弧形底梯形渠道混凝土衬砌板下温度与气温间的关系研究

基于弧形底梯形渠道混凝土板衬砌冻胀观测试验,分析讨论了气温对衬砌板下温度的影响及其两者间数量关系。研究结果表明:初冻期板下20 cm地温稳定通过0℃,冻结期及融化期内板下20 cm处地温始终小于日平均气温;冻结期内负积温是影响板下温度的最关键因素;大气与土壤间的热量交换值在初冻期、冻结期、融化期依次增大;负积温与板下地温及冻深间均很好地符合二次多项式相关关系。     

锥柱式桩基础明挖基坑回填土回冻过程模型试验研究

结合工程实际,通过室内模型试验方法,研究锥柱式桩基础明挖基坑回填土在模拟实际环境温度条件下的回冻过程.结果表明,在模拟平均温度为-2.71℃的环境温度条件下,正温极值时刻表层土体融化深度约6.1 cm,回填土冻结深度随着冻融次数的增加而增厚,经历13次冻融循环,冻结层厚度达20.0 cm;桩基沿着水平向和纵向对回填土回冻过程产生影响,但其影响范围有限;土体和桩基与空气界面温度存在差异,桩基和空气界面处温度接近低温试验箱内空气温度,土体和空气界面处与空气温度差别较大,正温极值状态,空气温度高于土表温度5.0℃,负温极值状态,空气温度低于土表温度6.7℃.试验结果有助于进一步认识此类桩基回填土实际回冻过程,为确定模型试验控温条件及数值模拟边界条件提供参考.     

寒区公路路基温度场的自动监测与特性

针对寒区公路路基温度场的观测存在外部环境复杂、自动与连续观测难以实现等困难,采用DS18B20温度传感器、STC89C58单片机、DS12C887时钟和AT24C256外部扩展数据存储器组成观测系统,外接锂电池供电,对路基温度场实现了自动采集、储存和无间断观测。结果表明:在冻融循环期内,最大冻深在路基顶面下2.3 m,比天然地基深0.85 m,说明路基填筑改变了原天然地基温度场的状态;与气温变化时间相比,路基冻深变化在次年3月份达到最大,存在50 d左右的滞后期;在路基冻融过程中呈现不均匀现象,融化期内,路基内部存在马鞍形未化冻土区域,并在融化末期产生未化冻土核;其观测结果可作为寒区公路路基病害的分析依据。     

黑河上游阿柔草场冻融过程及其对地表辐射平衡的影响

在黑河上游青海省祁连县阿柔乡取得陆而过程观测资料,分析了冻融过程中土壤水热变化及其对地表反照率、辐射平衡各分量和净辐射的影响.结果表明:下层土壤的始冻期和解冻期均滞后于上层土壤的.冻结速率与气温表现为明显的反相位变化,而自上融化的速率则与气温表现出相同的变化趋势.土壤水分在始冻期和解冻期前后变化很大,而在完全冻结期变化较小.在始冻期前后土壤水分的变化主世是由土壤水的相变和土层间的水分迁移造成的,而解冻期前后的则是土壤水的桕变、降水过程和地表蒸散共同作用的结果.完全冻结期的地表反照率大于始冻期和解冻期的.冻融过程中的总辐射和反射辐射的变化可以分为三个阶段:减小—增加—略微减小.地表向上长波辐射和大气逆辐射的变化则可分成减小-增加-略微增加三个阶段.受太阳短波辐射的控制,净辐射依次表现为减小—增大—增大的变化趋势.     

