冻融循环作用下路基结构水热汽迁移规律研究

在冻融循环环境下,路基结构内水分迁移是导致道路冻胀、融沉变形的主要原因。为了探究冻融循环条件下路基结构的水热汽迁移规律,模拟了实际工程的路基结构,基于半透膜材料开展了冻融循环条件下的水、汽分离的水分迁移试验,通过监测试样的水热变化、荧光素上升图像、补水量和集水量变化曲线,得到了水分迁移规律,进而分析了土的孔隙结构、升降温速率和温度梯度等因素对水汽迁移和液态水流出特征的影响。试验结果表明,在土水势作用下,马氏瓶的水分首先以水-汽混合的形式在土柱中向上迁移,达到一定高度后,转变为以水汽的形式向上迁移。非饱和土柱的水汽会透过半透膜向碎石层和控温板底迁移,在整个冻融循环过程中,水汽向碎石层和控温板底的迁移量呈现线性增加的趋势,表明水汽迁移在水分聚集过程中的作用不可忽视。碎石层和控温板底液态水的流出主要集中在每个冻融周期的两个阶段,第一阶段为降温阶段,以冷凝水为主;第二阶段为融化阶段,以融化水为主,融化水占一个冻融周期液态水流出量的70%以上。粉质黏土孔隙较小导致水汽迁移主要受体积含气率的影响,随着粉质黏土土柱含水率的增加,水汽迁移量呈减小趋势。而砂土的孔隙较大,水汽迁移主要受水汽扩散增强因子的...     

冻结作用下黏土中水、盐迁移试验研究

为了探究冻结作用下黏土中水盐迁移特性,采用室内单向冻结试验装置,基于TDR技术对添加不同溶质（NaCl）浓度的土样进行了土中温度、含水率及电导率（EC）的同时连续测量。结果表明：溶质的添加引起土中孔隙水冰点下降,造成土中成冰量减少,从而导致含溶质土样的冻结深度大于不含溶质土样;在封闭系统中随着溶质浓度的增大,土中水分迁移量和溶质迁移率均有增大趋势,距离冻结锋面越远,水分、溶质迁移量就越少;冻结锋面附近液态水凝结成冰,引起冻结锋面附近溶质浓度变化剧烈,溶质浓度急剧增大。     

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;而后通过改进试样筒,加入液态水隔离装置等实现可视化装置系统的研发;最后通过开放和封闭条件下水汽混合迁移和气态水迁移试验,实现了水汽迁移过程的可视化追踪。验证性试验结果表明：在开放条件下,该试验装置能够有效追踪外界水迁移的时程变化;在封闭条件下,该装置能够实时监测冻结锋面的变化过程。在粗粒土中,气态水迁移是存在的,且水分重分布主要由气态水迁移引起。     

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。     

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。     

冻融作用对饱和粉质黏土抗剪性能的影响

为研究季节冻土地区冻融作用对道路边坡土体抗剪性能的影响规律,在不同冻结和融化温度、不同冻融循环次数、开放和封闭体系条件下对冻融饱和原状粉黏土试样进行了不固结、不排水剪切试验。试验结果表明:饱和原状粉质黏土冻融后,黏聚力降低,内摩擦角增大,冻结温度越低,冻融作用对黏聚力和内摩擦角的影响越小,随着冻融循环次数的增加,5～7次冻结循环后二者的变化逐渐趋于稳定。水分补给会强化冻融作用对试验土抗剪性能的影响;融化温度对试验土的抗剪性能影响很小。     

