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。     

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.     

地铁联络通道冻结施工的热流固(THM)耦合分析

随着城市地铁规模的不断发展, 冻结法在地铁联络通道施工中得到了广泛应用.为了得到合适的地层冻结工艺参数和指标, 了解开挖隧道对地层稳定性的影响, 保证工程的安全性, 基于考虑相变及冻胀的热-流-固(THM)耦合理论, 采用COMSOL有限元分析软件模拟某地铁联络通道水平人工冻结及开挖施工过程.分析了冻结过程中地层温度场、渗流场及位移场的变化规律, 研究了开挖后地层位移场的分布规律.结果表明: 由于水渗流作用, 温度场和位移场的分布不再关于y轴对称;在人工冻结过程中, 地表处冻胀位移的最大值出现在y轴以右, 冻胀量变化表现为先线性增长, 而后趋于稳定.总体上, 实施人工冻结可以很好地增加周围土体的强度及稳定性, 对止水和抑制地层变形具有良好的效果.     

冻结作用下考虑补水层影响的水分迁移试验

冻融协同淋洗修复污染土壤的过程中,为了提高淋洗效率,须使土体在冻结过程中吸收更多的水分或淋洗液。因此,通过室内大尺寸单向冻结水分迁移试验,开展了开放系统下温度梯度、冻结速率及补水方式对水分迁移的影响研究。试验结果表明：冻结过程中土中水分迁移与温度梯度的变化速率有关,变化速率越大水分迁移量越大;可以通过边界温度控制冻结锋面推移速度进而影响土中水分的迁移,当冻结锋面推移速度为0.5 cm·d^-1左右时,补水速率最大;距离冻结锋面越近水分迁移量越大,当距离冻结锋面10 cm左右时,水分迁移量开始增大,可通过在土体中添加多层补水层的方式让土体吸收更多的水分;有外界水源的补给下土体含水量整体增加,但上层土体含水量增加较多,下层土体含水量增加较少。     

竖向直排冻结条件水平冻胀力试验研究

竖向直排冻结方式常用于软弱地层中斜井掘进和深基坑止水帷幕的冻结法施工中,目前国内外对该冻结方式下水平冻胀力的分布研究鲜见报导。以某斜井冻结工程为背景,推导出温度场、应力场和水分场等相似模拟准则,设计了竖向直排冻结模型试验并细化具体试验方案,利用大型三维模拟冻结试验系统,对竖向直排冻结条件下不同深度土体的水平冻胀力分布特性进行了试验研究。结果表明,竖向直排冻结过程中埋深对水平冻胀力的影响明显,在其他条件相近的情况下同一水平面中水平冻胀力的大小与温度密切相关;冻胀力的变化率主要受冻结锋面位置的影响,距离冻结锋面较近时冻胀力的变化率逐步达到峰值;已冻土体的冻胀力随冻结锋面向外发展而趋于平稳。     

封闭系统单向冻结淤泥质黏土水分迁移特性研究

高含水率饱和淤泥质软黏土在封闭系统中由冻结引起的土体内部水分迁移是影响其冻胀速率的重要因素。为揭示冷端温度对沿海软黏土水分迁移特性的影响,采用上海第四系滨海-浅海相淤泥质黏土,在-5~-20 ℃冷端温度条件下开展了封闭系统单向冻结试验,测定了试样冻胀量及沿着温度梯度方向的试样温度,得到了冻结锋面高度随冻结时间的发展规律、引起水分迁移的临界温度梯度、水分迁移入流通量及入流速率。结果表明:试样冻结锋面高度是关于冻结时间的函数,其拟合公式形如X(t)=t(at+b)-1;冻结区内温度梯度降低至临界温度梯度是水分迁移起始的判据,随着冷端温度的降低,临界温度梯度线性增大;水分入流速率随冻结时间的延长先增大后减小,水分入流通量-冻结时间曲线随冷端温度的降低由“S型”逐渐趋于线性;结合临界温度梯度-冷端温度关系式和冻结锋面高度-冻结时间拟合公式,可预测某一冷端温度条件下封闭系统单向冻结过程中试样内部水分迁移的起始时刻。以上试验结果有助于推进封闭系统单向冻结过程中高含水率软土水分迁移特性的定量研究,为沿海软土地区冻结法施工中冻胀量预警提供重要参考依据。     

