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土体冻结过程中基质势与水分迁移及冻胀的关系

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农业工程学报 2017年第10期33卷 176-183页

作者：薛珂温智张明礼李德生高樯中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室兰州730000 中国科学院大学北京100049 兰州理工大学土木工程学院兰州730050

土体冻结过程中不同位置液态水的能量差引起了水分迁移与重分布,进而引发冻胀,关于势能差驱动下的冻土水分迁移问题一直由于技术手段的匮乏而没有完全解决。利用新近推出的可用于冻土水热研究的p F meter基质势传感器与5TM水分传感器,... 详细信息

土体冻结过程中不同位置液态水的能量差引起了水分迁移与重分布,进而引发冻胀,关于势能差驱动下的冻土水分迁移问题一直由于技术手段的匮乏而没有完全解决。利用新近推出的可用于冻土水热研究的p F meter基质势传感器与5TM水分传感器,实时监测研究饱和青藏红黏土单向冻结过程中基质势-液态含水率-温度-含冰量-水分迁移量-冻胀变形之间在时间、空间上的耦合变化关系。结果表明:土体温度场变化引起内部液态水相变,打破了原有的能量平衡,试验结束后12~14 cm土样高处含水率最高达到55%,靠近冻融交界面处(10 cm)的未冻区含水率减小至25.8%,水分整体向冷端发生迁移;土体冻胀的快慢及冻胀量大小与水分迁移速率及数量具有线性关系;试验后土体内总含水率的分布与分凝冰透镜体的分布一致,已冻区液态含水率的分布与温度梯度近似成线性关系,未冻区液态含水率的分布与水分的迁移量有关,与温度梯度无关。此外,温度场对水分场的变化具有诱导作用但二者并不同步,当冻结速率减小到一定程度时水分才开始迁移,第10小时后温度场趋于稳定而水分迁移并未停止。研究成果揭示了土体单向冻结过程中液态水、基质势、温度等物理参数的动态变化过程及内在联系,为冻胀机制的研究以及冻胀模型的建立提供了试验基础。

关键词：土壤冻结含水率温度冻胀分凝冰基质势 pF meter

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面向路基冻胀的地源热泵装置的设计与试验

土木工程学报 2019年第A02期52卷 58-65页

作者：王天亮胡田飞刘建勇尹赵爱卢玉婷石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043 石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室河北石家庄050043

针对中国季节性冻土区路基工程广泛存在的冻胀现象,通过路基工程与供热工程的学科交叉分析,提出将地源热泵技术引入路基工程。供热技术应用于路基工程的理念在于,在冬季通过人工热源主动地向路基输入热量,来实时地补偿热量损失,进而消... 详细信息

针对中国季节性冻土区路基工程广泛存在的冻胀现象,通过路基工程与供热工程的学科交叉分析,提出将地源热泵技术引入路基工程。供热技术应用于路基工程的理念在于,在冬季通过人工热源主动地向路基输入热量,来实时地补偿热量损失,进而消除路基负温状态和冻胀现象。设计与制作一款面向路基工程的专用地源热泵装置,工作原理为蒸气压缩式热力学循环,换热方式为直接膨胀式,通过制冷剂的蒸发、压缩和冷凝实现地热能的搜集、品位提升和释放。该装置自成独立的制热单元,主要包括地表驱动部件和地层换热部件,前者包括压缩机、毛细管、控制器等;后者包括稳定地层集热段和冻胀地层供热段,结构型式为立式柱状。装置供热试验表明,供热温度可达50℃以上,集热温度可达?8℃以下,有效供热半径在1.4m以上。地源热泵装置具有主动供热的技术优势,可以为寒区路基防冻胀问题提供一种新方法。

关键词：季节性冻土路基工程冻胀供热技术地源热泵结构型式供热温度

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低液限粉土填料掺盐抑制冻胀效果研究

铁道学报 2018年第7期40卷 93-99页

作者：沈宇鹏汤天笑刘建坤田亚护蔡小培北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 北京交通大学北京市轨道交通线路安全与防灾工程技术研究中心北京100044

采用室内单轴冻结试验,对比封闭条件下神朔重载铁路低液限粉土填料掺盐前后水分迁移和冻胀特性,并分析不同类型盐分、含盐量下抑制土体冻胀效果。结果表明:(1)低液限粉土的起始冻结温度随含盐量的增加而降低;掺入NaCl后起始冻结温度明... 详细信息

