冻土导热系数热流计法模拟试验及成果分析

导热系数表征物体内部较热部分向较冷部分传递热量的能力,冻土导热系数是冻土区天然温度场变化研究和土木建筑热工计算中的重要指标.介绍了冻土导热系数热流计法测试的仪器设备和试验方法,对取自大兴安岭多年冻土带的5种典型扰动土料,分别进行冻融两种状态下热流计法模拟试验.通过回归分析,得到估计这5种冻土导热系数的经验公式,同时分析...     

热流计法测定导热系数

本方法试验装置分为两个系统:恒温系统和测温测热系统。恒温系统由两台低温循环浴与恒温箱组成;测温测热系统由热流计和两支热电偶及数据采集仪组成。试样要求制成0.25×0.25×0.05m~3的试样块,若是颗粒或粉沫试样,可装入两个侧面及底部是胶木、两个平壁面是铜板构成的0.25×0.25×0.05m~3的试样盒内。将试样粘贴好热流计与热电偶后放入恒温箱内夹紧,使其两个壁面与试样之间接触紧密。接通低温循环浴和测温测热线路电源,调好所需温度,待温度状况稳定后,采集热流计读数和两壁面温度,据此计算出导热系数。     

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。     

楚玛尔河黏性土与砂土导热系数试验研究

为探究青藏工程走廊带楚玛尔河地区冻融土导热系数的基本规律,采用瞬态平面热源法测试了148个冻土试样和88个融土试样导热系数。对楚玛尔河地区黏性土和砂土导热系数的总体特征及影响因素进行分析;对黏性土、砂土导热系数与干密度和含水率之间进行二元回归方程拟合,并分别建立黏性土、砂土RBF神经网络预测模型。结果表明:楚玛尔河黏性土导热系数分布较为集中,砂土导热系数离散度高,分布范围较广;二元回归方程对黏性土、砂土导热系数平均拟合优度较低;与二元回归方程相比,以干密度和含水率作为输入因子所建立的楚玛尔河黏性土、砂土导热系数RBF神经网络预测模型具有更高的精确度。研究成果可有效预测青藏工程走廊带土体导热系数,对冻土温度场计算具有重要指导意义。     

含盐土导热系数的试验研究

室内试验表明, 含盐土的导热系数与其含盐成分(盐类)及含量有很大的关系. 同类土在含水量和干容重相同时, 在同一正温条件下粘土和砂土的导热系数是随氯化钠盐含量的增加而增大, 随硫酸钠盐含量的增加而减小; 在同一负温条件下, 无论何种土和含何种盐其导热系数均随含盐量的增加而减小, 含盐砂土和含硫酸钠盐土减小幅度显著. 硫酸钠盐土在含盐量相同时, 导热系数在负温区随温度升高而减小, 在正温区随温度升高而增大; 硫酸钠盐土在含盐量和温度相同时, 其导热系数随含水量的增加而增大.     

冻结过程土体导热系数影响因素及预测模型研究

为探究土体导热系数的基本规律,采用瞬态平面热源法测试了冻结过程土体导热系数。研究了土体在不同温度、含水率和干密度物理指标下导热系数变化规律,分析了这三个物理指标动态变化对土体导热系数的影响机制。基于试验数据,建立了DT、RF、GBDT、AdaBoost、SVR、BPNN共六种机器学习模型以预测土体导热系数,通过四个性能指标评估了六种机器学习模型的预测能力,并与三种经验模型进行了对比。此外,基于RF和GBDT进行了特征重要性分析。结果表明:未冻结阶段土体导热系数无显著变化。剧烈相变阶段,因含水率和干密度的不同,土体导热系数随温度的降低分别呈现出减小和增大的趋势,其中增大的趋势随着含水率的增加而增加。冻结阶段,因测试过程中土样的水分蒸发和迁移,土体导热系数随着温度的降低而减小。土体导热系数均随干密度和含水率的增加而增加。根据评估结果,六种机器学习模型中RF的表现较好(RMSE=0.036,MAE=0.028,R²=0.993,AD=0.004),明显优于三种经验模型,RF相较于经验模型也能更准确地预测出其他地区的土体导热系数,建议使用RF预测冻结过程土体导热系数。特征...     

