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土体冻结和冻胀研究的新进展——“国际地层冻结和冻结作用研讨会”论文综述

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冰川冻土 1997年第3期19卷 280-283页

作者：徐学祖何平张健明中国科学院兰州冰川冻土研究所冻土工程国家重点实验室

１９９７年４月１５～１７日在瑞典吕勒奥工学院召开了“国际地层冻结和冻结作用研讨会”。会议共发表论文８２篇，涉及７个专题：ＩＳＳＭＦＥ工作组报告、正冻正融土岩中的热质迁移、冻结敏感性和冻胀、已冻已融和正融土岩的力学性质... 详细信息

１９９７年４月１５～１７日在瑞典吕勒奥工学院召开了“国际地层冻结和冻结作用研讨会”。会议共发表论文８２篇，涉及７个专题：ＩＳＳＭＦＥ工作组报告、正冻正融土岩中的热质迁移、冻结敏感性和冻胀、已冻已融和正融土岩的力学性质、环境土冻结、工程设计和工程实例。文章主要论述土体冻结和冻胀研究的新进展。

关键词：土体冻结冻胀冻土力学性质

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土体冻结对采煤塌陷区风沙土含水量的影响

内蒙古林业科技 2008年第1期34卷 32-34页

作者：韩永光袁立敏那钦韩彦隆内蒙古磴口县政府内蒙古磴口015200 内蒙古农业大学生态环境学院内蒙古呼和浩特010019

通过测定和计算毛乌素沙地南缘补连塔采煤塌陷区和非塌陷区风沙土春季解冻前后土壤含水量,研究土体冻结对采煤塌陷区风沙土含水量的影响。试验结果表明:在土体冻结及有积雪时,2005、2004年塌陷区质量含水量比对照区分别降低了4.3%和3.5%... 详细信息

通过测定和计算毛乌素沙地南缘补连塔采煤塌陷区和非塌陷区风沙土春季解冻前后土壤含水量,研究土体冻结对采煤塌陷区风沙土含水量的影响。试验结果表明:在土体冻结及有积雪时,2005、2004年塌陷区质量含水量比对照区分别降低了4.3%和3.5%;土体解冻后,2005、2004年塌陷区容积含水量比对照区分别降低5.2%和6.2%。说明土壤冻结与积雪有利于缓解采煤塌陷区水分亏缺。

关键词：采煤塌陷土体冻结土壤水分

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渗流作用对人工冻结土体特性的影响

铁道工程学报 2021年第7期38卷 12-17页

作者：周洁李泽垚田万君同济大学上海200092 中国建筑第二工程局有限公司北京100074

研究目的:当使用人工地层冻结法建设地铁联络通道时,松散含水层中的渗流作用会对冻结土体产生影响。本文使用一种可控制渗流速度的人工冻结制样装置对粉土、粉砂进行冻结制样后,通过对冻结土进行单轴抗压试验并测定含冰量的方法探究渗... 详细信息

研究目的:当使用人工地层冻结法建设地铁联络通道时,松散含水层中的渗流作用会对冻结土体产生影响。本文使用一种可控制渗流速度的人工冻结制样装置对粉土、粉砂进行冻结制样后,通过对冻结土进行单轴抗压试验并测定含冰量的方法探究渗流对人工冻结粉土、粉砂力学特性的影响,以及两种土质的水分迁移规律。研究结论:(1)渗流能明显提高粉土的冻结强度和弹性模量;(2)渗流能略微降低粉砂的冻结强度,对冻结粉砂弹性模量的影响不大;(3)对于地铁联络通道的人工冻结工程,渗流可使粉土层产生过量冻结从而造成资源浪费,使粉砂层的冻结壁承载力不足而产生安全风险;(4)本试验结果可辅助地铁联络通道的人工冻结工程进行优化设计、精确预测隧道变形等,从而确保施工安全、节约成本。

关键词：人工地层冻结法渗流地铁联络通道土体冻结

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基于近场动力学的土冻结过程热传导模拟

冰川冻土 2024年第6期46卷 1816-1827页

作者：鲁洋穆彦虎王建郑军威杨子越朱戎熙河海大学水利水电学院江苏南京210098 中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049 河海大学卓越工程师学院江苏南京210098