采用室内单轴冻结试验,对比封闭条件下神朔重载铁路低液限粉土填料掺盐前后水分迁移和冻胀特性,并分析不同类型盐分、含盐量下抑制土体冻胀效果。结果表明:(1)低液限粉土的起始冻结温度随含盐量的增加而降低;掺入NaCl后起始冻结温度明显降低,有效抑制了土体的水分冻结;Na2SO4也能降低起始冻结温度,但效果不如NaCl。(2)随着盐含量增加,土体水分迁移量减少;加入NaCl后,冻结深度减小,冻结锋面含水率降低;加入Na2SO4后冻结深度无明显改变。(3)掺盐可有效抑制土体冻胀,且冻胀量随含盐量的增加而减小,NaCl抑制土体冻胀效果强于Na2SO4。建议该地区优先掺入NaCl来抑制路基冻胀,且掺入量控制在1.5%~2%之间。

关键词：低液限粉土冻胀水分迁移起始冻结温度含盐量

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硫酸钠溶液在降温结晶过程中的盐胀与冻胀

岩土工程学报 2016年第11期38卷 2069-2077页

作者：李星星王思敬肖锐铧程东幸严福章中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院页岩气与地质工程重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049 中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司陕西西安710075 国网北京经济技术研究院北京102209

在降温过程中,硫酸钠溶液溶解度降低,硫酸钠结晶析出。当温度降低到一定温度时,除硫酸钠结晶外,溶液中的水也结晶析出。溶液在孔隙中的结晶是导致孔隙介质变形与破坏的主要原因。为探明孔隙介质中溶液结晶导致孔隙介质变形与破坏机理,... 详细信息

在降温过程中,硫酸钠溶液溶解度降低,硫酸钠结晶析出。当温度降低到一定温度时,除硫酸钠结晶外,溶液中的水也结晶析出。溶液在孔隙中的结晶是导致孔隙介质变形与破坏的主要原因。为探明孔隙介质中溶液结晶导致孔隙介质变形与破坏机理,构建了Na_2SO_4+H_2O二元体系在降温结晶过程中的体积变化率计算方法。该方法依据Na_2SO_4+H_2O二元体系中各相态的平衡浓度计算各相态在不同温度下的含量,进而根据该温度条件下溶液及晶体体积计算体系的体积变化。计算结果与前人试验结果比较发现,计算方法能很好地预测Na_2SO_4+H_2O二元体系在平衡态转化过程中盐胀与冻胀量。此外,在降温冻结过程中,盐胀率远远小于冻胀率;当晶体为Na_2SO_4·7H_2O时,盐胀阶段的体积增长率较小,而冻胀阶段体积急剧增长。

关键词：硫酸钠溶液温度结晶盐胀冻胀

开放系统预制混凝土梯形渠道冻胀破坏力学模型及验证

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农业工程学报 2016年第19期32卷 100-105页

作者：肖旻王正中刘铨鸿刘月郭瑞西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室兰州730000

预制混凝土衬砌渠道在中国北方寒冷地区得到普遍应用,而其在高地下水位条件下的冻胀力学分析尚无简捷、可靠的方法。该文假定渠道基土服从Winkler假设,从而在特定地区相似的土质、气候条件下衬砌板各点的基土冻胀强度仅与相应点的水分... 详细信息

预制混凝土衬砌渠道在中国北方寒冷地区得到普遍应用,而其在高地下水位条件下的冻胀力学分析尚无简捷、可靠的方法。该文假定渠道基土服从Winkler假设,从而在特定地区相似的土质、气候条件下衬砌板各点的基土冻胀强度仅与相应点的水分补给强度有关,结合冻胀力、基土冻胀率和地下水埋深三者相互间的函数关系,提出了一种计算渠道衬砌冻胀受力分布的方法。将其应用到一类预制板尺寸适中的预制混凝土衬砌梯形渠道中,建立了冻胀破坏力学模型。结合力学分析和工程实践,对预制混凝土衬砌结构可能发生的冻胀破坏形式和原因进行了分类,并确定了相应的冻胀破坏验算控制截面,提出了相应的冻胀破坏判断准则。采用单位荷载法提出了一种对板间接缝处法向冻胀位移进行直接验算的方法。最后,结合工程实例进行了计算,结果表明,模型合理可靠,可为工程设计提供一定的参考和理论依据。

关键词：渠道冻土水分冻胀预制板力学模型单位荷载法

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动、静荷载作用下细粒土的冻胀特性实验研究

岩土工程学报 2010年第12期32卷 1882-1887页

作者：田亚护刘建坤彭丽云北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

随着列车速度的不断提高,季节冻土区路基工程的冻胀问题也越来越突出。为研究细颗粒土在动荷载作用下的冻胀特性,进行了无荷载、静荷载和动荷载条件下室内开敞系统的冻胀实验,对比分析了无荷载、静荷载和动荷载条件下细粒土的冻胀变形... 详细信息