昆仑山地区冻融土导热系数试验测试与预测模型研究

为探究青藏高原工程走廊带昆仑山地区冻融土导热系数基本特征,采用瞬态平面热源法对钻取的349组冻土试样和245组融土试样导热系数进行了测试,分析了五类土导热系数分布特征及天然含水率、干密度与导热系数的偏相关性,并以两者为变量因素建立了经验公式拟合、支持向量回归（SVR）和径向基（RBF）神经网络导热系数预测模型。结果表明:冻融土导热系数整体均呈粗颗粒土大于细颗粒土特征,且冻土和融土导热系数随土性分布规律存在差异;天然含水率、干密度与导热系数均呈正相关性,不同土类偏相关性结果差异明显,典型土导热系数二元经验回归方程表现为非线性拟合结果。对比三种预测模型下各典型土冻融土导热系数预测结果,全风化千枚岩、角砾及砾砂三种预测模型效果整体较佳,粉土的SVR及RBF神经网络预测精度较好;融土导热系数预测效果整体略优于冻土,SVR及RBF神经网络模型下角砾、粉土及全风化千枚岩融土导热系数预测精度较高。综合导热系数模型预测效果和误差结果分析可得,SVR和RBF神经网络模型预测效果显著优于经验方程拟合,后者针对部分土性拟合效果相对较好,可满足一般工程估算需求;SVR和RBF神经网络预测模型针对不同土性导热系数预测效果呈差异性变化,整体预测效果相当,且预测精度更高、应用土性范围更广。     

天然粘性土导热系数影响因素的试验研究

天然岩土导热系数的测定目前还没有统一的国家和行业标准.为更准确地获得天然岩土导热系数,采用GB/T50123-1999国家土工试验方法,在驻马店市城区某钻孔采集土样进行实验,分析含水率、直径和厚度对其导热系数的影响.结果表明,直径小于一百毫米时,导热系数增长较快,直径大于一百毫米时,导热系数增长缓慢,同时,导热系数随厚度和含水率的增大而增大.     

南方地区城市生活垃圾导热系数的试验研究

温度场对垃圾填埋场的衬垫系统、气体运移和垃圾土工程特性等存在显著影响,导热系数是研究填埋场内温度场的重要参数。以台州卢岙里垃圾填埋场为研究对象,采用DRCD-3030型智能化导热系数测定仪,测定了不同孔隙率和含水率条件下的垃圾导热系数。试验中,垃圾试样的含水率分别取0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%和50%;垃圾的孔隙率分别取77.8%、75.0%、71.4%和66.7%。试验结果表明：干垃圾导热系数较小,仅为标准状态空气导热系数的2.5～3.5倍,并随孔隙率的增大而减小;非饱和垃圾的导热系数随含水率的增加而增大,当含水率相等时,孔隙率越小,垃圾的导热系数越大。根据垃圾导热系数的实测数据,利用修正几何加权平均模型和线性拟合技术,建立了垃圾导热系数的计算公式,可以为垃圾填埋场温度场的研究提供重要参考。     

岩质边坡相似材料导热系数的试验研究

基于相似材料配比的正交试验方案,制备了不同成分和配合比的相似材料试样,量测了各试样的导热系数值,研究了相似材料中含水率、胶结物及砂胶比等变化对导热系数量值的影响。研究结果表明:由于水和空气的导热系数差异较大,试样中含水率变化对导热系数量值的影响显著; 胶结物在试样中所占比例小,其成分因水化引起的孔隙率变化有限,胶结物成分和配比变化对导热系数量值的影响可以忽略; 受砂与胶结物之间的相互作用,胶结物成分和配比方案将改变砂胶比对导热系数量值的影响。当胶结物成分为石灰和石膏时,影响导热系数值的因素依次为含水率、砂胶比和胶结物,并随着砂胶比的增大,导热系数值在增加,但增幅逐渐减小; 当胶结物成分为水泥和石膏时,影响导热系数值的因素依次为含水率、胶结物和砂胶比,但随着砂胶比的增大,导热系数量值变化可以忽略。     

掺微胶囊相变材料粗粒土的冻胀试验研究北大核心CSCD

微胶囊相变材料(PCM)是一种可以通过转变形态而影响温度变化的材料。为了研究相关材料对路基土冻胀的影响,对普通粗粒土及掺入不同含量(5%、8%、10%)微胶囊相变材料粗粒土进行单向冻胀试验。结果表明:与普通粗粒土相比,掺入微胶囊相变材料能延缓粗粒土的温度变化,且土体具有较高的温度终值;同时,能对土样冻结深度的发展产生影响,降低粗粒土最大冻结深度值;也能减弱粗粒土的水分迁移能力,土体的补水量以及最终含水率均有不同程度的减小;掺入微胶囊相变材料能抑制粗粒土冻胀的发展,冻胀量以及冻胀率均得到一定程度的减小。比较掺入5%、8%和10%含量微胶囊相变材料粗粒土冻胀试验结果发现,更高含量的微胶囊相变材料在影响粗粒土的温度、水分以及冻胀等方面表现出更佳的改善效果。因此,在冻土区高铁路基土中掺入微胶囊相变材料,对改善路基冻胀的发生具有一定的工程意义。     

青藏高原北麓河地区原状多年冻土导热系数的试验研究

取自青藏高原北麓河试验段的原状冻土, 利用 QL-30 热物性分析仪测定原状冻土的导热系数. 结果表明: 原状冻土和重塑土的导热系数变化规律存在着较大差别. 对于浅部冻土层, 气体体积含量和含冰量是影响原状冻土导热系数的控制因素; 而对于地下冰层, 冰是控制其导热系数的最重要因素, 气体体积含量的大小也对其导热系数有影响. 对于深部强 全风化泥岩, 气体体积含量控制着它的导热系数的大小.     

