冻结过程路基土体水分迁移特征分析

以沈哈高速铁路沿线的粘质黄土为研究对象,进行了冻结过程中封闭系统下土体水分迁移试验,试验结果表明:试样中温度的变化是先快后慢,最终试样内部温度随深度的变化呈现出一个稳定的温度梯度分布;温度势对水分迁移的影响甚微,温度梯度是导致含水量梯度产生的一个重要诱导因素,当温度的变化致使土体发生冻结时,冻结区的液态水含量急剧减小,从而引起其基质势能的急剧降低,促使土中未冻水沿着温度降低的方向迁移.基于上述试验,通过建立二维温度场与水分场耦合效应模型,应用有限元数值方法对室内封闭系统下模型试件的温度场、水分场进行了数值模拟,计算值与实测值基本吻合,验证了水热耦合数值计算模型的正确性.该模型可用于模拟季节性冰冻地区路基土体中水分迁移的变化规律,为冻胀防治提供依据.     

基于COMSOL Multiphysics数学模块的冻土水热耦合分析

多年冻土内部的水热过程是影响冻土区生态环境演变、干旱区水资源利用及地表工程结构稳定性的重要因素。然而传统的水热耦合理论模型忽略了非饱和土体中水分对流传热作用,在水分场与温度场耦合理论模型的数值实现上仍有困难。以垂直土柱单向冻结实验为基础,通过COMSOL Multiphysics软件的数学模块实现考虑冰水相变和水分对流的温度场和水分场偏微分方程的耦合求解,分析了冻土水分对流与温度变化的关系。结果表明:(1)COMSOL可以实现冻土水热参数、冰水相变潜热以及边界条件的灵活定义,容易实现水热两场耦合分析;(2)对于含水量较高的土体,水分对流传热作用不可忽略。     

寒区隧道围岩水热耦合数值分析

寒区隧道土体中的水分迁移和相变是冻害问题的主要诱因.基于混合物理论,建立考虑水分迁移和水冰相变的联合求解微分方程对水热耦合问题进行求解,并使用 COMSOL Multi-physics 软件进行模块开发,实现渗流-温度耦合数值模拟,进而将模拟结果与土柱冻结实验的结果进行对比,证明水热耦合模型是正确的.最后以西藏自治区米林隧道为例,对温度场、水分场模拟分析并对是否考虑水分迁移的温度场进行对比.结果表明:随着时间的增加,隧道顶部边界气温由-0.82℃降低到-9℃,隧道内部边界温度由-0.74℃ 降低到-11.11℃,并在3月份隧道温度回升;含冰量峰值出现在1月份,在3月份含冰量开始下降.同时,未考虑水分迁移的温度场中热传导速度较快,证明相变潜热对隧道中温度场的分布影响远大于液态水靠重力迁移造成的热对流传热.研究成果直观反映富水寒区隧道的冻害发生过程,具有一定的参考价值.     

非饱和土路基水气迁移规律及其影响因素实验

非饱和黏土的水气迁移影响着路基服役期间的安全运行和长期使用性能的保障。研究非饱和土路基水气迁移规律对路基路床湿度的影响具有重要的工程应用价值和意义。本文通过室内试验模型,运用高低温交变恒温箱改变环境温度,模拟四季环境温度对水分迁移的影响。模拟非饱和黏性土气态水迁移过程,并进行影响因素的敏感性分析。获得非饱和黏性土的水气迁移规律并进行影响性因素评价,实验结果表明,非饱和土水气迁移过程中,含水率梯度对气态水迁移量影响较大;迁移时间对液态水迁移影响较大;低温环境下以液态水迁移为主,随环境温度升高气态水迁移量占比逐渐升高。含水率梯度,含水率水平,压实度,迁移时间,不同环境温度均对气态水迁移量均有贡献,其中压实度对其影响最小。在实际工程中应更重视水气两相迁移对路基土体性能的影响。     

寒区路基土锅盖效应气态水迁移试验研究

锅盖效应是指土中的水汽迁移被覆盖层所阻挡,水汽在冷凝或凝华作用下在覆盖层下聚集的现象.为了研究寒区路基土的锅盖效应气态水迁移规律并分析其作用机理,利用自行研制的锅盖效应试验设备,采用取自北京大兴国际机场的粉质黏土试样进行了一系列试验,研究了温差、初始含水率和试验时间对于锅盖效应的影响.试验结果表明:土样上下边界存在温差时,水汽会向低温区迁移,使土样上部含水率增加,温差越大,土样上部水分增加量越大,且水汽越容易补充进土样;土样顶部为正温时,含水率只在覆盖层下出现最大值,土样顶部为负温时,含水率不仅在覆盖层下出现最大值,而且在冻结锋面处也会出现峰值;初始含水率较低时,土体中的水分迁移以气态水迁移为主,较高时以液态水迁移为主,初始含水率适中时,以混合态水迁移为主,气态水迁移时,试样能够从水源吸收水汽使土样总水量增加;进行了试验时间为30 d的冻结条件下的气态水迁移试验,发现试验过程中水汽不断补充进土样,土样上部水量和总水量均持续增加,试验结束后覆盖层下产生了凝华冰层,含水率接近饱和.试验结果说明锅盖效应可以造成寒区实际路基土的含水率大幅提高,使之存在工程病害隐患.     