水汽补给下砂土水分迁移规律及冻胀特性研究

利用自主研发的水分迁移和冻胀试验装备,研究了不同初始含水率、冷端温度、干密度对砂土水分迁移规律的影响,分析了三因素作用下砂土水平冻胀力和冻胀量的变化规律,确定了冻结锋面位置。研究表明：初始含水率和冷端温度对砂土的水分迁移和冻胀效果影响明显;初始含水率从0%增加至10%,试样含水率峰值增大了5.00倍,水平冻胀力和冻胀量不断增大,冻结锋面位置上移至2.5 cm高度处。冷端温度从?5 ℃降低至?15 ℃,试样含水率峰值增大了4.38倍,水平冻胀力和冻胀量不断增大,冻结锋面位置上移至2.6 cm高度处。干密度对试样水分迁移和冻胀特性影响相对不明显,整体呈现出在较小干密度下,试样含水率、水平冻胀力和冻胀量增幅稍大的趋势,冻结锋面集中在2.2～2.5 cm高度处。针对不同影响因素提出了水平冻胀力和冻胀量预测公式,为认识水汽补给下砂土水分迁移规律及合理预防冻胀提供参考。     

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     

基于荧光素和图像追踪技术的冻融循环作用下土体水汽迁移量测装置系统研究

寒区高铁路基中粗颗粒填料水汽迁移可能是路基冻胀变形的来源,直观追踪冻融循环作用下土体水汽迁移过程,有助于研究水分迁移规律,为冻胀机理提供理论依据.基于此,提出采用荧光素示踪和图像处理技术方法,直观观测土体中水汽迁移的规律.首先开展荧光素示踪、蒸发试验及图像处理技术的研究,证明示踪剂可实现冻结锋面及外界液态水迁移的追踪;...     

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。     

深部膨胀性黏土层冻结温度场的分布与冻胀力形成规律

防止冻结管断裂是深部膨胀性黏土层在冻结壁形成过程中的一项亟待解决的课题。针对淮南矿区某矿副井深部膨胀性黏土层, 通过热力耦合计算分析, 研究了其冻结温度场分布与冻胀力形成规律。结果表明： 冻结152天、 236天时, 黏土层冻结壁平均温度分别为-14.42 ℃、 -16.58 ℃, 细砂层冻结壁平均温度分别为-15.86 ℃、 -17.32 ℃, 黏土层冻结壁平均温度比同时期细砂层高1.44 ℃、 0.74 ℃。黏土层冻结壁平均厚度分别为8.92 m、 10.25 m, 细砂层冻结壁平均厚度分别为9.54 m、 10.77 m, 黏土层冻结壁平均厚度比同时期细砂层小0.62 m、 0.56 m。细砂较膨胀性黏土易于冻结。冻结90天时, 黏土层外、 中、 内圈三圈冻结管平均冻胀力约为同时期细砂层的1.1倍。冻结151天时, 黏土层三圈冻结管围成的冻结壁内平均冻胀力均达到初始地应力的81.1%, 是同时期细砂层的1.16倍。冻结236天时, 细砂层内圈管的冻胀力为3.91 MPa, 比中圈管3.72 MPa大了5.11%, 而黏土层内圈管的冻胀力为4.81 MPa, 比中圈管4.74 MPa大了1.48%。黏土层三圈冻结管围成的冻结壁内平均冻胀力均达到初始地应力的88.6%, 是同时期细砂层的1.28倍。深部膨胀性黏土层及与细砂层界面处冻胀力均存在显著的不均匀性, 最大冻胀力的主要位置与实际工程中掘进时的断管处基本对应, 不均匀冻胀力是造成冻结管断裂的重要原因。     

Study on frost heaving characteristics of sandstone under different freezing conditions北大核心CSCD

