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。     

一个冻土水盐热运动的数学模型

本文建立了一个冻土水盐热运动的数学模型。为了考虑土壤冻结和化冻时冰—液相变的影响,在传统土壤热传导方程中加入了溶化潜热运动项和存传统土壤水分运动方程中加入了相变项,从而推导出了三个相互关联的冻土水盐热运动方程,并提出了描述冻土未冻水含量随土壤冻结温度而变化的土壤冻结特征曲线及其实验测定方法。这个模型既可适应于冻土,也可适应于未冻土。     

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。     

不同地下水位下渠基冻胀规律与保温板适宜厚度确定

为探明河套灌区不同地下水位条件下渠基冻胀的差异,了解地下水位变化对渠基土壤水分迁移和力学性能的影响,该文通过建立不同地下水位冻胀试验平台并结合原型渠道,分析了不同地下水位对铺设不同厚度聚苯板的基土冻胀的影响,阐述了冻胀率和截面弯矩沿渠坡的分布规律,提出了不同地下水位下聚苯板适宜铺设厚度的理论计算公式。试验得出,每降低1 cm地下水位,基土冻胀量减小0.15 cm。当地下水位降低0.5~1.0 m后,削减冻胀率为71%~83.8%。地下水位下降有效阻止或延缓了土壤毛细水的上升,降低了0~30 cm土层的土壤水分,有效阻止了冻结锋面水分的迁移,减小了土体中冰夹层的形成,从而降低了土体的冻胀变形。并且,渠道的冻胀破坏部位随着地下水位的不同而发生变化。该研究可为北方季节性冻土区骨干渠道保温防冻胀技术研究提供科学依据和技术支撑。     

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。     

地下换热管土结构冻胀变形模拟

以地源热泵技术在农业节能领域中的应用为研究背景,针对地下换热管土结构冻胀变形问题开展数值模拟研究,基于孔隙增长率函数、冻土本构方程、含水量方程和相变传热理论建立数值模型,并结合试验验证该模型的有效性。利用模型对冻胀过程中岩土应力和管体变形特性进行分析,并考察管体降温速率（0.1、0.2、0.3℃/h）对上述2方面的影响。结果表明,岩土冻胀应力和管体变形程度均随冻结范围增大而增大,当冻结直径达到365 mm时,进水管流通面积减小约3.5%,出水管流通面积减小可超过4%,可见出水管的变形更为明显;冻结范围基本一致的情况下,换热管体缓慢降温可导致较大的岩土冻胀应力和出水管变形。     

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。     

冻结温度对植被混凝土生态基材冻胀特性的影响

针对高寒气候条件下,因工程扰动造成的众多岩石裸露边坡亟待生态修复的现状,选取植被混凝土这一典型人造复合生态基材为研究对象,研究了冻结温度变化对其冻胀特性的影响。结果表明,植被混凝土作为弹塑性材料,在试验设定的负温环境中均将产生冻胀现象,其冻胀历时随冻结温度的升高逐渐增大,而冻胀率随冻结温度的降低呈极为显著的线性减小趋势;同一冻结温度条件与冻胀变形稳定时,在植被混凝土中将形成近似稳定的温度场,且试样中的温度降低幅度随着植被混凝土与冷源距离的增大逐步减弱;冻结温度场将明显改变水分在植被混凝土内的分布状况,冻结温度越低越不利于试样中水分的自由迁移。     

冻土水力传导系数的理论模型研究

冻土水力传导系数多采用经验公式来描述,其结果缺少理论依据。该文从冰水界面水膜热力学理论出发,对克拉贝隆方程进行修正,得到孔隙水冻结温度与孔隙半径的关系式。基于此,结合毛细管束理论和土壤冻结特征曲线(SFCC),给出预测冻土水力传导系数的理论模型,并与前人的实测值和经验公式进行对比分析。结果表明:孔隙冻结温度随着孔隙半径的减小而下降,且温度下降速率也随之逐渐增大;考虑未冻孔隙水和未冻水膜作为水分的迁移通道,该模型计算值与试验结果具有很好吻合度,且优于经验公式,验证该模型的合理性;最后指出SFCC的拟合效果会影响该模型的预测结果。     

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.     

