考虑吸附与毛细作用的饱和冻土SFCC模型

土体冻结特征曲线（SFCC）是对冻土中未冻水含量随负温变化关系的数学描述,是研究冻土水热迁移、冻胀、本构关系等问题的重要基础。目前对于SFCC的研究,其经验表达式居多,而物理机制研究相对较少。通过考虑土颗粒与冰界面的吸附作用及冰相尖点的毛细作用,基于冰水相变平衡压力由吸附压力与毛细压力两部分共同组成,从孔隙尺度提出一个新的饱和冻土SFCC模型。模型计算结果表明,当颗粒半径逐渐增大时,相同温度下未冻水含量将不断减小,SFCC也会变得更加陡峭。基于核磁共振设备对单分散SiO2微球冻融过程SFCC进行测试,试验结果与数学模型进行比较验证,结果表明新的SFCC模型与试验结果吻合较好,且具有明确的物理意义,可以为冻土基础研究提供理论依据。     

冻结温度对原状黄土物理力学性质的影响

在陕西省黄土地区典型地点取土样,开展不同含水率、不同干密度土样在不同温度下的冻结试验,探讨冻结温度下黄土的冻胀规律。研究表明,在干燥状态下陕西黄土样不发生冻胀或冻胀量很小。黄土的冻胀性随含水率的增加而显著。随着冻结温度的降低,黄土冻胀量变化率逐渐减小,最终冻胀趋于恒定。含水率较低时,冻结温度对土样的干密度影响不明显,随着含水率的增大,在高含水率条件下,孔隙率越小,影响越显著。低含水率条件下,冻结黄土呈现收缩现象,中等含水率略有增大,高含水率增大明显。在冻结过程中,冻胀力的作用使得土颗粒间的接触点增多,大孔隙所占的比例下降,导致土体内摩擦角增大;冻结温度越低,土样含水率越高,黄土内摩擦角的增加量也越大;冰晶的生长破坏了土颗粒间联结,引起结构弱化,黏聚力减小;含水率越高,孔隙率越小,冻结作用对黄土黏聚力影响越明显。      

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     

NaCl溶液对土体冻结特征影响的试验研究

冻结特征曲线(SFCC)是指冻土中温度和未冻水含量之间的关系,采用核磁共振系统和低温恒温冷浴获得了采用不同浓度Na Cl溶液饱和的黏土的冻结特征曲线。根据试验结果分析不同浓度的孔隙溶液对冻结特征的影响规律,结果表明:随着溶液浓度的增大,冻结特征曲线向上移动,也就是说在相同未冻水含量下,浓度越大,冻结温度越低。这主要是因为盐溶液引起了渗透势能,使得孔隙水中总势能降低,从而降低了孔隙水的冰点。在冻土中,孔隙水的冻结温度与能量状态有关,其中孔隙水的势能包括基质势能和渗透势能,而基质势能部分又分为毛细部分和吸附部分,渗透势能与孔隙溶液的浓度有关。当土体中未冻水含量较低时,主要是吸附效应在起作用。此时未冻水是以吸附膜的形式吸附在土颗粒的周围,将非饱和土的概念引入到冻土中,采用分子间作用力和吸附水膜厚度之间的关系,以描述处于吸附状态的冻结特征曲线。结合渗透势能来模拟不同浓度下的冻结特征曲线,与试验数据拟合结果较好。     

青藏粉质黏土单向冻结冷生构造发育及冻胀发展过程试验研究

通过对青藏饱和粉质黏土进行开放条件下的单向冻结试验,并结合土样冻结过程的图像数据,分析土样在单向冻结过程中冷生构造的发育和冻胀变形的发展规律,得到以下结论：试样冻结稳定所需时间为26 h左右,基本不受顶板温度变化的影响,但土样冻结后形成不同冷生构造带的位置及薄厚与土样顶板温度（顶底板温度梯度）密切相关,顶板温度越低,微薄层状和薄层状构造带的厚度越大,最暖端厚层冰透镜体以及未冻土部分整体状构造带的厚度越小。研究结果还表明,土样的冻胀变形经历了快速冻胀、稳定冻胀和线性冻胀3个阶段,其中线性冻胀阶段是冻胀发展最快的阶段,也是冰透镜体生长最快的阶段。研究成果揭示了土样单向冻结过程中冷生构造发育和冻胀发展的动态过程,为冻胀机制的认识以及冻胀模型的建立与验证提供了试验基础。     

