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。     

多孔含水岩层的相似材料配比研究

以石膏、浮石、硅藻土等材料为相似材料对多孔含水岩层进行相似材料模拟。试验中采用四因素（硅藻土水泥石膏比、标准砂浮石比、骨胶比、重晶石骨料比）、五水平的正交试验方法,分别对多孔含水岩层的相似材料试件进行密度、单轴抗压强度、孔隙率、弹性模量以及软化系数的测定,得出相应的物理力学性质指标,采用直观分析法分析各因素对物理力学性质的影响规律。分析结果表明：由于各配比度不同,相似材料强度分布范围较广,在与多孔岩层的岩石参数对比中发现,在一定的相似条件下,基本符合多孔岩层岩石的相似要求;硅藻土含量与密度、抗压强度、弹性模量、孔隙率呈负相关,与软化系数呈正相关;浮石含量与密度、抗压强度、弹性模量、软化系数呈负相关,与孔隙率呈正相关。所加入的两种材料可较好地模拟样品的多孔特性。在允许波动范围之内,所建立的模拟多孔含水岩层的经验方程可用于工程实践。     

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.     

秭归地区陆源碎屑岩导热系数试验研究

岩土体的导热系数是重要的物理参数,在岩土工程中有着广泛应用。秭归地区的黄陵背斜西翼是我国南方著名的标准地层剖面,以秭归地区黄陵背斜西翼岩层陆源碎屑岩为研究对象开展导热系数试验研究,可为我国南方地区开展地热能开发、隧道工程及矿产开采等科研工作提供重要的参考依据。探究了各岩层岩石导热系数与岩石颗粒组分、胶结物之间的变化规律及差异性。试验结果表明,黄陵背斜西翼陆源碎屑岩导热系数差异较大,在0.72～4.47 W/(m·K)之间,且导热系数大小为石英砂岩粉砂岩泥岩。陆源碎屑岩导热系数受岩石岩性、颗粒组分、粒径、胶结类型及含水状态的影响较大。     

护坡工程中保温板防冰冻设计

寒冷地区的护坡工程经常会由于土基冻胀而产生隆起、或是在冰弯矩作用下产生推坡的现象,从而使护坡工程在风浪淘刷下产生破坏。利用聚苯乙烯保温板阻隔大气负温对土基的侵袭,提高土基地温,从而减小冻深,削弱冻胀,避免护坡遭受破坏。经过对聚苯乙烯保温板的物理力学性质及冻融特性的试验分析,指出重度、含水率、导热系数、抗压强度、冻融循环次数对聚苯乙烯保温板保温效果的影响。提出护坡工程的抗冰冻设计方法,对有关问题的进一步研究和护坡抗冰冻设计具有参考意义。     

青藏铁路碎石护坡-热管复合措施的补强效果研究

青藏铁路高温冻土区的普通路基和保温材料路基均处于热不稳定状态, 需要对它们增设碎石护坡-热管复合措施来强化处理, 新增设的补强措施对路基下部冻土的保护效果如何是人们极为关心的问题. 因此, 对北麓河高温高含冰量路段增设了碎石护坡及热管的复合补强措施后路基下部土体的热状态进行观测.结果显示:普通路基在增设补强措施后, 人为冻土上限进一步抬升, 阴阳坡下均出现显著的降温趋势, 且路基下温度场逐渐趋于对称, 降温范围逐渐向路基中心及深部发展, 路堤中心深部地温仍处于增温状态, 但增温趋势明显缓减; 保温材料路基在增设补强措施后, 人为冻土上限也进一步的抬升至保温板附近, 融化夹层在2个冻融周期后消失, 路堤中心温度在2个冻融周期后出现了降温趋势. 这些效果说明, 补强措施在调控路基内部及下部多年冻土温度时发挥了积极作用.     

多年冻土区铁路路基导热系数监测与分析

为分析冻融过程、 道砟覆盖及降雨对多年冻土区铁路路基土体导热系数的影响, 对青藏高原多年冻土区铁路路基试验段和天然地表土体开展导热系数、 温度、 水分原位监测。结果表明： 融化期导热系数波动均明显大于冻结期, 天然场地导热系数在冻结期大于融化期, 而无道砟覆盖路基土体和道砟覆盖路基土体的导热系数在冻结期小于融化期, 与通常的认知和温度场模拟取值相反; 道砟层的保温和阻水效应导致道砟覆盖路基土体含水量和导热系数均小于无道砟覆盖路基土体, 冻结期路基土体导热系数有减小趋势, 道砟覆盖路基土体尤为显著; 降雨入渗增大土体导热系数, 低含水量的道砟覆盖路基土体导热系数对降雨的响应最强烈。寒区路基工程数值模拟时, 应考虑水热变化对导热系数的影响, 不宜采用固定相变区间的分段函数或阶跃函数预估导热系数。     

循环冻融对冻土路基护坡块石物理力学特性的影响

选用铺设于青藏铁路护坡、护道的碎屑岩、泥岩和砂岩3种岩石进行循环冻融试验。研究了在循环冻融条件下的破坏方式,并通过RSM-SY5数字声波仪对岩石进行超声波无损检测;根据不同冻融周期超声波波速变化,计算分析了循环冻融对岩石物理力学特性的影响;通过单轴压缩试验,得到岩石抗压强度随循环冻融次数变化的规律。研究结果表明：3种岩石在循环冻融条件下具有不同的表观破坏方式,碎屑岩破坏最严重,表面不同程度地出现了轴向和环向裂纹;其次是泥岩,一条近似“几”字型的裂纹出现在泥岩表面,且裂纹发展较快;砂岩表观破坏最轻微,仅有1条细而短的裂隙发育在表面;在30个循环冻融周期内,泥岩和砂岩几乎无质量变化,而碎屑岩由于岩屑掉落而质量减轻不到1%;3种岩石的弹性模量、刚性模量、体积模量、泊松比等力学特性随着循环冻融次数增加而下降,且泊松比出现负值,揭示了循环冻融对岩石材料特性的深层次破坏;岩石抗压强度也随着循环冻融周期呈现下降趋势     

考虑冻融影响的岩土类材料导热系数计算新方法

从多孔随机混合介质理念出发,提出了考虑相变及未冻水影响的冻融条件下岩土类材料的导热系数计算的新方法,并根据已有的试验数据,利用多孔随机混合介质模型求出了同等条件下的导热系数,研究结果表明：模型的计算结果和试验结果基本一致,其平均偏差为2.3%,最大偏差为5.4%。另外,通过与现有的3种导热系数的取值方法的比较发现：目前广泛使用的指数加权平均法在0℃以上时计算结果较准确,但并不适合计算低温（0℃以下）岩土类材料的导热系数。加权调和平均法和加权算术平均法计算结果误差都很大,且不能反映相变对导热系数的影响。研究成果为低温相变条件下岩土介质温度场的正确求解提供了理论前提。     

保温法保护多年冻土的长期效果分析

通过分析青藏公路昆仑山越岭地段保温材料(EPS)试验段的地温观测资料发现:结果表明:路基中的保温板近8 a来工作正常,大大减小了保温板下土体温度较差.试验段施工完成12 a来EPS保温板的导热系数没有发生大的改变,车辆荷载、水分和冻融循环等对其影响较小.保温路基段天然孔的年平均温度升温速率比对比段天然孔大,但保温路基下多年冻土近7 a来的升温速率均小于对比段.计算结果证明,路基中铺设的保温材料,可以使进入路基的热交换量大为下降,并使进入路基活动层的热量每年减少近3/4.最后,基于年平均气温,用有限元方法给出了青藏公路多年冻土地区保温法的适用范围.