植被混凝土生态基材冻融效应试验研究

以植被混凝土生态基材为研究对象,探讨了冷端温度、含水率、植生土类型及融化温度4个因素对其冻融效应的影响。结果表明:各因素对植被混凝土冻融效应影响的强弱顺序为植生土类型 > 含水率 > 冷端温度 > 融化温度;随冷端温度升高或含水率增大,植被混凝土的冻胀率与融沉系数均显著增大;其它条件都相同时,黏土配置的植被混凝土在冻融效应上比砂土表现的更为敏感;融化温度对植被混凝土融沉系数的影响微弱,且无规律可循;冻胀与融沉过程对植被混凝土耐久性的破坏主要体现在内部的微观结构上,冻融双重作用对植被混凝土的体积变化影响并不显著;以冷端温度和含水率为影响因素所建立的综合预报模型拟合度好,可有效预测植被混凝土冻胀与融沉变形量。     

冻融作用对植被混凝土抗剪强度的影响

为探讨冻融作用对植被混凝土生态基材抗剪强度的影响,选取冷端温度、含水率和融化温度为影响因素,采用快剪试验监测原始样与冻融样的黏聚力和内摩擦角.结果表明：1）经历冻胀与融沉过程后,植被混凝土的黏聚力降低,内摩擦角在多数情况下表现为增大,二者的耦合作用显示抗剪强度有所降低;2）随着冷端温度的降低,植被混凝土冻融后的黏聚力逐渐减小,而内摩擦角却逐渐增大;3）含水率对植被混凝土黏聚力与内摩擦角的影响具有双重效应,随着含水率的增大,植被混凝土冻融后的黏聚力先快速减小而后缓慢减小至稳定值,而内摩擦角却逐渐减小;4）融化温度的改变不会造成黏聚力和内摩擦角的变化,仅影响冻结植被混凝土的融沉历时.     

土体冻结过程中基质势与水分迁移及冻胀的关系

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。     

鄂尔多斯红色砒砂岩冻融循环变形特性

砒砂岩区的产沙量是以非径流的冻融风化侵蚀为主形成的,冻融循环作为一种特殊的强风化作用,其对砒砂岩进行结构性的破坏.为揭示砒砂岩冻融破坏机制,使用LDMD-A三温冻融循环试验仪,以内蒙古自治区鄂尔多斯准格尔旗红色砒砂岩为研究对象,模拟自然条件进行单向冻融,研究分析冻融次数及含水率对原状砒砂岩冻融循环的影响规律.结果表明:冻融循环过程可以很清晰地反映砒砂岩在冻结和融化过程中,其固相、液相相互转化时内部热量的变化,以及砒砂岩冻结、融化过程的体积变化;在冻结过程中,砒砂岩冻胀率与含水率、冻融次数密切相关,含水率对冻胀率影响更显著.当含水率为8.56％和10.27％时,冻胀率随冻融次数增加而增大;但含水率为8.56％时,冻胀量很小,当含水率＞10.27％时,发生冻胀明显,试样冻胀量会随冻融次数增加而增大;当含水率≥11.53％时,冻融循环＞6次,冻胀率趋于平缓.其结果揭示了不同因素下,砒砂岩冻融循环变形规律,为砒砂岩冻融侵蚀机理的深入研究提供参考.     

基于pF meter基质势传感器的冻土水分迁移研究

基质势是指土壤毛管产生的毛管力和土粒表面的吸附力所引起的吸持水分的能力,基质势是冻土水分迁移研究中的关键参数之一。以往由于测试技术的限制,冻土基质势很难直接测定,制约了冻土水分迁移研究中许多机理性问题的准确回答。本研究通过室内试验的方法,利用新近推出的适用于负温冻结土环境的高精度基质势传感器、SWR水分探头和热敏电阻,直接测量土冻结过程中基质势、未冻水含量、温度和变形的动态变化。试验结果表明,青藏粉质黏土基质势随温度下降而减小,随温度上升而增加,温度达冻结温度时基质势约为-30 kPa。试验发现,土体基质势和土冻结过程中冻胀量变化密切相关,其引起了土冻结过程中的水分重分布,导致了11 cm深度处含水量较试验前增大约3%。不同深度处基质势差值可达400 kPa,冻土中基质势控制了土冻结过程中水分迁移的方向和迁移量,是土冻结过程中水分迁移的动力和源泉。试验结果表明,新型pF meter基质势传感器可以应用于冻土水分迁移研究,为揭示冻土水分的驱动力和水分迁移机理提供新技术和新手段。     

