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。     

冻融模型相似性分析及试验验证

为提高冻融模型与原型的相似程度,提出冻结指数相似比和实验室修正系数的概念及计算方法。以哈尔滨地区黄土为试验材料,将该地区2010–2012年3年日平均气温进行线性简化,基于含相变热传导的微分方程基础上,采用相似理论,在几何、温度和时间比尺约束下对密度为1.60 g/cm3、含水率为20 %的试样进行冻融循环模型试验,确定实验室修正系数K值为1.13,得到冻结指数相似比CI为1:102.5。对冻融阶段温控历时进行优化,进行冻融循环模型试验。通过对比可知,优化后模型的最大冻深值为21.33 cm,与模型预定值20 cm相差仅6.5 %;优化后冻融模型弥补了太阳辐射对冻深的影响,一个冻融周期由108.14 h减少为84.53 h。以实验室修正系数K和冻结指数相似比CI优化冻融过程的各温控阶段历时合理,显著提高了冻融模型的最大冻深和冻融过程在几何比尺和时间比尺上的相似度。     

土体冻融特征研究现状与展望

冻土中水分迁移是导致土体冻胀的关键因素,而研究水分迁移及其驱动力的核心问题是要充分理解未冻水含量与温度、基质吸力等变量之间的关系,这些关系可充分体现土体在冻融过程中土水变化特征。长期以来,对土体冻融特征的研究采取的是与非饱和土力学中的土水特征类比的方法进行,结果也证明了二者存在一定的相似性。但是冻土中因冰-水相界面作用产生基质吸力与融土中水-气相界面作用产生基质吸力的机理并不完全相同,而由于相变等其他作用产生的冻融滞后效应与融土中孔隙“墨水瓶效应”等引起的滞后效应机理也有区别。针对这些机理性的不同,还需要做大量的研究工作才能真正揭示土体的冻融特征。通过对目前土体冻融特征方面研究进展和存在问题的归纳总结,笔者认为今后在这方面还需深入开展如下研究：建立适合各类土壤冻融特征的一般预测模型,使得在缺少数据条件下能快速获取所需土样的冻融特征;研究土体在冻融和干湿变化过程中存在的类似性及区别,对冻融过程中存在的滞后效应机理给出合理的解释;提升冻融特征变量的测试技术水平,研发高精度的相关仪器设备。     

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     

长江科学院岩土离心机EI北大核心CSCD

离心模型试验是目前岩土工程研究最重要的手段之一。通过高速旋转的离心机,可使小比尺模型再现原型的应力场,使得模型和原型应力相等、变形相似、破坏机理相同。长江科学院是我国最早研制和应用大型岩土离心机的单位之一。20世纪80年代初,即建成了当时国内最大、直径6m容量为3000g-t离心机。该设备在三峡工程深水围堰、小浪底土石坝以及深圳机场、     

离心模型试验在粉喷桩处理软土地基沉降中的研究

离心模型中的固结时间是原型的固结时间缩短至1/N2,能够在较短的时间内模拟软土地基的长期沉降.采用离心模型试验方法,模拟软土地基在粉喷桩处理后的渗透固结性状。通过对地基施工期阶段及工后的沉降进行分析,证实了用粉喷桩进行处理地基是可行的。     

氯离子在黏土-膨润土屏障中迁移的离心试验研究

将对流-扩散试验装置置于土工离心机中,以50g离心加速度运行12 h,研究了黏土-膨润土混合土样中Cl-的迁移扩散,使用解析解对试验结果进行拟合确定相关参数,分析了试验的相似条件,使用商用软件对离心试验原型进行模拟,与试验结果进行比较,探讨了离心机用于溶质迁移分析的比尺效应,最后通过数值分析研究了试验的黏土-膨润土屏障用于老垃圾填埋场防渗帷幕补强的效果。结果表明,土工离心机试验中,按实际出流量计算的实际孔隙水流速小于临界流速,两试样中的佩克莱数（Pe数）小于临界Pe数,机械弥散的作用可以忽略,试验满足扩散的相似定律;离心机试验所模拟的2.5 m厚衬垫原型,在水头5 m和10 m作用下3.42 a后均未被击穿;常重力下试验土样的渗透系数为8.5×10-8 cm/s,有效扩散系数为7.82×10-7 cm2/s,对试验原型进行的数值模拟表明,n倍重力加速度下,土工离心机可以 尺寸的试样实现对原型的模拟,同时将对流和扩散作用下的溶质迁移时间缩短至原型的 ;试验的黏土-膨润土屏障用于老垃圾填埋场防渗补强,可显著减缓溶质迁移,防渗补强后可满足渗滤液迁移扩散的控制要求。     