U形渠道地基用盐渍土冻融试验

针对宁夏平罗县沙湖灌区盐渍土地基U形渠道衬砌盐腐蚀严重和冻胀开裂的现象,开展破坏机理研究。设计模拟渠道地基用盐渍土的冻融试验,研究9次冻融循环条件下盐渍土的盐分迁移和冻胀力分布规律,结合冻胀力计算模型明晰U形渠道衬砌的破坏成因。研究结果表明:相同含水质量分数的盐渍土,深度在10 cm以内时,盐分迁移速率较快,随着深度增加,盐分迁移速率由大减小,并沿着深度增加盐分迁移量呈非线性减小;不同含水质量分数盐渍土在其表层均有盐分迁移后大量富集现象;相同含水质量分数的盐渍土,其冻胀力随着深度增加而增加,当深度在25 cm以内时,其冻胀力增长较为平缓,深度大于25 cm时,冻胀力随着冻结深度增加呈显著增加;盐渍土温度达到-10.0℃以下,土体中的水已全部冻结,随着温度继续降低,冰体和土颗粒的蠕变变形导致冻胀力衰减,且随着冻融次数增加,冻胀力衰减越显著;在1个冻融循环过程中,冻胀力波动温度区间随着含水质量分数增加而减小,且区间起始温度有增加趋势;在1个冻融循环过程中产生了冻胀力波动现象且在冻胀力波动温度区间内发生了4次,该规律能很好地解释在春天融化过程中渠道衬砌板更易产生开裂的现象;盐渍土表层盐分大量富集导致渠道衬砌板顶部腐蚀最严重。     

季冻区矩型渠冻胀数值模拟及试验研究

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。     

冻融条件下路基温度场和湿度场分布式感知试验

搭建土体冻融多物理场感知室内试验装置,布设传统点式传感器和分布式光纤,对土体冻融过程中路基温度场、湿度场和变形情况开展试验监测,探究单端冻结、双端融化条件下土体温度场和湿度场的分布式感知特征,验证主动加热分布式光纤技术的监测效果。试验结果表明,-15 ℃单端冻结条件下,土体冻结过程按降温速率分为快速冷却、逐步降温、稳定平衡三阶段,冻结锋面逐渐下移,最大冻深约占土柱高度的35%。孔隙水受冻胀迁移力影响向冻结锋面移动,引起冻融前后土体湿度场重分布,并导致土体冻胀变形,变形量为土体最大冻深的7.8%~10.9%。分布式光纤可准确得到冻融过程中土体温度场、湿度场变化特征,识别土体内冻结区域范围,温度、湿度监测拟合优度R²分别达0.98和0.94。     

基于修正的传递系数法的粉土质边坡冻融稳定性分析

为了给冻融边坡的稳定系数计算方法提供更多的有效途径,以G580线和田至康西瓦公路段K81+100粉土边坡为研究对象,从冻融边坡的特征入手,考虑边坡融化后的渗透力,以及热流量对融化深度的影响。对传递系数法进行修正,推导出冻融边坡稳定系数的计算公式。通过具体条件分析不同温度变化下融化深度与稳定系数的关系,得出融深1.2 m时边坡稳定性最差。基于日气温变化正弦函数公式分析,得出上午7~10时稳定系数降低幅度最大,约7.2%;14时的时候达到每日最大融深,稳定系数降至最小值1.255。通过改变粉土含水率发现当含水率大于20%,边坡开始处于最不稳定状态。最后利用Flac3D建立温度场模拟土体冻结融化的情况,得出边坡稳定系数为1.281,在水的渗流和自重情况下,竖直方向在坡体上缘发生约53.5 mm的最大位移,水平方向在滑体中下部发生约82.6 mm的最大位移。模拟数据与现实情况吻合良好,为冻融区粉土边坡稳定性研究提供了理论依据。     

冻融与静荷载双重作用下土体内部孔隙水压力、水分场变化规律研究

在季节冻土区,土体内部孔隙水压力和水分含量受冻融循环和外部荷载的影响.通过模型试验,利用孔隙水压力传感器和水分传感器对冻融与静荷载双重作用下黄土内部的孔隙水压力和水分含量进行监测,得到不同深度处孔隙水压力和水分含量的变化过程.结合静荷载的应力场,进一步分析孔隙水压力和水分含量的空间变化规律.试验结果表明:在冻融与静荷载双重作用的初期,土体内部孔隙水压力快速增大;之后,孔隙水压力开始随温度呈周期性变化.在一个冻融周期内,土体内部孔隙水压力和水分含量都随温度的升高而增大,随温度的降低而减小,而且孔隙水压力和水分都随温度的变化而表现出滞后性.随着冻融循环次数的增加,孔隙水压力在荷载下方和两侧形成三个集中区;水分则在荷载下方形成高含水量区,在荷载两侧形成低含水量区.通过对静荷载产生的应力场进行分析发现,土体内部孔隙水压力和水分场的空间分布与静荷载产生的应力场有密切关系.     