寒区冻土工程在极端气候下面临挑战,土壤温度变化威胁工程结构稳定和安全,准确预测温度变化对工程安全至关重要。由于土壤冻结涉及材料相变,模拟预测中会出现非连续问题,基于连续性假设的热传导模型和局部偏微分方程的传统数值方法在求... 详细信息

寒区冻土工程在极端气候下面临挑战,土壤温度变化威胁工程结构稳定和安全,准确预测温度变化对工程安全至关重要。由于土壤冻结涉及材料相变,模拟预测中会出现非连续问题,基于连续性假设的热传导模型和局部偏微分方程的传统数值方法在求解该类问题时常产生奇异性。为此,本文引入近场动力学微分算子(PDDO),将经典连续介质力学中的偏微分方程转化为非局部积分形式,并基于热焓法建立相变热传导模型。选取不同近场范围模拟二维热传导过程并与解析解进行对比,确定在近场范围δ=3Δx时具有较高精度。选取不同相变材料模拟二维相变材料热传导过程,准确地模拟出相变材料在热传导过程中的温度变化以及材料相变过程。最后模拟了不同冻结温度下二维土体的冻结过程,准确捕捉到了相变温度并明显展现出相变温度平台。证实了本文提出的基于近场动力学的土冻结过程热传导模拟方法可以在给定条件下准确预测冻土温度变化。

关键词：冻土近场动力学微分算子相变热传导土体冻结

冻土孔隙水迁移与成冰相变的介观尺度数值模拟研究

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冻土孔隙水迁移与成冰相变的介观尺度数值模拟研究

作者：王情玉中南大学

学位级别：硕士

路基冻胀问题严重影响寒区高速铁路的安全服役,而土体中的水气迁移和冻结相变过程是解释冻胀机制的关键。目前,对冻土孔隙尺度的水分迁移过程和细观成冰机制仍然缺乏清晰地认识和有效的研究手段,而介观尺度的数值方法为这一研究提供了... 详细信息

路基冻胀问题严重影响寒区高速铁路的安全服役,而土体中的水气迁移和冻结相变过程是解释冻胀机制的关键。目前,对冻土孔隙尺度的水分迁移过程和细观成冰机制仍然缺乏清晰地认识和有效的研究手段,而介观尺度的数值方法为这一研究提供了可能。本文基于格子Boltzmann方法、热力学和冻土物理学理论建立了介观层面的土体冻融数值模拟程序,从宏观水分、冰晶和温度等的分布情况,到细观冰、水和气在孔隙中相变的可视化过程,多个角度揭示冻土成冰机理。首先,提出孔隙水冻结温度算法并与焓法固液相变格子Boltzmann模型相结合,模拟了悬浮液滴冻结和冻土孔隙水成冰两个过程,揭示了液态水在自由状态和孔隙束缚状态下冰水相变的细观机制。结果发现,土体孔隙中冰晶由中心向外生长的过程与悬浮在空气中的液滴冻结过程截然不同,并且孔隙水越接近颗粒表面,其冻结温度越低。相同粒径颗粒按照不同排列方式得到的冻结特征曲线(SFCC)具有明显差异;不同粒径的SFCC随着颗粒增大残余水含量逐渐变少,形态更加陡峭。随后,依据级配曲线重建土样的多孔介质结构,并引入参数η修正孔隙水冰点的数值算法,构建了一个模拟土体冻融相变过程的数值方法。对5种不同土样的冻结过程进行模拟分析,其SFCC的数值解与试验值基本吻合。修正系数η取值在0.1～0.2之间,与土样类型和级配特征不相关;数值模拟方法对砂土、粉土等粘粒含量少(土体冻结状态与级配特性相关,不均匀系数C和曲率系数C越大,则土体冻结过程中的过冷度与残余水含量越低,且C比C的作用更显著。最后,引入Shan-Chen单组分多相流动模型和多孔介质水热耦合相变模型,完善了冻土水气迁移和冻结模拟程序,实现了流-固接触角调控、气液两相分布和流动,以及冻土渗透性的数值分析。多孔介质中,接触角、饱和度和体积力都会对两相流体的密度分布和流动速度产生影响。冻土渗透系数的数值解和试验值拟合较好,基本处于同一数量级;随着温度降低,大孔隙逐渐冻结,孔隙连通性变差,未冻水整体处于极缓慢的流动状态,导致渗透系数下降。图47幅,表8个,参考文献115篇

