路基回弹模量随冻融循环次数增加而衰减,当达到6次时,衰减趋于稳定.结果表明,土体水热耦合作用是影响路基土体力学性能的关键因素.     

黏性土失水开裂多场耦合离散元数值模拟

黏性土在失水过程中逐渐变形开裂,裂隙相互交错形成网络,这一过程涉及水热力等多场耦合的作用。本文基于南京大学自主研发的三维离散元软件MatDEM,采用紧密堆积离散元模型对土体开裂进行模拟。在此模型中,每个离散元单元代表一定体积的土颗粒、孔隙和孔隙水的集合体。单元具有含水量属性,并采用有限差分思想计算水分运移量,实现了水分场模拟。同时,考虑水分场对土体抗拉强度等力学性质的影响,建立水分场和应力场的耦合。在数值模拟中,假定土体表面水分以一定速率蒸发,根据试验数据由含水量计算单元直径和力学参数,从而实现黏土蒸发失水、收缩和开裂变形过程模拟。数值模拟与前人室内试验结果基本一致,能较好地再现开裂过程中的各个阶段。本文为研究多场作用下土体变形破坏模拟提供了一个新的思路。     

饱和正冻土冻结过程的冻胀变形分析

在分析土体冻胀形成原因的基础上,通过建立冻胀过程的应力场控制方程和温度场控制方程,利用固相增量法和热弹性力学理论,推导出冻胀过程中在温度场影响下的应力分量。在此基础上对冰透镜体形成条件进行了补充,提出相变温度也是冰透镜体形成的必要条件。通过对冻结过程机理的分析,在考虑温度和未冻水对冻胀量的影响基础上,对原位冻胀和分凝冻胀机理分别进行了讨论,给出完整冻胀量的理论计算方法,该方法可以更贴近描述土体实际冻胀过程。     

不同冻结方式下盐渍土水盐重分布规律的试验研究

土体的冻融历史在土体的冻胀预报和评估的作用不可忽略,不同的冻结方式将影响土体中的水盐重分布及干密度的变化差异。选择土样底端温度相同情况下的单向冻结、正弦波曲线冻融循环和负温循环冻结3种冻结作用模式,对青藏高原铁路沿线红色粉质黏土进行了试验研究,分析了3种冻结模式下土体的冻胀量的变化、水分和盐分的重分布状况以及土体干密度的变化规律,试验结果表明单向冻结过程由于冰的自净作用,阻止了盐分的迁移;土体周期冻融循环后变形具有不可累加性,盐分在随水分发生对流迁移的同时会发生由浓度梯度诱导的扩散迁移;在冻融作用下,土体的压密变形是客观存在的,即体现了冻融对该试验条件下土体结构的强化作用     

深厚表土层中冻结壁物理模拟试验研究进展

针对冻结法凿井工程面临的表土层厚度不断增加,而现有冻结壁的设计理论滞后于工程实践的问题,由于冻结壁是属于水、温度、应力、位移多场耦合的非线性问题,且冻结法凿井工程本身特殊力学行为（有压冻结一开挖卸载～支护加载）,理论和数值模拟研究进展不能满足工程要求的现状．依据相似理论的物理模拟试验研究是目前条件最可能获得相对准确规律...     

饱和颗粒正冻土一维刚性冰模型的数值模拟

基于刚性冰模型,应用有限差分法离散方程组,对于饱和颗粒土开放系统的冻结过程进行了一维数值模拟,给出了冻结缘内参数的分布.计算过程中修正了刚性冰模型中分凝冰产生条件,提出以冻结缘内冰压与载荷的关系作为分凝冰产生的判据,计算得到的冻胀量与实验室冻胀实验的测量数据较为吻合.将计算结果与现场实测资料进行了比较,温度场、含水量分布等结果在分布规律方面与现场实测资料相符.     

粗颗粒硫酸盐渍土水盐迁移规律及变形特性研究

针对封闭系统下粗颗粒硫酸盐渍土在冻结过程中的水盐迁移和变形特性开展了理论和试验研究。基于非饱和多孔介质热弹性理论,考虑孔隙水盐相变,建立了适用于粗颗粒盐渍土水-热-盐-力多场耦合模型,并对单向冻结条件下粗颗粒盐渍土的温度场、水分场、盐分场和位移场分布进行了数值模拟。通过配制含硫酸盐的细砂作为土样开展了单向冻结条件下的室内试验,测定了冻结过程中的温度、水分、盐分以及变形的分布,并与数值结果进行了比较,验证了理论模型的有效性。结果表明:砂土结构孔隙更大,水分和盐分更容易渗透和迁移,在单向冻结试验中,水盐迁移速度更快;细砂的轴向位移呈现先下降后上升的变化趋势,且收缩变形持续时间较黏土更长;由于暖端水分向冷端迁移致使暖端土体孔隙减小,下部土体变得更加密实,土柱下部侧壁压力大于上部。     

非等温条件下道路水分迁移的数值模拟

通过分析季节冻土区的温度分布规律,建立了温度随时间的变化函数.在此基础上,基于连续介质力学和热力学理论,建立了道路水分迁移过程中的水热耦合动力学模型,并对季节性冻土地区的水分迁移现象进行数值模拟分析,初步探讨了在非等温冻结条件下,水热耦合过程中路基填料的含水量和温度随时间和深度变化的关系,计算结果表明,冻结过程中在冻结峰面附近形成一个冻结含水量峰值,且该峰值随着冻结时间的延长而向深度发展,这对于路基路面的综合设计,道路冻害的预报有着重要的理论意义和实际应用价值.但要真正体现道路路基水分迁移的机理,有待于建立水分迁移过程中水、热、动载和渗流耦合模型,这是有待于进一步解决的问题.     

饱和颗粒正冻土-维刚性冰模型的数值模拟

基于刚性冰模型，应用有限差分法离散方程组，对于饱和颗粒土开放系统的冻结过程进行了一维数值模拟，给出了冻结缘内参数的分布．计算过程中修正了刚性冰模型中分凝冰产生条件，提出以冻结缘内冰压与载荷的关系作为分凝冰产生的判据，计算得到的冻胀量与实验室冻胀实验的测量数据较为吻合．将计算结果与现场实测资料进行了比较，温度场、含水量分布等结果在分布规律方面与现场实测资料相符．