基于昼夜温度变化的混凝土衬砌渠道冻胀有限元分析

为了掌握衬砌渠道冻胀量及冻胀力随昼夜气温变化的发展规律及冻胀破坏极限状态,根据冻土力学及冻土物理学理论,利用有限元软件ANSYS按瞬态温变模式加载温度,对衬砌渠道冻胀过程进行数值模拟,研究了其温度场和冻胀变形及法向冻胀力与切向冻胀力随时间的变化规律。结果表明：渠道冻融破坏除因渠基土冻胀外,阴阳两坡的温度、冻胀变形、冻胀力既不均匀不对称变化又不同步,也是渠道冻胀破坏的重要原因;阳坡滞后阴坡约15 d冻结,最大冻胀量及最大冻胀力滞后日平均最低气温约4 d,日内最大冻胀量及最大冻胀力滞后日最低气温约1 h;模拟结果与野外观测资料基本吻合,但比稳态数值模拟结果偏大,表明了运用瞬态数值模拟进行渠道抗冻胀设计的正确性和合理性。     

季节冻土区刚柔混合衬砌梯形渠道冻胀机理试验

输水渠道冻胀破坏是寒冷地区渠道破坏的主要表现。为了探明刚柔混合衬砌渠道的冻胀机理,分析复合衬砌渠道的冻胀变形规律和冻胀过程中的水分变化规律,以及柔性复合土工膜的变形特征,该研究借助季节冻融条件下刚柔混合衬砌梯形渠道的原型观测成果,分析了刚柔混合衬砌渠道的最低地温变化规律、冻深变化规律和冻胀量与冻胀力的变化规律,重点研究了冻融条件下渠基土壤的水分迁移规律,以及复合土工膜的变形特征和强度变化。结果显示:刚柔混合衬砌渠道的冻胀变形最大值位于渠底和阴坡1/3处,最大冻胀量为11.2和13.1 cm,衬砌结构向上隆起。冻结期,渠基土壤0~60 cm深度范围内含水率随深度增加而增大,60~120 cm深度范围内的含水率随深度增大而逐渐减小。水分迁移最大值发生在渠道底部,迁移率为13.2%。经过一个冻融周期的循环,复合土工膜的强度和变形量仍然保持在90%以上,强度和变形损失值较小,可充分发挥复合土工膜防渗抗冻胀和适应变形的特性。该研究为刚柔混合衬砌渠道的设计、推广应用提供了理论依据。     

大型U形混凝土衬砌渠道季节性冻融水热耦合模型研究

依据温度梯度理论,论述了大型U形混凝土衬砌渠道冻胀机理;运用原型观测成果,建立了大型U形混凝土衬砌渠道季节性冻融水热耦合二维模型,采用混合型Richards方程对冻结过程中渠基非饱和土壤水分运移进行了模拟;并用冻结水分运移量、气温和冻深观测值分别建立了冻深、冻胀预测模型.经检验:模拟曲线和预测曲线与原型观测曲线基本吻合.该研究为大型U形混凝土衬砌渠道设计、推广应用提供了理论依据.     