关键词：土体冻结颗粒级配孔隙水迁移格子Boltzmann方法未冻水含量渗透系数数值模拟

基于格子Boltzmann方法岩土工程中的多场耦合问题研究

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基于格子Boltzmann方法岩土工程中的多场耦合问题研究

作者：辛立斌昆明理工大学

学位级别：硕士

岩土工程领域广泛存在着多场耦合的物理化学过程,譬如固体颗粒场、渗流场、温度场以及化学场。结合岩土体矿物成分多、空间结构随机性高等特征,岩土工程中多场耦合过程呈现出了跨尺度、非线性、非平衡的特点。因此合适的计算方法对研究... 详细信息

岩土工程领域广泛存在着多场耦合的物理化学过程,譬如固体颗粒场、渗流场、温度场以及化学场。结合岩土体矿物成分多、空间结构随机性高等特征,岩土工程中多场耦合过程呈现出了跨尺度、非线性、非平衡的特点。因此合适的计算方法对研究多场耦合的重要性不言而喻。最近的研究表明格子Boltzmann方法(LBM)以其耦合能力强、计算稳定性高、能打破传统流体力学方法(如基于Navier-Stokes方程的流体力学方法)连续性壁垒的特点被广泛应用于各个学科领域多场物理化学耦合反应过程的模拟。基于LBM的上述特点,本文以岩土工程学科中的岩土体冻融、泥石流、岩土体溶蚀等问题为背景,在前人研究的基础上,提出了适用于冻结相变、流固耦合、化学溶蚀反应的LBM模型,从介观角度深度研究和探索了集固体场、渗流场、温度场以及化学场于一身的饱和砂土冻结过程,颗粒流过程以及岩土体裂隙渗流溶蚀过程。本文的主要贡献如下:(1)针对岩土工程中的岩土体冻融问题,通过模拟孔隙率为0.4,0.45和0.5的饱和砂土冻结过程,发现冻结过程受孔隙率和冻结源位置的双重影响,整个冻结过程可以归纳为三个阶段:非冻结阶段、部分冻结阶段和完全冻结阶段。当冻结位置远离冷源时,孔隙率将主导饱和砂土的冻结,否则,热梯度将主导饱和砂土的冻结。在前一种情况下,阻水效应控制着整个冻结的进展;在后一种情况下,热力梯度对冻结过程的控制更为明显。(2)大量的研究表明,连续的流固耦合方法难以捕获颗粒水平上的不均匀性影响,譬如力传递、力链的分布特点。这种现象的产生原因是微结构效应,而LBM-DEM耦合方法恰恰能够模拟出这些微结构效应。针对岩土工程中的滑坡、泥石流问题,利用带有曲面动边界法YMS模型的LBM-DEM方法计算了颗粒、流场的耦合物理作用。分别模拟了单颗粒自由落体运动、Couette流中的单颗粒运动,粘性流体中的颗粒沉降运动以及粘性流体中的多颗粒坡体滑动。这些模拟捕获到了颗粒尺度的个体表现,为更好的了解致密颗粒流流变学和连续模型局限性做出了贡献。模拟发现群体颗粒的滑落过程中大量夹杂着表面颗粒跳动的个体特性,这个现象受制于斜坡的初始状态,密度,流体的粘性和斜坡微结构的空间分布特点。(3)针对岩土工程中的岩土体裂隙渗流溶蚀问题,模拟了岩土体单裂隙、裂隙网中渗流速度、反应速率、浓度扩散强度、岩土矿物成分等众多因素交叉影响下的渗流溶蚀过程。通过对不同流速和反应速率环境下的岩土体进行溶蚀模拟发现,流体流速快、反应系数大的情况下,可溶矿物的溶蚀呈现出了垂直溶蚀的特点。流体流速慢、反应系数小的情况下亦然如此。然而当流体流速慢、反应系数大的情况下,呈现出水平溶蚀的特点。本文模拟的算例显示出,流速是影响岩石溶蚀速率的主导因素。接着研究了不可溶矿物对岩土体溶蚀的影响。分析发现,决定最大流速的主要因素是最小机械隙宽。不可溶矿物垂直生长的岩石相比于水平生长的岩石,其最小水力隙宽大。且水平生长的不可溶矿物导致微孔隙中漩涡的增长加剧,从而引起微通道流速的降低。所以不可溶矿物垂直生长的岩石最先溶蚀完成。最后分别模拟了有、无不可溶矿物粗糙裂隙网岩体的溶蚀过程,分析发现两种情况下的岩土体溶蚀都会出现虫洞现象。但无不可溶矿物的岩石裂隙会形成较大的偏流效应,偏流效应与虫洞现象同在且互相促进,因此虫洞现象更明显。

