饱和粉土冻结过程中的水分迁移试验研究

改变边界温度和土样高度,对饱和粉土进行了冻结试验,研究其水分迁移、水分重分布、冻胀和冰透镜体的发展规律。试验结果表明：当温度稳定时,水分持续迁移到冻结锋面附近,含水率急剧增大,易形成冰透镜体。饱和粉土冰透镜体几何形态较为规则,无枝状交叉结构,已冻土为整体状且无网状裂隙。冻结过程中存在起始冻胀时间,在起始冻胀时间之前,土中水分被排出,冻胀发生之后水分补给到冻土中,且补给水分产生的冻胀量和总冻胀量数值接近。土样高度影响水分迁移量和冻胀量,土样越高,冻胀量越小,冻土含水率增量越小,但水分增量分布区域越分散,且起始冻胀时间越长。     

冻土水分迁移机理研究：评述与展望

土冻结过程中的水分迁移、积聚是冻害形成的关键环节,至今仍是冻土物理学研究的前沿和重要课题。二十世纪七八十年代冻土水分迁移研究黄金时代以后,长期未有经典理论和科学认知的重大突破,冻土水分迁移中涉及的许多机理性问题和关键瓶颈难题至今仍不能准确回答,尚存在很多争议和认识上的不足,现有研究成果在实际工程中的应用并不令人完全满意。因其性质的易变性、微观性和突变性,冻结相变区（冻结缘）仍是冻土水热输运研究中的一个“黑箱”。研究评述了冻土水分迁移驱动力与迁移过程相关研究的发展历程、主要研究进展与现状;分析了孔隙水压力、土水势驱动冻土水分迁移的物理原理和基本规律,综述了孔隙水压力、土水势的理论表征与试验测试等方面的最新进展、认知现状与主要科学问题;分析了三种流行的冻土水分迁移理论,即毛细水迁移理论、薄膜水迁移理论和水汽迁移理论;总结了制约冻土水分迁移科学认知突破的关键瓶颈难题,展望了未来研究的重点和方向。认为未来的研究应加强仪器设备的改进、研发与新技术引入,重点关注冻土水分迁移驱动力的物理本质和精准监测,强化冻土水分迁移的微观过程及机制认识,需从非平衡态热力学的视角关注热质输运与冰-水相变过程,注重工...     

土中水分迁移试验装置的研制

该装置由低温循环浴、恒温箱和土样盒三部分组成,全部采用国产部件。低温循环浴只用一台压缩机组可在土样两端同时提供不同的温度,温度稳定度为±0.1℃。恒温箱的温度稳定度为±0.5℃。该装置可适应不同上部荷载,温度梯度和水分补给等试验条件,用于正冻土中水分迁移、冻胀和冷生组构的形成等试验。     

季节冻土区水盐迁移及土体变形特性模型试验研究

为研究盐渍化冻土水分、盐分迁移规律以及变形特性,探索寒区旱区土壤盐渍化机制,配制了不同含盐量的粉质黏土进行模型试验。试验结果表明,温度、水分、盐分和土体变形之间相互耦合。温度降低有利于盐晶体析出和未冻水结冰;反之,温度升高易于晶体溶解和冰融化。水盐相变过程中伴随能量的释放或吸收,影响土体温度。盐分改变了流体的动力黏度和土体冻结温度,并且盐分结晶使土体产生较大的吸力,加剧了未冻水含量的变化。水分是盐分迁移的介质,盐分以离子形式随未冻水迁移。降温期水分盐分向上迁移,升温期迁移方向相反。迁移速率与吸力有关,冻结缘附近吸力最大,速率最快。盐渍化冻土的变形是盐分和水分共同作用的结果,含盐量较低时冻胀和融沉是土体变形的主要因素;当含盐量较高时盐胀和溶陷占主导作用。     

线性温度梯度下非饱和冻结莫玲粘土中的水分迁移

温度梯度影响下冻土中的水分迁移不但改变了冻土的结构构造和冰水比例,而且造成冻土物理力学性质的改变,导致冰分凝和冻胀。该课题的研究无论对于多年冻土区冷生现象的解释还是寒区工程设计都有重要意义。 为了定量评价和预报冻土中的水分迁移量,许多学者曾从理论和试验方面做了大量的工作。     