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。     

冻土水分迁移机理研究：评述与展望

土冻结过程中的水分迁移、积聚是冻害形成的关键环节,至今仍是冻土物理学研究的前沿和重要课题。二十世纪七八十年代冻土水分迁移研究黄金时代以后,长期未有经典理论和科学认知的重大突破,冻土水分迁移中涉及的许多机理性问题和关键瓶颈难题至今仍不能准确回答,尚存在很多争议和认识上的不足,现有研究成果在实际工程中的应用并不令人完全满意。因其性质的易变性、微观性和突变性,冻结相变区（冻结缘）仍是冻土水热输运研究中的一个“黑箱”。研究评述了冻土水分迁移驱动力与迁移过程相关研究的发展历程、主要研究进展与现状;分析了孔隙水压力、土水势驱动冻土水分迁移的物理原理和基本规律,综述了孔隙水压力、土水势的理论表征与试验测试等方面的最新进展、认知现状与主要科学问题;分析了三种流行的冻土水分迁移理论,即毛细水迁移理论、薄膜水迁移理论和水汽迁移理论;总结了制约冻土水分迁移科学认知突破的关键瓶颈难题,展望了未来研究的重点和方向。认为未来的研究应加强仪器设备的改进、研发与新技术引入,重点关注冻土水分迁移驱动力的物理本质和精准监测,强化冻土水分迁移的微观过程及机制认识,需从非平衡态热力学的视角关注热质输运与冰-水相变过程,注重工...     

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。     

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。     

基于冻融交界面直剪试验的冻土斜坡失稳过程研究

为了探讨多年冻土区自然斜坡失稳机制,开展了不同含水率黏土、粉土、砂土的土-冰交界面直接剪切试验和相应融土的直接剪切试验。结果表明,砂土和砂土-冰冻融交界面剪切应力-变形特性主要表现为弹性变形,且剪应力存在明显峰值;粉土、黏土及相应的冻融交界面在很小的变形范围内表现为塑性变形,且剪应力无峰值。水分对砂土活动层抗剪强度影响较弱,表现为水分增高,内摩擦角小幅降低。水分对粉黏土活动层抗剪强度影响剧烈,表现为水分增高,粉黏土黏聚力急剧减小。研究发现,冻土区斜坡失稳更易发生于细颗粒粉黏土中。相对于粉土,粉土-冰冻融交界面抵抗剪切变形的能力更强,粉土斜坡潜在滑动面更易发育在冻融交界面上层附近;相对于黏土,黏土-冰冻融交界面抵抗剪切变形的能力更弱,黏土斜坡更易在冻融交界面处发生滑动。同时,细粒土斜坡极易在达到最大融化深度前提前失稳,斜坡坡度越高,失稳时间越提前。融化期活动层水分增多导致潜在滑动面黏聚力降低是细粒土冻土斜坡失稳的最主要原因,孔隙水压对冻土斜坡具有一定影响,在稳定性评价时要考虑活动层水位的影响。     

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。     

粗颗粒硫酸盐渍土水盐迁移规律及变形特性研究

针对封闭系统下粗颗粒硫酸盐渍土在冻结过程中的水盐迁移和变形特性开展了理论和试验研究。基于非饱和多孔介质热弹性理论,考虑孔隙水盐相变,建立了适用于粗颗粒盐渍土水-热-盐-力多场耦合模型,并对单向冻结条件下粗颗粒盐渍土的温度场、水分场、盐分场和位移场分布进行了数值模拟。通过配制含硫酸盐的细砂作为土样开展了单向冻结条件下的室内试验,测定了冻结过程中的温度、水分、盐分以及变形的分布,并与数值结果进行了比较,验证了理论模型的有效性。结果表明:砂土结构孔隙更大,水分和盐分更容易渗透和迁移,在单向冻结试验中,水盐迁移速度更快;细砂的轴向位移呈现先下降后上升的变化趋势,且收缩变形持续时间较黏土更长;由于暖端水分向冷端迁移致使暖端土体孔隙减小,下部土体变得更加密实,土柱下部侧壁压力大于上部。     

土层结构对非饱和毛细水盐运移的影响

层状土层之间孔隙结构和水力学性质的不连续性对土体水盐运移有显著影响。基于现场调查,设计了两种不同粒径土层二元结构组合(黄土-砂质粉土和黄土-粉质黏土)的室内土柱试验,通过模型试验讨论了不同地下水补给条件下土层结构对毛细水分布和盐分累积的影响。试验结果表明:在毛细水补给条件下,黄土-砂质粉土构成的上细下粗型土层结构有利于毛细水盐运移,经过60 d蒸发后,其表层SO_4~(2-)含量是上粗下细型土柱的两倍。在无毛细水补给条件下,砂质粉土层中水盐向上迁移总量和迁移速率大于粉质黏土层,最终上细下粗型土柱中上覆土层各层位离子含量均大于上粗下细型土柱。研究结果为层状土区盐渍土病害的防治提供了试验参考。     