对季节性冻融过程中土壤水和热迁移的研究

在季节性冻土分布区,土壤水分的冻结和融化必将会伴随着热量交换、水分迁移等物理过程。通过分析影响土壤季节性冻结、融化的主要因素,论述了季节性冻融土壤中热量交换、水分迁移等物理过程以及季节性冻融过程中土壤水、热迁移的研究进展,并提出存在的问题。     

地表覆盖对季节性冻融土壤温度影响研究

基于季节性冻土分布区冻融期间土壤温度的田间试验,研究了地膜覆盖、地膜与秸秆双重覆盖对冻融土壤剖面温度的影响。结果表明:地膜覆盖对试验土层有明显的增温效应,而地膜、秸秆双重覆盖对土壤增温的影响只限于耕作层内;越冬期试验土层范围内,各处理地块的地温均经历降低、趋于稳定、升高的过程;地膜、秸秆覆盖可平抑土壤温度变化,明显缩小温差;在冻结阶段和融化阶段,三种处理地块40~100 cm深度处地温降低和升高的幅度随深度的加大而减小。研究结果对于改善季节性冻土区土壤热状况,指导农业生产具有实际意义。     

温暖化加剧青藏高原高寒草甸土非生长季冻融循环

在2013年10月至次年4月,首次利用微根管直接观测和土壤温度间接观测相结合的方法,研究增温对青藏高原高寒草甸土壤冻融循环过程的影响。结果显示:1)全年增温和冬季增温均显著增加非生长季5,10,20 cm的土壤温度,而且冬季增温处理下的5~20 cm土壤非生长季月平均温度比全年增温处理下的高0.01~0.18oC;2)全年增温和冬季增温显著降低了完全冻结期和冬春解冻期的冻土层厚度,而对秋冬始冻期的冻土层厚度没有影响;3)全年增温和冬季增温显著减少了完全冻结期的持续天数和增加冬春解冻期的持续天数,而对秋冬始冻期的持续天数没有影响;4)冬季增温比全年增温对冻土层厚度和冻融循环持续天数的影响更加显著。研究表明,在青藏高原高寒草甸气候温暖化的趋势下,非生长季土壤冻融交替天数的增加,可能会进一步对高寒地区的地下碳氮循环产生重要的影响。     

季节性冻土区黏土冻结深度预测

合理确定冻结深度是季节性冻土区防冻设计的关键,为研究季节性冻土区黏土的冻结深度,统计了中国部分季节性冻土地区气温,获得了这些地区的气温特征,以此确定了室内试验的温度边界条件,开展了10％、20％、30％3种不同质量含水量的单向冻融循环试验.研究结果表明,10％、20％、30％3个试样的最大冻结深度分别为28、15、12cm;鲁基扬诺夫公式预测值较Stephan公式、《建筑地基基础设计规范》公式、《冻土地区建筑地基基础设计规范》与《冻土工程地质勘察规范》公式的预测值更准确;利用未冻水体积含水率修正了《冻土地区建筑地基基础设计规范》的冻结深度计算值,其误差在6％之内,因而建议在季节性冻土区的黏土地区用该修正公式计算设计冻结深度.     

东北地区季节性冻土对监测点稳定性的影响

为定量把握冻土对沉降监测网点的稳定性影响,降低测点施工成本,在东北地区通过实际项目数据研究分析监测点稳定性受季节性冻土的影响情况.结果 表明12月-次年2月期间,随着温度逐渐降低至0℃以下,冻土深度加深,监测点沉降量逐渐增大,2月-3月冻土深度达到最深,监测点累计沉降量最大达到1 cm.温度对冻土深度的形成有较大影响,温度降低时,冻土深度加深,监测点被抬升,随着温度的升高,冻土深度降低,监测点开始下降,最终趋于稳定.研究结果能有效指导沉降监测点施工,并降低造价成本.     