水泥胶结钙质砂导热系数的影响因素试验研究

为了探讨水泥掺量P_s、水灰比W/C(W为水质量,C为水泥质量)、含水率ω等因素对水泥胶结钙质砂导热系数λ的影响规律,基于热探针法测定了不同试验条件下水泥胶结钙质砂的导热系数,分析了各因素影响下导热系数的变化规律,运用电镜扫描技术阐释了上述变化趋势发生的微观机制;在此基础上,提出了考虑水泥掺量、水灰比、含水率3个因素共同影响的水泥胶结钙质砂导热系数计算模型。试验结果表明：(1)水泥胶结钙质砂的导热系数λ显著大于天然钙质砂的λ值,随着水泥掺量P_s的增加,λ值递增,但增长幅度依次递减;(2)水泥胶结钙质砂导热系数λ随含水率ω的增加而递增,呈正相关关系;水灰比W/C越大,λ反而越小;(3)水泥胶结钙质砂内微孔隙大小、数量的变化从本质上决定了其宏观热传导特性,凝胶状水化产物连续填充其内部孔隙,引起其孔隙率降低,改善砂样内部传热,宏观表现为其导热系数λ随着胶结程度的增加而递增;(4)综合考虑P_s、ω、W/C的3个因素共同影响的水泥胶结钙质砂导热系数计算模型具有很好的适用性,相关系数R~2=0.916 4。     

砂土拱效应的挡板下落试验及机理研究

土拱效应对考虑拱效应时土压力的计算非常重要,而目前对土拱效应的形成机理认识还不深刻。通过自行设计的室内挡板下落试验对砂土拱效应的问题进行了试验研究。得到了不同的土体埋深情况下,随挡板下移挡板上土体重量、箱内土体的应力和侧压力系数的变化规律。试验结果表明,挡板微小的位移挡板上土体的重量就会快速降低;随着挡板继续下移挡板上土体重量降低的趋势逐渐减缓,认为挡板下移2.5 mm时上部土体达到临界状态;随挡板下移箱底挡板上部中心线上的竖向土压力减小,挡板两侧上部土体的竖向土压力增大;挡板上部中心线上的侧压力系数明显增大。通过土体内的应力变化规律对砂土拱效应的形成机理进行了分析。     

低温盐侵蚀环境下砂浆孔隙水相变特性研究北大核心CSCD

砂浆孔隙溶液水盐相变特性是研究其水-热-盐耦合模型以及水泥基材料损伤机理的关键理论基础。为探究河西走廊盐渍土地区砂浆孔隙溶液水、盐相变规律,首先利用差示扫描量热法测定水盐相变过程中热流、相变温度等热参数;其次基于热量守恒和水分质量平衡方程,初步实现水盐分离;然后分别计算不同温度下的冰、盐晶和未冻水含量,揭示了低温下砂浆孔隙溶液水盐相变机理;最后结合微观扫描和物质能谱图,明晰了砂浆内部劣化机制。研究结果表明:随着盐浓度增大,砂浆孔隙溶液冻结温度降低、相变时间延后、水盐相变顺序调换及未冻水含量向低温方向移动;相同盐浓度下,氯化钠对砂浆孔隙溶液冻结温度的降幅最大,混合盐次之,硫酸钠最小;砂浆在低温盐侵蚀下遭受物理化学耦合作用,其中氯化钠对砂浆破坏性最大,混合盐次之,硫酸钠劣化相对较轻。     

微胶囊相变材料改良粉质黏土的冻胀特性研究北大核心CSCD

微胶囊相变材料(microencapsulated phase change material, mPCM)具有出色的储热能力,可以减轻季节冻土在冻结和融化过程中的温度波动。使用扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱和热分析等研究手段,全面评估2种分别以硬脂酸丁酯和石蜡为芯材,SiO2为壳材的mPCM(B-PCM, P-PCM)的物化表征,再以兰州地区粉质黏土为研究对象,通过冻融过程和冻胀试验研究4%、8%、10%掺量的mPCM对粉质黏土冻胀特性的影响。试验结果表明:mPCM在相变过程中释放的潜热为土体提供了保温效果,10%添加量的mPCM复合土试样从10℃下降至-10℃所需的时间较于素土试样延长约70%。土体的冻胀变形、冻结深度和含水率变化率随mPCM掺量的提高而降低;B-PCM和P-PCM核壳比的差异导致其冻胀后的水分迁移幅度表现出不同的趋势。总体而言,mPCM对土体的正面影响表现为提升保温性能、抑制冻胀变形等,但其添加量超多8%后会引起土体浅表层的冻胀加剧,这与SiO2壳材的吸水性有关。     