水热变化对季节冻土区牵引式滑坡变形的作用机制——以2020年8月11日西和县大型滑坡为例

季节冻融作用诱发滑坡的机制一直缺少定量化的研究结果,这源于缺少相应的理论模型。为了重构滑坡的变形过程并分析其变形机制,首次基于热力学理论,建立了季节冻土水分、温度和变形相互耦合的数值模型,阐述了水分变化对变形的作用机制。该模型的优点是能够体现冻土边坡中冻融作用引发的水分迁移过程和水分不均匀分布状况,并从水分对土体强度影响的角度来分析边坡稳定性。以2020年8月11日甘肃陇南市白冯村发生的大型滑坡为例,利用该数值模型计算了该滑坡处置前后边坡的水热和变形过程,并对其变形机制和稳定性进行了分析。结果表明,冷季水分向冻结锋面迁移并冻结成冰,暖季活动层内冻土融化导致液态水含量增加,从而使冰透镜体所在位置变成了潜在滑移面。在外部荷载（暴雨等）作用下滑体会沿着该滑移面产生滑动,这便是季节冻土区边坡中的水分迁移过程及其对滑体滑动的作用机制。此外,案例分析表明,滑坡处理前边坡最大垂直变形和最大水平变形分别为72.41 cm和68.57 cm。设置抗滑桩后,边坡达到稳定状态时的最大垂直变形和最大水平变形分别为2.60 cm 和2.72 cm,稳定性显著提升。而且,滞水层高度的提升导致边坡垂直和水平变形0?位移线分别升高了2.05 m和2.03 m,这使得潜在滑体体积减小,从而有利于边坡稳定。然而,抗滑桩仅从力学方面提升了边坡稳定性,但是潜在滑移面仍然存在,在外部外荷载作用下,滑坡可能会复活。     

蒸发条件下非饱和土水分迁移的数值模拟

大气的蒸发效应引起土体内部含水量及温度的重新分布,本文旨在研究蒸发条件下非饱和土中水分及热量的迁移规律.对于土体在蒸发条件下总吸力和温度的变化特征,采用非饱和土水-热迁移模型加以描述,该模型中液态水和气态水的迁移分别是基于Darcy定律和Fick定律而建立的.探究了利用土体基本物性指标和气象因素预测模型计算中相关参数及边界条件的方法,利用上述模型及预测方法只需获取土体基本物理性质便可获取任意时刻非饱和土中含水量及温度的分布情况.该理论被用来模拟Wilson土柱蒸发试验实测结果,其理论结果和试验实测结果是较一致的.     

蒸发条件下非饱和土水分迁移的数值模拟

大气的蒸发效应引起土体内部含水量及温度的重新分布,本文旨在研究蒸发条件下非饱和土中水分及热量的迁移规律.对于土体在蒸发条件下总吸力和温度的变化特征,采用非饱和土水-热迁移模型加以描述,该模型中液态水和气态水的迁移分别是基于Darcy定律和Fick定律而建立的.探究了利用土体基本物性指标和气象因素预测模型计算中相关参数及边界条件的方法,利用上述模型及预测方法只需获取土体基本物理性质便可获取任意时刻非饱和土中含水量及温度的分布情况.该理论被用来模拟Wilson土柱蒸发试验实测结果,其理论结果和试验实测结果是较一致的.     

水分在季节性冻土中的运动

季节性冻土是一种冰水共存的特殊土水体系,在分析冻土中水分运动的驱动力及其影响因素,冻土介质的物理特性（热特性和水力特性）及其参数测定方法的基础上,综述了水分在冻土中运动的基本规律及定量研究水分运动的试验与数值模拟方法。     

多年冻土路基水-热-力耦合理论模型及数值模拟

在建立多年冻土地区路基非稳态温度场控制方程、水分迁移的有限元控制方程和路基变形场及应力场计算模型的基础上，提出水-热-力耦合模型。以青藏公路唐南段K3393＋950的冻土路基为计算对象，得出了1月份路基温度场、水分场及应力场（变形场）的分布规律：路基温度场内部存在着未冻土核；水分场在温度梯度的作用下有向冻结冰锋线迁移的趋势；在负温条件下，土体的体积含冰量超过临界值时，将产生冻胀现象。研究结果表明，多年冻土地区路基的温度场、水分场及应力场一直处于动态变化中，路基的热状况、水分状况与变化规律及由此引起的应力重分布是引起道路冻害的主要因素。     