At present,artificial freezing method has become one of the effective methods for coal mine shaft to pass through water-rich soft rock strata,which can stop the movement of groundwater and limit the deformation of surrounding rock. In order to study the frost heaving characteristics of sandstone under different freezing conditions,frost heaving tests of saturated and dry Cretaceous red sandstone samples under different freezing rates （10 ℃·h-1,5 ℃·h-1,2 ℃·h-1,1 ℃·h-1）and different confining pressures（5 MPa,10 MPa,15 MPa,20 MPa,25 MPa）were carried out by using GCTS（Geotechnical Consulting & Testing Systems）servo-controlled low temperature and high pressure triaxial rock testing system. In this paper,based on the existing theory of physical and mechanical properties of frozen soil,we studied the frost heaving law of sandstone under different freezing conditions and explored the frost heaving mechanism. The result shows that in the process of cooling,the dry rock sample always produce cold shrinkage deformation,while the saturated rock sample first produce cold shrinkage deformation,then produce frost deformation,and finally the deformation tends to be stable. The deformation of saturated rock samples is much larger than that of dry rock samples. The larger the stress level of rock samples at the same temperature is,the smaller the frost deformation is,which shows a linear negative correlation,mainly because the high confining pressure limits the volume expansion of the water phase in the pore inside the rock samples when it becomes ice. The frost deformation of rock samples is mainly affected by confining pressure and water content,while the frost heaving rate is mainly affected by cooling rate. Under this test condition,the higher the cooling rate of sandstone is,the higher the frost heaving rate is,and the relationship between them is approximately linear. For saturated rock samples,the confining pressure reduces the rock frost heaving by limiting the expansion during the phase transformation of ice water,and the temperature affects the rock frost heaving by affecting the freezing rate of pore water and the thermal expansion and cold contraction of rock skeleton. For dry rock samples,the deformation is mainly due to the volume contraction of rock mineral particles caused by thermal expansion and cold contraction effect,and the greater the temperature change,the greater the deformation. Based on the experimental results and theoretical analysis method,a calculation formula of rock frost heaving considering the influence of confining pressure was established. By calculating the frost heave of sandstone samples under different confining pressures,it is found that the calculated values are in good agreement with the experimental results. Moreover,according to the calculation formula of frost heaving,the influence factors of rock frost heaving during freezing can be divided into two categories：internal cause and external cause. The internal cause includes porosity,saturation,volume modulus of ice and rock skeleton,and the external cause includes temperature and confining pressure. For saturated rock,the frost heaving is mainly affected by factors such as confining pressure,temperature and porosity. When the saturation,porosity and freezing rate are low,the rock may only produce shrinkage deformation,because these indicators determine whether the rock produces frost heave or freeze shrinkage. The mechanism of rock frost heaving is very complicated due to the interaction and restriction between the internal and external factors and the dynamic changes of rock micro-structure and mechanical properties during the process of frost heaving. The research results can provide theoretical reference for freezing construction scheme design of deep coal seam mine construction,and also provide a theoretical basis for the study of physical and mechanical properties and engineering application of soft rock in frozen soil area. © 2022 Science Press (China).     

非饱和黏土的冻胀融沉过程分析

通过非饱和黏土的冻胀融沉试验,分析了非饱和黏土在不同含水率（饱和度）和密度情况下冻胀融沉变化特征,探讨了非饱和状态下不同含水率对热传导的影响规律,重点研究了冻胀过程中冻结锋面的移动规律。在一定冻结条件下,冻结锋面移动速度与干密度和含水率有关,尤其是含水率对冻结锋面移动速度产生较大的影响。含水率越大,冻结锋面移动越快。根据该非饱和冻土的试验与分析,旨在为理论研究与工程应用提供参考。     

非饱和粗颗粒土体的冻结试验研究

按照实际工程中路基填料的级配要求配制试样,在考虑覆盖层和补水条件下进行室内单向冻结试验,开展了土质、温度梯度和温度边界条件对非饱和粗颗粒填料冻胀特性的影响研究。试验结果表明：土质、温度梯度和温度边界对粗颗粒填料的冻胀特性影响显著。其中混合细粒的冻胀量最大、黏质黄土次之、粉质黏土最小,且其对应的试样顶部、冻结锋面处的含水量及外界补水量均具有相同的大小关系。温度梯度越大,冻胀量越大,试样顶部含水量越高,但冻结锋面处的含水量变化比较小,同时外界补水量越小。试样冷端温度边界越低,冻胀量越小,试样冷端含水量越小,但外界补水量越大。     

冻胀过程与冻结缘特性

The complex process of soil freezing which relates to moisture field, temperature and stress field usually accompanies water migration and crystallization. The mechanism of water migration in the -frozen fringe is blurry though there have rather mature theory analyzing water migration in the unfrozen zone and fully-frozen zone. It is a visualized and easy method to calculate the potential gradient of frozen fringe by frost heave amount, the duration of the steady state of frost heaving and the coefficient of permeability based on the Darcy penetration theory, not directly considering water driving force, ice segregation temperature and the thickness of frozen fringe. The method is feasible by comparing the calculated amount of frost-heaving with the test data.     

兰州地区黄土水平冻胀力分析

为研究不同含水率黄土在一维冻结融化过程中温度场和水平冻胀力的变化特征规律,选取兰州地区黄土进行了封闭系统下的一维冻结融化试验。研究结果表明:土体的降温过程分为四个阶段,降温冻结初期各深度土体的温度下降速率较快;土体温度下降到0.4 ℃时降温曲线出现转折点,土层各深度降温速曲线出现近乎平行于横坐标的平稳段;冻结后期各深度土体的温度下降速率较慢。最大水平冻胀力沿着土体深度先是稳定变化较为小,然后增大到最大值最后减小。水平冻胀力最大值随含水率有很明显的变化,含水率越高水平冻胀力越大,而其他值的大小受含水率的影响较小,水平冻胀力最大值出现在相对深度0.6～0.8处。     

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。