地铁盾构隧道近接施工风险等级评估方法研究北大核心CSCD

为准确掌握地铁盾构近接施工的风险等级,以近接既有隧道施工断面的地表沉降变形监测成果为基础,先分析研究其变形规律,再利用累计变形判据和变形速率判据实现近接施工的风险等级评估。实例分析表明:在近接施工段,地表变形具波动起伏特征,最大沉降量已达27.22 mm,说明近接施工对周围土体的扰动影响较为显著,但就现状变形而言,累计沉降量及变形速率均在预警值范围以内;同时,在近接施工风险等级评估过程中,各类风险判据的评估结果是不同的,侧面说明了近接施工风险评估判据应具多样性,且通过计算,得不同监测点的综合风险等级也存在一定差异,风险等级间于Ⅱ级~Ⅲ级,按不利原则,综合确定近接既有隧道段的施工风险等级为Ⅲ级,需提高监测频率,以切实保证施工安全。本次研究为合理评价近接施工风险等级提供了一种新的思路。     

气候变暖背景下青海三江源区季节冻土冻融特征研究北大核心CSCD

青海三江源区是全球气候变化的敏感区和生态环境脆弱区,目前正面临着冻土退化的问题。本研究基于三江源区18个国家气象站1961—2021年气象观测资料,对气候变暖前后季节冻土冻融特征进行对比分析。结果表明:三江源区年平均气温为-0.34℃,呈东高西低分布,总体以0.38℃·(10a)^(-1)的速率上升,并在1997年发生突变,突变后气温显著升高。平均年最大季节冻结深度为142.5 cm,自西北向东南减小,总体以2.4 cm·(10a)^(-1)速率退化,与变暖前相比减少了11 cm。平均地表冻结初日为10月24日,以1.0 d·(10a)^(-1)速率推迟,平均地表冻结终日为5月18日,以3.3 d·(10a)^(-1)速率提前,与变暖前相比,地表冻结终日提前了12 d,地表冻结初日推迟了14 d。季节冻土平均冻结时间为133.9 d,呈西高东低分布,总体以1.9 d·(10a)^(-1)速率减少,与变暖前相比减少了8.8 d。年最大冻结深度及冻结时间分别在2004年和2002年发生突变,相比气温均有一定滞后。这说明,季节冻土在受气温变化影响同时,还受地形、人类活动等其他因素影响。该研究揭示了三江源区季节冻土冻结作用弱化的现象,研究成果可为应对气候变化、工程建设等提供参考。     

云南个旧高松矿田芦塘坝研究区三维预测模型及靶区优选

通过对云南个旧芦塘坝研究区成矿信息分析,结合三维可视化技术,对其进行深部隐伏矿体预测。根据研究区的地质概况与成矿规律,确定地层和断裂是主要的控矿条件,利用三维建模软件建立该研究区的数字矿床模型,应用立方体预测模型找矿方法,提取成矿有利因子——地层、断裂、构造定量化信息、化学元素异常,将其作为预测变量,最终通过计算圈定出预测远景区进而优选出4个预测靶区。预测远景区结果表明,该研究区有较好的找矿潜力,其矿产预测方法有效性较好。构造定量化信息分析方法的应用有助于实现三维找矿。     

载荷试验尺寸效应及地基承载力确定方法探讨EI北大核心CSCD

压板载荷试验是目前被普遍采用且认为是最可靠的地基承载力确定方法,但其影响因素多诸如压板尺寸、埋置深度、地基土均匀性、沉降稳定标准等,尤其以压板尺寸对试验结果的影响最大。工程实践表明,利用压板试验确定的地基承载力特征值设计的基础,实测沉降与计算沉降之间的误差较大,在已有研究成果基础上,研究载荷试验尺寸效应及地基承载力确定方法:(1)综述目前地基承载力确定方面存在问题;(2)分析载荷试验的尺寸效应;(3)基于杨光华教授提出的非线性切线模量法,推导并给出了如何利用小压板载荷试验结果得到实际基础的荷载-沉降曲线的方法;(4)给出利用实际基础的p-s曲线确定地基承载力的方法,实现地基安全和沉降双控的目的;(5)由于压板试验只能反映浅层土,文中利用旁压试验确定深层土的地基承载力的方法。具体工程实例结果表明,基于利用小压板获得的参数计算的沉降值更符合实际;研究通过小压板原位测试方法获取沉降计算的岩土体统参数方法,不仅能够提高沉降计算精度,还可促进基础设计理论的发展和设计水平的提高。