埋入式应变感测光缆-冻土界面渐进破坏机制研究

冻胀融沉作用引起的地基土体变形是冻土地区工程建设的典型地质灾害,光纤传感技术为冻土变形的精细化、分布式实时监测提供了重要的技术手段。为探究分布式光纤应变传感在监测冻土变形方面的可行性,利用自主研制的光缆-冻土界面力学特性试验仪,探究了不同干密度和初始含水率的冻土试样中缆-土界面的破坏机制。试验结果表明,光纤应变监测结果准确地反映出缆-土界面呈现渐进性破坏特征,应变软化模型能够较好地描述界面的力学特性。在冻结过程中,土体内液态水相变成冰,引起了冻结锋面移动和水分迁移,使得界面的力学特性存在显著的差异性。不同深度处缆-土界面剪应力的演化过程反映了在光缆拉拔过程中与冻土的变形协调状态,表明光缆测量范围、界面耦合性与土体干密度、初始含水率密切相关。该研究为光纤传感技术在寒区冻土地基变形监测中的应用提供了参考。     

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。     

冻融循环过程中土体的孔隙水压力测试研究

冻融循环对土的结构以及物理力学性质有着重要影响,其变化与冻融过程中的孔隙水压力变化有密切关系。但土体冻结过程中的孔隙水压力测试一直是冻土土工测试试验的技术难题。针对这一难题,研发了一种适用于冻结土体孔隙水压力测试的探头,并对砂土和粉质黏土在冻融循环过程中的孔隙水压力发展变化进行了实时监测,获得了圆柱试样冻融循环过程中不同深度处的孔隙水压力变化过程。在冻结过程中,粉质黏土形成冻结缘区及可视的分凝冰,而砂土则无冻结缘及分凝冰的形成。冻融循环过程中土体内部的孔隙水压力变化受温度、冻结速率、冻融循环以及土质等因素的影响。孔隙水压力随温度的循环变化而经历周期性变化：冻结过程中,孔隙水压力不断下降,吸力不断增加;融化过程中,孔隙水压力增大。而冻结速率、冻融循环及土质主要对孔隙水压力降的幅值变化产生影响。此外,冻结锋面位置附近孔隙水压力的下降、吸力的增加,正是水分由未冻区向冻结区迁移的主要驱动力。根据以上试验结果及其理论分析发现,所研制的孔隙水压力探头具有一定的实用性。     

不同冻结方式下盐渍土水盐重分布规律的试验研究

土体的冻融历史在土体的冻胀预报和评估的作用不可忽略,不同的冻结方式将影响土体中的水盐重分布及干密度的变化差异。选择土样底端温度相同情况下的单向冻结、正弦波曲线冻融循环和负温循环冻结3种冻结作用模式,对青藏高原铁路沿线红色粉质黏土进行了试验研究,分析了3种冻结模式下土体的冻胀量的变化、水分和盐分的重分布状况以及土体干密度的变化规律,试验结果表明单向冻结过程由于冰的自净作用,阻止了盐分的迁移;土体周期冻融循环后变形具有不可累加性,盐分在随水分发生对流迁移的同时会发生由浓度梯度诱导的扩散迁移;在冻融作用下,土体的压密变形是客观存在的,即体现了冻融对该试验条件下土体结构的强化作用     

人工侧向冻结条件下土的冻结试验

在人工侧向冻结、正弦和恒温2种冻结温度、开放和封闭条件下,对含水率为32 %的重塑粉质黏土进行了4组冻结试验。结果表明,补水条件相同时侧向正弦冻结试样的冻结速度比封闭正弦冻结试验的缓慢,当其冻结状态进入稳态之后,试样的整体温度场随着侧向冻结温度的正弦变化而出现相应的波动,但径向各段的温度梯度的相位滞后于正弦温度相位半个周期;正弦冻结试样与恒温冻结试样在同一条件下的冻胀量相近,封闭体系下自上而下轴向冻结试样的冻胀量高于同条件下侧向冻结试样的冻胀量;人工冻结工程中应考虑大气环境温度变化（如昼夜温差）及冷能侧向输入土体内时对冻土温度场的变化的影响。     

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