考虑水分迁移及相变对温度场影响的渠道冻胀模型

冬季渠基冻土中水分迁移及相变产生的巨大潜热对温度场影响显著,由此,该文建立了考虑水分迁移与相变潜热的渠基土体冻胀模型。模型将冻土视为低温膨胀性材料,将相变潜热作为材料的等效热容加入热传导方程中;根据Clapeyron方程和达西定律建立饱和冻土冻结锋面处水分迁移表达式,并以迁移水相变潜热作为热传导方程热源项;采用COMSOL对模型算例求解,与不考虑相变和水分迁移的模型比较发现：相变作用对渠道温度场和变形场影响较大,考虑相变后,冻深推进缓慢,且冻深减小,衬砌板变形整体减小,较不考虑相变的模拟结果更接近实际情况,验证了本模型的合理性,为寒区工程冻胀设计提供参考。     

壤中滴灌条件下植被混凝土水分运移规律

以复合人造土壤为研究对象,研究滴头流量、坡度因子对植被混凝土水分运移过程的影响效应,揭示壤中滴灌条件下植被混凝土湿润锋运移动态变化及含水率时空分布特征,探讨植被混凝土与天然土壤在水分运移方面的异同,为高陡边坡生态恢复下壤中滴灌系统的灌溉布局与灌溉制度提供理论参考.结果表明:滴头流量、坡度对垂直向上方向的水分运移影响最大...     

考虑冻土双向冻胀与衬砌板冻缩的大型渠道冻胀力学模型

由于大型渠道断面大、渠坡长,渠基冻土沿坡长方向的切向冻胀及衬砌板的冻缩变形不可忽略,该文把大型渠道衬砌板的冻胀破坏视为两者共同作用的结果,结合冻土的Winkler弹性地基假设,并考虑冻土冻胀变形的双向冻胀差异,提出一种开放系统梯形渠道衬砌板法向和切向冻胀力的计算方法及内力计算公式。基于弹性地基理论推导了衬砌板的冻缩应力表达式,并由迭加原理提出大型混凝土梯形渠道衬砌板的抗裂验算方法。以甘肃靖会灌区某梯形渠道为原型,分析了衬砌板各截面内力和冻缩应力的分布规律,进而确定了各截面最大拉应力的分布规律及危险截面位置。对综合考虑冻土双向冻胀和衬砌板冻缩及仅考虑法向冻胀的2种情形进行对比分析表明,基于前者的衬砌板最大拉应力为2.134 MPa,而基于后者计算的相应值仅为1.494 MPa,与前者相比偏小、偏不安全。因此,在大型渠道的抗冻胀设计中建议综合考虑冻土双向冻胀和衬砌板冻缩变形的影响。     

基于TCR传热原理的混凝土复合保温衬砌渠道防冻胀效果研究

中国北方寒冷地区广泛采用保温措施进行渠道防冻胀,在苯板保温防冻胀设计中铺设厚度一般根据半理论半经验确定,并没有考虑衬砌板与保温板接触热阻及交错布置对保温性能与削减冻胀的影响。该文依据固体材料接触热阻(thermal contact resistance,TCR)原理与压力相关的传热本构模型,提出了混凝土复合保温衬砌新型式。通过ABAQUS有限元软件采用热力耦合模拟将其与普通型式的苯板保温渠道进行比较。结果表明:与普通保温衬砌渠道相比,外界负温时,复合保温衬砌的保温及消减冻胀力效果显著。理论上复合保温衬砌冻胀量消减40%以上,法向冻胀力减少66%,切向冻结力减小58%。对寒区衬砌渠道保温防冻胀设计提供了相应的理论参考。     

刚性衬砌渠道不同纵缝削减冻胀效果的数值模拟

为了探明刚性衬砌渠道设置不同纵缝削减冻胀的机理及量化影响规律,提出削减冻胀的有效工程措施,该文利用有限元软件ADINA对坡脚处、1/3坡高处、宽底板的中心处分别设纵缝和不设纵缝的刚性衬砌渠道冻胀过程进行数值模拟,分析了温度场、变形场及应力场,特别研究了衬砌板的冻胀变形及其法向和切向冻胀力分布规律。通过对比分析表明：合理设置纵缝不仅能降低最大冻胀量61%,最大法向冻胀力45%,最大切向冻胀力32%,而且可使冻胀分布更加均匀,显著削减刚性衬砌渠道的冻胀破坏;削减冻胀的显著性依次是1/3坡高处设纵缝、坡脚处设纵缝、不设纵缝;但针对坡板较短、底板较宽情况在坡脚及底板中心处都设纵缝效果最好,降低最大冻胀量67%,最大法向冻胀力59%,最大切向冻胀力45%;数值模拟结果与工程实践基本一致。研究结果表明渠道冻胀的有限元数值模拟能够为季节冻土区渠道工程设计及力学计算提供参考和科学依据。     