非饱和粉土路基内水分迁移规律试验研究

动载作用下非饱和粉土路基内部的水分迁移规律,对研究重载铁路在浸水状态下的路基稳定具有重要意义。基于范德堡原理,利用土样的电阻率特性,研制出一套基于GDS动三轴仪的非饱和土样含水率分布规律测试系统。利用该系统开展浸水动三轴试验,并对试验过程中非饱和试样的分层含水率进行连续测试,探究土样的初始压实度、动载的动应力幅值对非饱和土样内部水分迁移的影响规律。结果表明：该测试系统可在动三轴试验过程中对非饱和试样的分层含水率进行实时、无损、连续地测定,测试结果的最大误差为0.7%;非饱和土样在动载作用下随其含水率逐渐增大,土样的初始压实度对电阻率的影响程度减弱,接近饱和含水率时可忽略;土样初始压实度、含水率与土体电阻率具有确定的函数表达式,并具有良好的相关性及唯一性。结合试验结果分析认为：降雨及动荷载共同作用下,路基内水分在某一深度土体积聚,该区域孔隙水压力增大,强度降低,导致翻浆冒泥病害的发生;路基压实度及列车轴重增大,均会抑制路基内水分向下部迁移,有助于路基的稳定,但轴重增加,可能导致路基的失稳,当轴重大于临界动应力时,路基将发生破坏。     

多年冻土区石油污染物迁移过程试验研究

中俄原油管道原油泄漏造成的环境污染和环境岩土工程问题是目前迫切需要解决的重要问题。通过淋滤作用下的石油污染物迁移过程室内模拟试验,研究了石油污染物在冻土区的迁移过程和迁移特征,研究发现：石油污染物在迁移过程中,油、水、气三相流体存在一个动态的平衡过程,其三者共同占据土样中的孔隙空间;石油污染物在冻土区迁移主要经历3个过程：吸附、迁移和聚集;石油污染物在迁移过程中,其各个成分和各烃类化合物迁移能力都有所不同,烃类化合物中碳数和烃类结构影响其迁移速度;冻土层对石油污染物的迁移具有明显的阻碍作用,可有效防治土壤深层次污染。研究成果为冻土区石油污染物多相流（油、水、气）水热质迁移动力学模型的建立以及石油污染引起的岩土工程特性变化等研究奠定了重要的基础     

温度梯度作用下非饱和土水分迁移研究

为了探明非饱和土中的水分在温度梯度作用下的迁移规律,开展了非饱和土在不同温度梯度作用下的气态水迁移试验和混合态水迁移试验。试验结果表明土样内部的温度场在24 h内均能达到稳态且稳定后的温度场沿土样长度方向线性变化。气态水迁移量和液态水迁移量均随着温度梯度的增加而增加,气态水迁移量的增幅显著大于液态水迁移量的增幅。在气态水迁移中,温度效应随着土样初始含水率的增加而显著增加;在液态水迁移中,温度效应与土样初始含水率的关系不大。最后建立了非饱和土在不同温度梯度作用下,当其水分场接近稳态时,土样内部含水率梯度的表达式,该表达式包含温度梯度和初始含水率两个影响因素。     

温度变化条件下重塑黄土水分迁移试验

土体内部由于所处环境差异会造成水分场的不均匀分布,为了探究不同影响因素下重塑黄土水分迁移的规律,配置不同干密度、初始含水率水平的重塑土样,在不同温度梯度、不同温度水平下进行重塑黄土水分迁移室内试验,分析在4种不同因素变化下黄土体内部水分场的变化规律及机理。结果表明:土样两端施加的温度梯度越大,水分迁移速率就越快,温度势是引起土体内部水分迁移的主要驱动力;土样的干密度越大,基质势越大,同时渗透系数越小,阻碍了水分的迁移,故水分迁移速率越慢;当土样含有较大的含水率时,由于渗透系数较小,造成迁移速率较小,当土样初始含水率较小时,由于总土水势较小,造成迁移速率较小,当初始含水率在一定范围内时,其迁移速率较快;在土样两端施加的温度水平越低,导致总土水势越大,故水分迁移速率越快。      

冻融循环对土结构性影响的试验研究及影响机制分析

基于室内试验,研究了土颗粒与土孔隙在冻融循环过程中的变化情况,发现在反复冻融过程中,土样产生了颗粒破碎,从而导致土的液塑限、塑性指数、比表面积均有所增大。通过压汞试验,发现冻融循环还会使土样中的大、中孔隙含量总体增加,小孔隙的含量减少,而微孔隙的含量基本保持不变。在经历了15次冻融循环后,颗粒组成、孔隙分布及比表面积等均趋于稳定。通过分析土的三相组成在水分相变和迁移过程中的相互影响和作用,认为土的三相组成是冻融过程中水分相变和迁移的基础,冻融过程中水分相变、冰晶生长和水分迁移对土颗粒和孔隙的反作用力,是冻融循环对土结构性影响的根本原因。     