关键词：格子Boltzmann方法多场耦合岩土工程土体冻结颗粒流溶蚀

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季冻区矩型渠冻胀数值模拟及试验研究

应用科技 2018年第6期45卷 1-7页

作者：孔德坤孙瑶花健灵翟和南京水利科学研究院江苏南京210000 福建省交通建设工程试验检测有限公司福建福州350000 哈尔滨工程大学船舶工程学院黑龙江哈尔滨150001

传统的U型渠混凝土强度较低,抗冻胀性较差,在寒区使用各方面指标难以达到正常运行要求,因此提出新型矩型渠。采用聚苯乙烯泡沫(EPS)颗粒轻质土垫层作为矩型渠的保温材料,对比不同掺量EPS颗粒轻质土对矩型渠的保温效果,结合数值模拟和物... 详细信息

传统的U型渠混凝土强度较低,抗冻胀性较差,在寒区使用各方面指标难以达到正常运行要求,因此提出新型矩型渠。采用聚苯乙烯泡沫(EPS)颗粒轻质土垫层作为矩型渠的保温材料,对比不同掺量EPS颗粒轻质土对矩型渠的保温效果,结合数值模拟和物理试验模型,分析土体的冻结融化规律及冻融循环后的残余变形量。研究结果表明:土体冻结是单向冻结、双向融化的过程,且土体的最大冻深发生在温度上升段0℃附近;EPS颗粒轻质土垫层对矩型渠土体起到很好的保温作用,EPS颗粒轻质土掺量越高,土体冻胀量和冻深的削减量也越大。

关键词：季冻区矩型渠数值模拟物理模型保温材料 EPS颗粒轻质土土体冻结

波士顿市主干道工程中顶管隧道的大型顶推坑设计

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公路隧道 2002年第3期 7-11页

作者：何伟奇

本文介绍波士顿市主干道工程采用顶管法隧道连接沉管隧道岸坡段和下穿高速公路及铁路线的施工环境，重点提出并解决了大型顶推坑设计遇到的难题：在不均衡的粘性土地层条件下支护设计，保证基坑四周和顶进稳定的土体冻结法施工技术，以... 详细信息

本文介绍波士顿市主干道工程采用顶管法隧道连接沉管隧道岸坡段和下穿高速公路及铁路线的施工环境，重点提出并解决了大型顶推坑设计遇到的难题：在不均衡的粘性土地层条件下支护设计，保证基坑四周和顶进稳定的土体冻结法施工技术，以及顶推坑一些设计和施工问题的分析和处理，为类似的设计提供借鉴。

关键词：波士顿市主干道工程设计顶管隧道顶推坑支护土体冻结减压孔系统最少化支撑施工技术

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冻土改良方法及其机理研究综述

治淮 2022年第9期 76-77页

作者：余薇薇焦勇张玉婷安徽淮河环境科技咨询有限公司 233000 江苏鸿基水源科技股份有限公司 225000 江苏省工程勘测研究院有限责任公司 225000

一、引言季节和昼夜的温度变化会引起土体周期性的冻结和融化,土体冻结时膨胀,融化时沉降,这种物理特性导致土体结构、性质发生很大的变化,直接影响地基以及上部建筑物的长期安全稳定,是冻土地带建筑物产生裂缝的主要原因。尤其是在我... 详细信息

一、引言季节和昼夜的温度变化会引起土体周期性的冻结和融化,土体冻结时膨胀,融化时沉降,这种物理特性导致土体结构、性质发生很大的变化,直接影响地基以及上部建筑物的长期安全稳定,是冻土地带建筑物产生裂缝的主要原因。尤其是在我国寒冻地区,冻融造成地基破坏的事件屡见不鲜。例如:呼伦贝尔建成的110k V变电站在2005年因冻胀导致地基破坏,造成变电站设备支架倾斜,严重影响变电站的正常运行。

关键词：土体结构冻土地带变电站设备改良方法温度变化地基破坏土体冻结呼伦贝尔