隧道模型试验中几何比尺相似程度的差异性及影响比较

模型试验研究是探讨土体-结构系统的力学响应机制的重要手段之一。针对西安地铁二号线地铁隧道模型模拟中存在的问题,首先讨论了隧道结构模型试验相似比尺关系,分析了模型试验中相似材料的选用原则和关键问题,然后基于两种不同的几何相似程度,比较讨论了模型几何相似程度对隧道模型和隧道原型结构之间应力与弯矩结果的影响程度,在同等条件下两种不同的几何相似比尺设计的缩尺模型导致隧道原型结构的应力值的差异超过12%,隧道原型结构的弯矩值的差异超过140%。研究结果表明,几何相似程度决定了模型相似比尺设计的合理性,从而成为模型试验能否合理、高精度地反映和模拟原型结构力学响应的关键性制约因素之一。     

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。     

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。     

基于格子Boltzmann方法的饱和冻土孔隙成冰介观尺度模拟

路基冻胀问题严重影响寒区高速铁路的安全服役,而成冰相变过程是解释冻胀机制的关键。基于介观尺度的格子Boltzmann方法,将修正的孔隙水冻结温度算法与焓法固液相变格子Boltzmann模型相结合,模拟了悬浮液滴冻结和冻土孔隙水成冰两个过程,分别揭示了液态水在自由状态和孔隙束缚状态下冰水相变的细观机制。计算结果表明：土体孔隙中冰晶由中心向外生长的过程与悬浮在空气中的液滴冻结过程截然不同,并且孔隙水越接近颗粒表面,其冻结温度越低。相同粒径颗粒按照不同排列方式得到的冻结特征曲线（soil freezing characteristic curves,简称SFCC）具有明显差异;不同粒径的SFCC随着颗粒增大残余水含量逐渐变少,形态更加陡峭。通过与文献试验结果对比,验证了格子Boltzmann方法的有效性,表明该方法能够为研究多孔介质水气迁移与相变过程提供介观尺度的新手段。     

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。     

基于非等温管道流竖井地基热排水固结模拟

针对新技术热排水固结法,采用非等温管道流模拟竖井中U型导热管的传热过程,考虑温度对竖井扰动区和未扰动区渗透性的影响,在COMSOL Multiphysics有限元软件中进行二次开发,建立了竖井地基热排水固结法的有限元模型。以热排水固结软基处理原型试验为例,重点分析了模型耦合、部分耦合和不耦合情况下软土地基的固结度。结果表明,相对于传统排水固结法的不耦合模型,部分耦合模型下因温度产生的孔压增量延缓了地基固结的发展,固结速率有所减慢;耦合模型下温度虽也产生一定的孔压增量,但温度有效地改善了竖井涂抹区土的渗透特性,地基的固结速率加快,固结周期缩短,与试验结果一致。     

Study on the freezing temperature of saline soil

Freezing temperature is an important parameter in studying the freezing mechanism of saline soil. An equation for calculating the freezing temperature is proposed based on the phase transition theory in porous medium, including two main influencing factors, the water activity and pore size. In this equation, the effect of the water activity on the freezing temperature of soil is calculated by Pitzer model, while the impact of pore size is replaced by water content. Through comparing the calculated results with the published experimental data, the equation is proved to be competent in predicting the freezing temperature for the saline soil with sodium chloride or calcium chloride. For the saline soil with sodium carbonate, the effect of salt hydrate crystallization should be taken into consideration. With respect to the saline soil with sodium sulfate, it is difficult to determine the freezing temperature, since there is uncertainty of the resultant when freezing (that is, heptahydrate or decahydrate). In addition, the effects of pore size and multi-component solutes on freezing temperature are also discussed. The study would be helpful for revealing the freezing mechanism and also providing a useful theoretical method for engineering design of saline soil in cold regions.     