冻胀反力系数在渠道衬砌冻胀弹性地基梁模型中的应用

为了探究渠道基土在冻胀过程中的非线性变形特性对渠道衬砌冻胀的影响,基于冻土三轴试验结果,建立考虑围压和温度的邓肯-张本构模型,参考室内三轴试验测定基床系数方法,应用数值模拟法建立冻胀反力系数随被约束冻胀量变化的计算式,并基于有限差分法离散弹性地基梁平衡微分方程。模型考虑衬砌不同点因被约束冻胀量不同引起冻胀反力系数不同的取值问题,克服以往模型中冻胀反力系数取常量的不足。应用解析解验证模型的合理性,探究冻胀反力系数分别为变量与常量时在梯形渠道衬砌冻胀力学响应计算结果上的差异。结果表明,对于边坡和渠底衬砌板,常量冻胀反力系数计算出的最大冻胀反力是变量的1.43倍,计算出的弯矩最大值平均是变量的1.12倍。因此在采用弹性地基梁理论分析渠道衬砌冻胀问题时,若冻胀反力系数采用常量,不考虑冻土的非线性变形,会使得计算结果偏大。研究结果可为大型梯形渠道衬砌抗冻胀设计提供参考。     

三板拼接式小型U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型

研究土体冻胀对渠道混凝土衬砌结构的影响,对于保障季节性冻土地区渠道输水效率具有重要意义。以三板拼接式小型U形渠道混凝土衬砌结构为对象,研究其在冻胀作用下的受力状态。依据叠加原理将冻胀视为重力、切向冻结力、法向冻结力及法向冻胀力的共同作用,利用结构整体及局部的平衡关系,根据渠道的结构型式、破坏特征及原型观测结果,建立了衬砌结构的冻胀破坏力学模型,给出了便于设计应用的计算公式。对野外观测中的某渠道各部位内力计算结果表明,三板拼接式小型U形渠道混凝土衬砌结构以压弯为主,与实际破坏特征相吻合。刚性接缝处承受较大的轴力和剪力,是结构受力的薄弱位置。为减轻冻胀破坏程度,进一步建议衬砌板直线段倾角α在[22,26]度间取值,坡板弧段圆心角θ略大于U形渠底圆心半角,法向冻结力的合力作用点为从渠顶沿直线段向下2/3处。研究结果可以为季冻区三拼式小型U形混凝土衬砌渠道的设计提供参考依据。     

多因素影响下砒砂岩的融沉特性试验研究

[目的]探究融沉作用对砒砂岩结构改变,揭示砒砂岩冻融侵蚀机理。[方法]使用高低温交变湿热试验箱H/GDWJS-100L对砒砂岩进行不同含水率、不同冻结温度、不同干密度下的冻融试验。[结果]含水率低于11%的砒砂岩,冻胀量随着含水率的变化较小,含水率大于11%后冻胀量随着含水率的增加变化显著;在融化的过程中,砒砂岩存在起始融沉含水率在13%附近,当含水率大于起始融沉含水率发生融沉,否则发生融胀;砒砂岩融化时最大位移变化量与干密度有关,干密度1.80g/cm3对应试件的最大位移变化量最小;相同含水率、干密度条件下的砒砂岩融化时的最大位移变化量,随着冻结温度的降低而增大。[结论]冻融过程中砒砂岩的位移变化引起颗粒间的重新排列,使其孔隙特征发生变化,从而导致砒砂岩结构的改变。