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。     

考虑地下水位影响的现浇混凝土梯形渠道冻胀破坏力学分析

地下水的补给与迁移是高地下水位渠道的冻胀破坏的主要影响因素。该文提出了一种考虑地下水位影响的梯形渠道衬砌冻胀力分布计算方法,推导出地下水位影响的渠道基土冻胀强度和冻结深度分布的计算公式,并得到现浇混凝土衬砌的截面最大弯矩和最易破坏截面位置的解析表达式。从整体与局部2个方面定量分析梯形渠道衬砌冻胀力分布的不均匀性,为渠道的抗冻性能评价和断面优化提供了定量指标,结果表明:渠深越浅,坡板倾角越小,冻胀力分布越均匀,越不易发生破坏,揭示了宽浅式梯形渠道抗冻性能良好的原因。以塔里木灌区某梯形渠道为原型,对不同地下水埋深的渠道冻胀特征和受力进行了分析,并与观测资料进行了对比,其中基土冻深的计算值与观测值之间的最大相对误差为3.5%,估算最大弯矩所在截面的位置为距离坡顶63.9%坡板长处,与灌区实地调查结果基本相符,表明了方法的实用性和合理性。最后,对高地下水位梯形渠道的冻害机理进行了分析,该研究可为高地下水位现浇混凝土梯形渠道衬砌的抗冻设计和相关研究提供参考。     

整体式U型混凝土渠道衬砌-冻土接触模型

为探究渠道衬砌与冻土接触面间存在的冻结约束、相对滑动与分离等接触作用对渠道衬砌冻胀破坏的影响,该研究以整体式U型渠道冻胀破坏监测试验为原型,构建了考虑接触和不考虑接触两类渠道冻胀模型,结合现场试验结果评估模型的合理性,并分析衬砌的冻胀变形与受力变化过程。结果表明:相比于不考虑接触模型,考虑接触模型的模拟结果更符合现场试验情况。在边坡处,考虑接触模型的法向应力峰值与试验监测峰值接近,不考虑接触模型的法向应力峰值可达前两者的3.3倍。试验与考虑接触模型的渠底法向应力基本为0,而不考虑接触模型中则存在持续增大的拉应力。现场试验的衬砌-冻土接触面间存在渠底分离与渠坡相对滑动过程,因此需由考虑接触模型模拟分析该过程。在试验与考虑接触模型中,渠底处衬砌与基土由于发生分离而产生空隙,此后悬空衬砌与渠坡基土发生相对滑动,释放了冻胀基土对衬砌的挤压力。考虑接触模型中的相对滑动改变了衬砌应力的发展趋势,由不考虑接触模型的“增力”变为考虑接触模拟的“卸力”。与不考虑接触模型相比,考虑接触模型的衬砌上、下表面正应力峰值分别降低了903%和164%,下表面切向力峰值降低了248%。在渠道冻胀模型中考虑接触作用更...     

旱寒区输水渠道防渗抗冻胀研究进展与前沿

渠道在农业灌溉和长距离调水工程中作为首选输水形式发挥着重要的作用。但因旱寒区输水渠道渗漏与冻胀互为因果形成恶性循环，导致渠道渗漏、冻胀、隆起、架空、失稳滑塌等冻融老化破坏普遍且严重，直接影响工程输水效率及渠道的安全运行与效益发挥。该研究着重从探究渠道冻融破坏机理而进行的室内试验和现场原型监测、工程力学模型、水-热-力耦合数值模型及防渗抗冻胀技术等方面论述了旱寒区输水渠道防渗抗冻胀的研究进展；在此基础上，指出了太阳辐射、冻融、盐渍化等复杂环境及冬季输水、水位骤降等运行工况下的渠道多场耦合破坏机理及相应的多场耦合数值模型、衬砌-冻土相互作用模型、失效准则与设计方法、防渗抗冻胀措施标准化及渠道灾变过程与防控技术等渠道防渗抗冻胀有待研究的问题和难点；探讨了完善和提升旱寒区渠道防渗抗冻胀的设计理论与方法、建立全生命周期内的灾变链动态演变预警模型等未来发展方向及趋势，为旱寒区输水渠道工程科学设计与安全高效运行提供指导。     

梯形渠道衬砌冻胀破坏弹性地基板模型

为探讨开放系统中梯形混凝土衬砌渠道的冻胀问题,根据衬砌板与冻土地基的相互关系,采用 Winkler弹性地基板理论建立了考虑冻胀力和冻结力作用的衬砌板冻胀破坏力学模型,使用解析法得到了衬砌板变形和内力解,对不同地下水埋深、衬砌板几何参数的影响规律进行了分析。通过与已有现场观测值和计算值进行对比,验证了弹性地基板理论计算结果的正确性。研究结果表明：坡板在非均匀分布的冻胀力作用下,挠度、弯矩和剪力也表现为非均匀分布,挠度最大值在坡顶距坡脚2/3处,弯矩最大值靠近底板位置,拉应力分布与内力分布规律一致,与已有研究结果吻合。与梁理论相比,板理论计算结果表明衬砌板的挠度和内力沿板宽方向为非均匀分布,挠度和弯矩在自由边界（纵向伸缩缝）处增大,扭矩主要分布在衬砌板的拐角处。切向冻结力对渠道冻胀影响较小,在原渠道工况下,不考虑切向冻结力与考虑最大切向冻结力之间,最大挠度相差0.7 mm。针对不同地下水位的渠道,给出了衬砌板的安全厚度,可为现浇混凝土梯形渠道的抗冻胀设计提供参考和理论依据。     

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。