随着列车速度的不断提高,季节冻土区路基工程的冻胀问题也越来越突出。为研究细颗粒土在动荷载作用下的冻胀特性,进行了无荷载、静荷载和动荷载条件下室内开敞系统的冻胀实验,对比分析了无荷载、静荷载和动荷载条件下细粒土的冻胀变形、水分迁移速率及土中含水量的分布。实验结果表明:静荷载、列车动荷载对土的冻胀都具有一定的抑制作用,随着外荷载值的增大,该细颗粒土的冻胀率逐渐减小;且当静荷载值等于动荷载幅值的二分之一时,动、静荷载对细颗粒土冻胀的影响基本相同;土冻结过程中水分迁移速率随着冷却温度的降低而逐渐增大,而随列车动荷载值的增大而相应降低;土的冻胀特性基本不受列车动荷载频率变化的影响。

关键词：动荷载冻胀水分迁移

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非饱和黏土的冻胀融沉过程分析

岩土力学 2011年第4期32卷 1025-1028页

作者：吴礼舟许强黄润秋成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室成都610059

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... 详细信息

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。

关键词：非饱和冻土冻胀融沉含水率冻结锋面

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浅埋隧道局部存水冻胀作用机制与安全性评价

交通运输工程学报 2020年第3期20卷 40-50页

作者：王道远袁金秀朱永全栾永军崔海龙崔光耀石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043 河北交通职业技术学院土木工程系河北石家庄050091 河北建设集团股份有限公司河北保定071000 北方工业大学土木工程学院北京100144

为揭示寒区隧道局部存水冻胀作用机制并提出有效的衬砌结构安全评价方法,设计了三维地质力学模型试验,通过设置3种积水范围冻胀试验工况,观测冻胀过程中裂缝开展和衬砌结构受力等情况;改进了局部存水冻胀数值计算方法,建立了基于岩体力... 详细信息

为揭示寒区隧道局部存水冻胀作用机制并提出有效的衬砌结构安全评价方法,设计了三维地质力学模型试验,通过设置3种积水范围冻胀试验工况,观测冻胀过程中裂缝开展和衬砌结构受力等情况;改进了局部存水冻胀数值计算方法,建立了基于岩体力学法并耦合冻胀力和围岩荷载的冻胀数值模型,对比了不同存水位置、不同局部存水厚度和不同存水范围下隧道冻胀力和结构内力的变化规律,进一步揭示了局部存水冻胀对隧道受力的影响机制,评判了衬砌结构的安全性。分析结果表明:局部存水冻胀具有显著的区域性特征,衬砌冻胀开裂发生在局部存水与非存水交界处,冻胀力大小取决于交界处冻胀产生的应力集中效应,衬砌裂缝多为纵、斜向裂缝;衬砌局部存水冻胀最不利位置由优到劣依次为拱脚、边墙、仰拱、拱腰和拱顶,衬砌受力随局部存水厚度的增大而增大,局部存水范围的增大有利于衬砌受力均匀化;不同部位局部存水冻胀条件下衬砌结构容许压应力比均小于1,满足抗压检算要求;拱顶、拱腰和仰拱容许拉应力比均大于1,不满足抗拉检算要求,实际工程应针对上述部位采取适当的防冻胀措施予以处治;揭示的隧道局部存水冻胀作用机制和建立的衬砌结构安全性评价方法为寒区隧道冻害防治提供了一定理论依据。

关键词：隧道工程局部存水冻胀作用机制安全评判数值计算模型试验

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土体冻胀敏感性评价

岩石力学与工程学报 2014年第3期33卷 594-605页

作者：盛岱超张升贺佐跃中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室湖南长沙410075

假定冻胀是由冻土内冰透镜体的生长引起的;冰透镜体的生长由热力学Clapeyron方程控制,并且依赖于已冻结区与未冻结区之间冻结缘是否存在。未冻水和冰共存于冻结缘的孔隙中;冰水交界面处的吸力使水产生流动,并为冰透镜体的生长补给水分... 详细信息

假定冻胀是由冻土内冰透镜体的生长引起的;冰透镜体的生长由热力学Clapeyron方程控制,并且依赖于已冻结区与未冻结区之间冻结缘是否存在。未冻水和冰共存于冻结缘的孔隙中;冰水交界面处的吸力使水产生流动,并为冰透镜体的生长补给水分。同时,通过定义1个新的简单的"有效应力"的概念,来判断是否会萌生新的冰透镜体,并提出1个简单的冻胀模型。该模型仅通过几个简单的土的参数,就可以计算土体冻胀量及冻结深度。在此基础上,利用所建立的模型对不同土的冻胀敏感性进行分析。土的冻胀敏感性必须结合环境条件来评估,如上覆压力、温度梯度、降温速率及地下水位埋深等;而某些土在传统的分类中属于弱冻胀土,但在一定环境条件下,仍会产生显著的冻胀量或冻胀压力。

关键词：土力学冻胀冰透镜体冻胀敏感性上覆压力地下水位