封闭系统条件下压实黄土的二维循环冻融变形特性及其评价

道路、渠道和土石坝等工程的冻融为二维冻融,为探索土在二维循环冻融作用下的变形规律和评价方法,以宁夏同心黄土为对象,压实度和饱和度为因素,试验研究了压实黄土在封闭系统条件下的二维循环冻融变形特征,变化规律,分析了因素的作用机理和显著性,提出了二维冻融变形评价方法。试验结果表明:封闭系统条件下,压实黄土的二维循环冻融变形以水结冰膨胀效应为主导,竖向表现为冻胀和融沉,水平表现为冻胀和融胀。水平和竖向冻胀变形的比值随冻融循环次数的增加而增大,最大比值约2倍。水平融胀明显地小于竖向融沉,二者的比值平均约0. 43。较一维封闭系统竖向冻融,二维冻融的竖向融沉变形占竖向冻胀变形的比例大,竖向冻融变形波动明显,且冻融体变率高。压实度和饱和度对压实黄土二维冻融变形的影响均非常显著,是主控因素。评价指标合理,能直接或间接表征冻融对土的几何、物理和力学性能的影响。研究结果对宁夏压实黄土岸坡工程的冻害评价与防治具有重要的现实意义,对土二维冻融效应的深入研究具有引导和促进作用。     

水化热对冻土地区桩基热影响分析

针对冻土区灌注桩基础施工会给冻土引进一定的热量,破坏冻土的稳定冻结状态问题,研究水化热对桩基沿径向温度变化规律及影响桩周冻土温度场的时间。基于桩和冻土的三维非稳态温度场控制方程,并考虑边界条件和冻融相变过程,建立了桩基非稳态温度场控制方程。对桩周温度场的热影响分析表明,浇筑混凝土后水化热在第5 d达到最大,水化热对桩长范围内桩侧土体径向温度变化的影响程度大于桩底面以下土体径向受水化热影响程度,水化热对桩周围土体有较大的影响而且时间长。得出的一些结论可为冻土区桩基设计施工提供参考。     

Monitoring of frozen soil hydrology in macro-scale in the Qinghai-Xizang Plateau

Monitoring of frozen soil hydrology in macro-scale was performed by Chinese and Japanese scientists from 1997 to 1998. Quality measured data were obtained. Measured data on soil moisture and temperature are preliminarily analyzed. Based on profiles of soil temperature and moisture in individual measured sites, intra-annual freezing and melting process of soil is discussed. Maximum frozen and thawed depths and frozen days in various depths are estimated. The work emphasized the spatial distribution on soil temperature and moisture in macro-scale and the effect of topography on conditions of soil water and heat.     

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。     

水泥改良土融沉对地层位移场影响的数值分析

【目的】分析水泥改良土融沉对地层位移场的影响规律,为水泥土改良冻结法应用于城市地下工程提供理论基础。【方法】以南京地铁10号线盾构出洞水平冻结加固工程为研究对象,采用三维数值模拟方法对水泥改良土融沉引起的地层位移进行了分析,采用单因素分析法,分析了融沉系数、覆土厚度、冻土壁尺寸对融沉位移场的影响规律。【结果】冻结区土体未经水泥土改良时,地表最大融沉量为12.811 cm; 水泥掺入比为12%时,地表最大融沉量为1.521 cm,表明水泥的掺入可明显减小冻土融沉。【结论】水泥土融沉时,土层越深,融沉位移越大,融沉范围越小; 地表融沉位移呈盆状沉降面,最大沉降位于出洞口处,随融沉系数增加,地表最大融沉量逐渐增大,但地层沉降分布规律不变; 覆土厚度越大,地表融沉量越小; 冻土壁尺寸增加时,地表位移发展速度变缓,地表沉降时间延长,最终融沉量增大。