考虑冻融循环的季冻区高等级公路路基填土本构模型研究

在季冻区高等级公路路基场地取土,制成重塑土试件进行冻融循环试验。而后对经历不同冻融循环次数的土体进行三轴固结排水（CD）剪切试验,测得应力、应变数据。在大量试验数据的基础上,遵循岩土本构变化规律,以岩土弹塑性力学为理论基础,在p-q空间,以椭圆方程拟合体变屈服面,以抛物线方程拟合剪切屈服面,采用塑性关联流动,得到考虑冻融循环条件下融土的弹塑性本构方程。通过编程计算后,对比计算与试验结果,证明该双屈服面本构模型能够较为准确地预估冻融循环土体的应力-应变关系,该本构模型对季冻区路基土体长期稳定性分析和工程预测具有重要参考意义。     

冻结黏土空心圆柱试样制样方法

冻土空心圆柱仪是室内研究冻土在车辆荷载等复杂应力路径下力学特性的主要仪器,试验中为实现主应力轴方向在垂直于径向平面内连续旋转,其试样多采用薄壁空心圆柱试样,但由于空心圆柱试样薄壁的特点,增加了制样的困难,成为制约冻土空心圆柱试验研究进展的主要阻碍。为此,借鉴冻土三轴试验的制样方法,基于实验室现有的制样条件,设计了一套重塑冻结黏土空心圆柱试样的制样装置,可提高制样效率,减小制样过程中人为因素的影响;随后,基于该制样装置,提出了一种冻结黏土空心圆柱试样的制样方法,给出了制备重塑冻结黏土的制样步骤。最后,通过对所制备试样的物理力学性质测定,发现采用该制样方法可以制备含水率及干密度均匀、力学性质稳定的重塑冻结黏土试样;同时对两个平行制备的冻结黏土试样的不同主应力轴方向的定向剪切试验结果进行了比较,证明了所提出的制样方法具有良好的可重复性,且所得的冻土力学特性与已有研究成果吻合较好,可用于进一步系统研究复杂条件下冻结黏土的静、动力学特性。     

冻土水热耦合模型数值求解及结果检验

首先对作者所建立的基于多孔介质理论的季节冻土水热迁移耦合模型进行数值求解;对模型方程进行修正, 并给出了模型方程中参数的确定方法。然后以长春松原公路段土体为研究对象, 对实际工程中冻结情况下水分迁移的情况进行预测;给定模型边界条件对模型求解, 将结果与野外实际监测结果进行对比。温度变化对比数据表明, 模型可以较好地预测终值情况, 而中间过程的误差较大, 但是趋势基本一致。水分迁移方向及量的对比数据表明, 模型计算结果要小于实测结果, 但是整体上计算结果与实测结果的变化趋势较一致, 且同样是和最终值吻合较好, 误差最小。结果表明, 模型计算结果可较好地模拟参数最终值, 但存在一定误差。     

冻结作用下非饱和黄土水分迁移试验研究

通过室内大尺寸非饱和黄土冻结作用下水分迁移试验,开展了土体密度、含水量、冻结温度、冻结方式对非饱和黄土水分迁移影响的研究.试验结果表明:冻结过程中土样温度变化分为3个阶段:急剧降温阶段,缓慢降温阶段,稳定阶段; 干密度越大,稳定冻结锋面的水分迁移量越大,但冻结区的整体水分增量越小; 初始含水量越大,水分迁移量越大,并且在冻结锋面处含水量增幅越大; 在未冻结区,从邻近冻结锋面到暖端,含水量先增大后减小,初始含水量越小,这种现象越明显.此现象是冻结界面抽吸力、温度梯度和基质吸力梯度共同作用的结果.冻结方式直接影响已冻结区的含水量分布和水分迁移总量.     