水汽补给下砂土冻胀量与微观结构参数关联研究

水汽补给可诱发砂土填料的冻胀。基于自主研发的水汽迁移和冻胀试验仪,研究了气态水补给下砂土含水率、温度和冻胀量变化规律;利用体视显微镜对冻结过程中砂土微观结构变化特征进行了研究,结合灰色关联理论分析了宏观指标冻胀量与微观参数之间的关联关系。结果表明：在水汽补给下砂土会发生明显冻胀,冻结 7 d 时冻胀量达到 3.45 mm。砂土经历冻胀后,大孔隙面积占比增加、中小微孔隙面积占比降低,孔隙数量占比变化趋势与面积占比相反,孔隙丰度值变化不大,孔隙定向角在各区间分布趋于更加均匀,孔隙定向概率熵整体呈震荡上升趋势,孔隙分形维数呈下降趋势。此外,利用灰色关联理论,建立了宏观参数冻胀量与平均孔径等微观参数之间的关联关系式,进一步揭示了水汽补给下砂土冻胀的微观机制。     

岩石内孔隙/裂隙冻胀力模型及其适用性评价

开展含缺陷空间(孔隙、裂隙)岩体内部冻胀力发生机制及演化规律分析,是岩体冻胀损伤、断裂评价研究的基础。孔隙、裂隙冻胀损伤发生空间尺度存在显著差异,其冻胀损伤机制及冻胀力演化分析也不尽相同,可将孔隙介质冻胀损伤理论归纳为四类：①基于水冰相变体胀的冻胀损伤模型,包括体积膨胀理论、静水压理论等;②基于水热迁移的冻胀损伤理论,包括分凝冰理论、全过程冻胀理论等;③基于孔隙水相变热力学平衡分析的损伤理论,包括毛细管理论、结晶压理论等;④孔隙介质力学理论。裂隙介质冻胀损伤一般认为发生在宏观空间尺度上,着重关注裂隙的冻胀扩展过程。其损伤理论可分为体积膨胀理论（包括水压致裂理论）和分凝冰理论,而裂隙介质冻胀损伤对微观过程（如未冻水迁移、岩/冰界面受力特性等）关注度有待深入。藉此分别讨论上述冻胀损伤理论原理、适用条件及局限性,并对不同缺陷形态（孔隙、裂隙）引起的冻胀力演化机制差异性进行简要分析。     

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。     

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。     

单向冻结时土颗粒位移的热筛效应及对流迁移

自然界中不同粒径上颗粒的随机组合造成土体中孔隙分布的随机性。土体冻结时，由于不同孔径中水分势能的差异，导致孔隙不冻结在时间上的有序性，即在相同温度下，粗大孔隙中水分首先冻结，然后逐渐向细小孔隙发展。水分冻结体积膨胀，从而引起粗颗粒土向上抬升，称为热筛效应。     

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。     

正冻土冻结缘研究现状及展望

湿土冻结过程中, 生长发育于冰透镜体与冻结锋面之间特殊的区间带称为冻结缘带。冻结缘作为温度场、 水分场和应力场三场耦合作用的结果, 是冰分凝的水源补给站, 冰水相变发生的剧烈区域以及水分迁移的必经之路, 具有重要的研究意义, 也是深入认识冻胀机理的基础。通过系统地阐述冻结缘的形成过程、 相关理论与试验、 微结构特征、 参数特征及冻结缘的模型构建等5个方面的研究进展及成果, 结合各个方向的发展趋势提出了冻结缘研究的重点, 即对冻结缘的研究应回归到试验研究, 利用新型测试技术深入对冻结缘微结构的观测, 结合物理参数及结构性参数变化构建耦合的冻结缘模型, 从而揭示其热力学机理, 为冻胀机制分析、 冻土精确预报提供理论支撑。     

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。     

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。     

含NaCl和Na2SO4双组分盐渍土的水盐相变温度研究

盐渍土相变温度是判断土体中水分冻结与融化、盐分结晶与溶解的重要参数。不同盐分含量相变温度的差异,给盐渍土在降温过程中的水盐迁移过程及变形规律的模拟带来极大的不确定性。通过降温试验,研究了降温过程中氯盐和硫酸盐综合作用盐渍土中水盐相变温度的变化情况。结果表明：全盐量相同时,盐结晶温度随NaCl和Na₂SO₄比例的不同而不同。随NaCl的加入,在Na⁺同离子效应的影响下,Na₂SO₄更容易结晶,但土体的冰和芒硝共晶点温度下降,使得冰含量显著减少,从而降低了孔隙溶液中固相的产生比例,起到抑制Na₂SO₄盐渍土盐冻胀变形的作用。当土中只含Na₂SO₄盐时,随Na₂SO₄浓度的增加,冰和芒硝共晶点的温度先上升而后缓慢下降,二次相变前冰盐的累积量是导致冰和芒硝共晶点产生这种变化的主要原因。盐渍土三相共晶点温度随NaCl含量的增加呈现上升趋势,这是因为随着NaCl的加入,在发生三相共晶前,孔隙溶液发生相变的固相含量减少,从而使孔隙结构对三相共晶点的影响减小。此外,含有NaCl与Na₂SO₄双组分的盐渍土,水分和盐分可能以单固相、双固相以及三固相状态析出。研究结果可为深入认识盐渍土的相变规律及物理性质提供理论支撑。     

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。     

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。     

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。