湿-载-冻-融作用对洛川黄土三轴剪切强度影响实验研究

为了研究湿、载、冻、融作用对洛川黄土三轴剪切强度的影响,运用GCTS电液伺服低温高压动态三轴测试系统,进行了不同含水率、冻结条件、融化条件下的三轴剪切实验,研究含水率、载荷、冻结、融化联合作用对黄土强度的影响及其作用机理。实验结果表明：土中水通过对土颗粒联结作用的影响改变黄土的强度特性,冻结作用通过温度对土中自由水的相变结冰,改变土体承受外力的结构,从而对土体的强度产生影响,融化作用主要是由于冻结过程中土中水的体积膨胀对土颗粒联结的损伤和破坏,从而使黄土的强度会产生较大的下降。     

冻融过程中重塑土水盐迁移试验研究

为探究盐渍土地基冻融过程中的水盐迁移规律,以内蒙古东部典型盐渍土为研究对象,通过改变土样冷端温度,初始含水率,干密度和含盐量等因素,进行室内重塑土单向冻结,双向融化试验。结果表明：试样温度的改变存在滞后性,离冷端越近,温度变化越敏感;在冻结过程中,土样初始含水率、干密度或者含盐量的增大,将造成冻结锋面的移动速度减小。试件水分迁移量随着初始含水率的增大而增大;当初始含水率较低时,冷端温度的变化对水分迁移影响较小,只有当初始含水率足够大时,迁移量才随着冷端温度的降低而增大;土溶液冻结和电导率突变存在关联性;含盐量的增加,会抑制水分迁移。试件整体盐分迁移量随着冷端温度的降低而增大;只有当冷端温度足够低时,盐分迁移量才会随着初始含水率的增大而增大;增大干密度会减少盐分迁移;含盐量的增多,使盐分往试件暖端方向汇聚。     

冻土冻胀融沉的研究进展

论述了冻土冻胀、融沉研究的现状 ,总结了当前冻胀融沉机理、数值预报模型和防冻害措施的研究成果 ,探讨了目前冻土冻胀、融沉研究存在的不足之处 ,并对今后的研究方向进行了展望。指出应对冻胀水、热、力、位移的耦合作用进行理论和试验研究 ,建立更合理有效的冻胀、融沉预报模型 ,开发预报冻胀、融沉的软件 ,加强实验和工程验证     

木里矿区四井田冻土(岩)物理力学性质的研究

冻土因其独特的工程性质成为所有寒区工程面监的一大难题,深入研究和解决冻土问题成为了寒区工程的关键.冻土(岩)测试主要是获取岩土体在冻融条件下,岩土体物理力学性质的变化情况,为露天矿在服务年限内安全开采以及相关设计提供依据.该文主要对木里矿区四井田冻土(岩)物理力学性质从力学参数及地温监测两方面进行研究,为该露天矿边坡稳定的研究做基础.     

寒区隧道围岩水热力耦合数值分析

利用“三区域”理论,建立考虑水分迁移和水冰相变的寒区隧道水热耦合问题的联合求解微分方程,然后采用 COMSOL Multi-physics 软件实现温度场和水分场耦合数值模拟,进而将数值模拟结果与土柱冻结试验的结果进行对比,验证水热耦合数值模拟模型的有效性.根据冻胀理论,着重对寒区隧道的应力场控制方程进行推导,利用孔隙冰与冻胀率之间的关系建立寒区隧道水热力三场耦合计算模型.最后以牡丹江到绥芬河区间的牡绥隧道为例,对温度场、水分场以及应力场进行了模拟分析.结果表明:外界温度的变化对开挖后的隧道会有很大影响.随着时间的增加,隧道洞口冻结圈厚度逐渐增加,在1月份达到最大冻深2m左右.     

地表土层冻结过程中水分积聚对水盐迁移的影响

分析了土壤冻结过程中水分积聚的影响因素,探讨了水分积聚过程中水盐迁移的机理,指出冻结带水分积聚为冬春季林木越冬繁衍提供了水分,同时盐分也随水分迁移到地表。     

室内土体单向冻结水分迁移的试验研究

以江苏镇江、扬州等地区具有代表性的表层黏土为研究对象,对土体进行了单向冻结实验,研究了不同饱和度、不同温度梯度、不同冻结速率及不同补水条件下土体中水分迁移的现象.实验结果表明:在有外界水源补给的条件下,土体冻结时间越长,非饱和土中水分迁移现象范围越大,对于饱和土每层含水率基本波动范围不大;温度梯度越大,土体完全冻结且水分迁移达到稳定状态所需时间越短,水分迁移的范围越广;在无水源补给的条件下,冻结速率越大,土试样中水分迁移分布曲线变得越平缓;相对于无外界水源补给条件下,有外界水源补给的试样最终完全冻结时水通量更大,土样中水分迁移分布的范围更明显.