土在冻结及融化过程中的热力学研究现状与展望

冻胀融沉给工程建设及运营带来了极大的危害,是科研人员及工程建设者迫切需要解决的重大问题. 土在冻结及融化过程中会产生水分迁移、冰水共存、固结和冻结缘等现象,这些现象的产生涉及到冻结及融化过程中冰水相变、冰分凝和水分迁移等关键机制的研究. 目前,冰水相变、冰分凝和水分迁移等机制的研究已成为解决冻胀融沉问题的重点及难点. 冻融过程是建立在热力学基础上关于水分场、应力场及温度场的三场耦合过程,其数值模拟正处于由水-热耦合到水-热-力耦合的演化阶段. 而冻结缘参数的测试和确定是理论探索和数值模拟的关键. 近几十年来,随着实验技术的发展,各种先进的探头及仪器设备被开发应用于冻结及融化过程的室内或者场地试验研究,以期揭示其内部的微结构特征及其热力学机理. 因此,系统地总结和分析土在冻结及融化过程中的现象、机理、试验条件以及数值模拟等工作,将对土冻结及融化过程的认识及研究有着至关重要的作用.     

冰透镜体形成过程中的土体破裂驱动力研究综述

随着寒区工程高等级化和变形限制要求的进一步严格化,冻胀问题已经成为寒区工程建设考虑的关键问题。造成冻胀的原因在于外界水分迁移冻结并形成冰透镜体,因此,深入认识冰透镜体形成问题对解决实际工程中的冻害问题具有重要的意义。由于冰透镜体的形成受控于土体破裂驱动力,因此,深入开展冻结过程中的土体破裂驱动力研究对阐明冰透镜体的生长机理以及解决工程冻胀问题具有重要的指导意义。通过对国内外在土体冻结过程中的土体破裂驱动力方面的研究进行综合评述,指出各研究结果之间的异同点。基于各研究结果的相同点,分析了目前土体破裂驱动力研究中存在的不足,并提出了今后研究发展的方向。     

渠基土在冻融循环作用下的变形和应力变化特征

受季节性气候变化和昼夜交替的影响,处于寒区的地表浅层土体不可避免地会发生冻融循环作用。冻结过程引起土体的膨胀变形,融化过程引起土体的压缩沉降变形。同时冻融交替变化会诱发渠基土的结构与物理力学性质发生显著改变,从而危害工程设施的服役性。土体所处的应力环境是影响冻融过程中土体变形发展的关键因素。为了研究不同上覆荷载条件下冻融循环过程对寒区渠基土变形与冻胀应力发展特性的影响,开展了一系列冻融循环试验。结果表明：在上覆荷载为10 kPa时,冻融循环会使土体产生膨胀变形;当上覆荷载为50 kPa或100 kPa时,冻融循环会使土体产生非常明显的固结沉降,且上覆荷载越大,沉降量也会越大。随着冻融循环次数的增加,土体在其所处的应力环境下逐渐形成相对稳定的固结结构,单次冻融过程中产生的冻胀量与融化固结量趋于相等,即冻融稳定系数趋于1。在不同上覆荷载条件下固结稳定后,保持试样两端约束的位移不变,发现土体冻融过程中产生的最大竖向冻胀应力随冻融循环次数的增加不断衰减,且冻胀应力的发展与孔隙水压力的变化具有一致性。因此,通过对恒定上覆荷载条件下冻融过程中正冻与正融界面附近孔隙水压力分布的研究,可揭示冻融过程中土体变形发展的内应力机理。     

添加剂对土体的加固作用及冻胀防治研究

将研制的高分子有机材料作为添加剂，加入到土体中，经过拌和夯实、干燥固结，能够起到稳定和提高土体的强度，并具有低渗透和低吸水等特性．冻胀试验表明：加入添加剂不仅能阻止土体冻胀的产生、外来水源的入侵及水分的迁移，还能隔断土体孔隙之间的联系，使水分在土体孔隙中不能运移，从而达到了防治冻胀的目的。