新疆天山西部巩乃斯河谷积雪与森林/草地 覆盖条件下季节冻土特征分析

不同的覆盖条件下,季节冻土的特征会存在差异。为了分析积雪与森林/草地覆盖条件下季节冻土的特征,在新疆天山西部巩乃斯河上游的中国科学院天山积雪雪崩研究站的实验场地监测了森林-积雪,草地-积雪,以及草地覆盖条件下季节冻土的冻结深度,并对有无积雪覆盖条件下季节冻土发育过程中的土壤温度和土壤含水量进行了跟踪测量。结果表明：森林-积雪覆盖条件下季节冻土的冻结深度最浅,草地-积雪覆盖条件下次之,草地覆盖条件下最深。积雪的存在可以改变季节冻土的冻结深度,还会影响土壤温度和土壤含水量变化。在季节冻土的发育阶段,积雪的隔热作用使得有积雪覆盖条件下土壤温度和土壤含水量较高;在积雪消融阶段,由于积雪融水的补给,土壤含水量也相应地增加,积雪消失后由于蒸发的存在导致土壤含水量减少。     

新疆开都河流域季节性冻土特征的控制和影响因子分析

全球变暖使季节性冻土范围逐渐缩小,而季节性冻土对春季径流,尤其是春季洪峰的影响使得该方面的研究更为重要。为了分析季节性冻土广泛分布的山区不同海拔高度条件下季节性冻土发育和融化期影响因子的差异,采用通径分析方法对开都河流域不同海拔高度季节性冻土最大冻结深度和解冻日数的影响因子进行了分析。结果表明,不同海拔高度这两者的影响因子差异不大,但其控制因子存在差异。季节性冻土最大冻结深度的控制因子由低海拔处的负积温和最大积雪深度转为中高海拔处的平均相对湿度;解冻日数的控制因子由低海拔处的平均风速和最大冻结深度转变为高海拔处的平均相对湿度。该差异主要由不同海拔高度的地理位置和局地气候条件等决定。     

冻融过程对景电灌区草窝滩盆地土壤水盐动态的影响

景电灌区为干寒气候,蒸发强烈,季节冻土发育,土壤地下水位以上非饱和带毛细作用发育,在地表蒸发作用下,通过毛细作用,地下水不断地向地表运动,导致大量盐分到达地表.虽然蒸发作用下的毛细水运动在土壤水分垂直运动中占绝对优势,但自上而下的季节冻结和融化过程对土壤中水盐重分布的影响也起着重要的作用.基于冻融作用对水盐迁移驱动力和土壤结构等参数的影响,分析了冻融作用下水盐重分布的综合特征.     

季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程及水分变化

利用黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心综合实验观测场2011年11月-2012年4月整个冻结融化期的实测野外黑土耕层土壤温度和水分数据, 对中-深季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程中冻结和融化特征分阴、阳坡进行了分析, 研究了冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 并探讨了降水对不同深度耕层土壤含水量变化的影响. 结果表明:黑土耕层土壤冻结融化过程分为5个阶段, 历时164 d, 约5.5个月. 阶段I, 秋末冬初黑土耕层土壤开始步入冻结期; 阶段II, 黑土耕层土壤整日处于冻结状态, 阴坡比同样深度的阳坡土壤温度低; 阶段III为黑土耕层土壤稳定冻结期; 阶段IV, 黑土耕层土壤步入昼融夜冻的日循环交替状态, 冻融循环的土层逐渐向深部发展, 阳坡比阴坡融化得更深、更早, 阴坡比阳坡经历冻融循环次数更多; 阶段V为稳定融化期, 在融化过程不存在冻融交替的现象, 直到整个冻层内的土壤全部消融. 各深度位置阴坡土壤温度的最高值出现时间比阳坡晚约0.5 h. 经过整个冻结融化期后, 阴、阳坡各层土壤含水量均大于冻结前, 阴坡土壤含水量比阳坡整体偏低. 在整个冻结融化期, 阳坡地下1 cm、5 cm、10 cm 及15 cm处含水量最大值出现在地下5 cm; 阴坡的含水量整体趋于平稳且在融化期受降水影响明显.     

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。     

季节冻土区高铁路基冻胀研究进展及展望

随着我国高速铁路建设的快速发展,穿越广阔季节冻土区的高速铁路越来越多,工程面临的冻胀问题已成为研究和工程人员关注的焦点,并取得了许多研究成果。基于前人研究,总结了我国季节冻土区高速铁路路基冻胀特点和分布规律,探讨了高铁路基粗颗粒填料的冻胀特性及其影响因素,分析了路基在冻融过程中水热变化情况,讨论了现有高铁路基防冻害措施以及其适用性。在此基础上,提出季节冻土区高铁路基冻胀研究面临的主要问题及展望,为季节冻土区高铁路基冻胀及其防治工作研究提供新思路。