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冻土微观孔隙特征是决定冻土体一系列物理、力学性质的基本参数,冻土中存在的冰晶体其体积受温度影响发生变化会影响到冻土的土体微观结构及孔隙特质发生变化。利用可用于负温冻土观测的新型扫描电镜,通过对青藏红黏土及兰州粉土不同初始条件下的土样冻结前后微观结构进行研究分析。结果表明：冻结作用发生后,冰晶生长对周围土颗粒产生挤压作用,导致周围土颗粒的移动和结构破坏,土中大孔隙的数量增多,加之周围小孔隙补给大孔隙中的冰晶进一步生长,出现局部个别大孔隙体积增大,小孔隙体积缩小的现象,表现在孔隙率上为土体在冻结后孔隙率减小;此外,对于粒径级配不同的土体而言,冻结作用对细颗粒土的土体孔隙的尺寸、形态以及排列方式等方面的影响均大于粗颗粒土;同样,初始含水率决定了冻结作用发生后参与改变土体微观结构的冰晶体生长的"量"的大小,在冻结作用对土体结构性破坏的过程中起重要作用。研究成果定量揭示了冻结作用对不同初始条件下的土体微观结构的影响,为研究冻土宏观力学特性和冻胀机制等提供了理论基础与和试验支撑。 相似文献
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冻土是指0℃以下,含有冰的各种岩石和土壤,由于其复杂的物理力学特性,给青藏直流联网工程的施工和设计带来了很多难题。工程沿线冻土的长期抗剪强度,更是由于土质、含冰量以及密实度分布的复杂特性,影响了其在使用寿命内的安全运营和稳定性。为解决这一工程难题,室内制备重塑试样并在-2℃的温度下对3种土质类型（粉质黏土、粉砂和细砂）、3种含冰量（饱冰、富冰和多冰）的密实和松散冻土进行直剪快剪的蠕变试验,得到了不同土质、含冰量以及密实度类型的冻土剪切蠕变特性,并分析和预测了长期抗剪强度的变化规律和影响因素,结果表明:（1）短时间内冻土承受荷载的能力随含冰量的增加而增大;随着加载时间的延长,冰的流变特性表现出来,使冻土的蠕变变形加大,冻土的强度降低;（2）密实度越大、含冰量越大的冻土,初期强度越高;随着时间的增加,强度开始衰减,且含冰量越大,密实度越小的冻土衰减速度越快;（3）长期强度的变化规律不受土质的影响,说明在工程施工阶段,若单纯考虑长期强度时,只要不同土质冻土保持冻结状态,可同一对待和处理。以上结论为输电线路冻土基础设计、施工和安全运营提供了一定的理论基础,也为在青藏地区开展的其他工程活动提供了可借鉴的试验数据和资料。 相似文献
3.
冻融循环对土的结构以及物理力学性质有着重要影响,其变化与冻融过程中的孔隙水压力变化有密切关系。但土体冻结过程中的孔隙水压力测试一直是冻土土工测试试验的技术难题。针对这一难题,研发了一种适用于冻结土体孔隙水压力测试的探头,并对砂土和粉质黏土在冻融循环过程中的孔隙水压力发展变化进行了实时监测,获得了圆柱试样冻融循环过程中不同深度处的孔隙水压力变化过程。在冻结过程中,粉质黏土形成冻结缘区及可视的分凝冰,而砂土则无冻结缘及分凝冰的形成。冻融循环过程中土体内部的孔隙水压力变化受温度、冻结速率、冻融循环以及土质等因素的影响。孔隙水压力随温度的循环变化而经历周期性变化：冻结过程中,孔隙水压力不断下降,吸力不断增加;融化过程中,孔隙水压力增大。而冻结速率、冻融循环及土质主要对孔隙水压力降的幅值变化产生影响。此外,冻结锋面位置附近孔隙水压力的下降、吸力的增加,正是水分由未冻区向冻结区迁移的主要驱动力。根据以上试验结果及其理论分析发现,所研制的孔隙水压力探头具有一定的实用性。 相似文献
4.
The transversely isotropic (TISO) constitutive and frost heave models for the freezing of fine-grained soils are more accurate than the isotropic model and simpler than the orthotropic models. First, in combination with the mesoscopic composition of freezing soils, a mechanical model for the interaction between the equivalent ice lens and the soil in frozen soils is established based on the series and parallel models in the theory of composite mechanics. Second, the TISO constitutive model together with the analytic expression of five elastic constants is provided for analysis of the freezing soils. Third, a preliminary elastoplastic model for TISO freezing soil is established based on the Hill plastic model. Fourth, the heat–moisture–deformation coupling TISO model and the hydrodynamic frost heave model are derived according to a thermodynamics equation, a soil water motion equation, and generalized Hooke’s law. Synchronization and uniformity of the TISO constitutive model and the TISO frost heave model are realized for analyzing the interaction between permafrost soils and buildings. Finally, an indoor standard frost heave test and the frost heave of a prototype canal are simulated based on the above models. The numerical results indicated that the models presented in this paper accurately described the frost heave and revealed the interaction between permafrost and buildings. 相似文献
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湿土冻结过程中, 生长发育于冰透镜体与冻结锋面之间特殊的区间带称为冻结缘带。冻结缘作为温度场、 水分场和应力场三场耦合作用的结果, 是冰分凝的水源补给站, 冰水相变发生的剧烈区域以及水分迁移的必经之路, 具有重要的研究意义, 也是深入认识冻胀机理的基础。通过系统地阐述冻结缘的形成过程、 相关理论与试验、 微结构特征、 参数特征及冻结缘的模型构建等5个方面的研究进展及成果, 结合各个方向的发展趋势提出了冻结缘研究的重点, 即对冻结缘的研究应回归到试验研究, 利用新型测试技术深入对冻结缘微结构的观测, 结合物理参数及结构性参数变化构建耦合的冻结缘模型, 从而揭示其热力学机理, 为冻胀机制分析、 冻土精确预报提供理论支撑。 相似文献
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Cryogenic structure (patterns made by ice inclusions) in seasonally frozen and permafrost-af-fected soils result from ice formation during freezing. Analysis of cryogenic structures in soils is essential to our understanding of the cryogenic processes in soils and to formulating land use management interpretations. When soils freeze, the freezing front moves downward and attracts water moving upward resulting in mainly horizontal lenticular ice formation. Platy and lenticular soil structures form between ice lenses in upper active layer. The reticular soil structure usually forms above the permafrost table caused by freeze-back of the permafrost. The upward freeze-back resulted in platy soil structure and the volume changes following the annual freeze-thaw cycle resulted in vertical cracks. The combined result is an ice-net formation with mineral soils embedded in the ice net. The upper permafrost layer that used to be a part of the active layer has an ice content exceeding 50% due to repeated freeze-thaw cycles over time. The mineral soils appear in blocks embedded in an ice matrix. The permafrost layer that never experienced the freeze-thaw cycle often consists of alternate layers of thin ice lens and frozen soils with extreme hard consistence and has relatively lower ice content than the ice-rich layer of the upper permafrost. Ice contents and thaw settling potentials associated with each cryogenic structure should be considered in engineering and land use interpretations. 相似文献
8.
建立了粗、细粒土冻结模型, 分析了扰动三层体内部的析冰原理, 提出密闭水体的冻结-压力循环, 该循环是涎流冰发育的机理. 对饱水粗颗粒土与饱水细颗粒土的冻结模型比较表明, 饱水粗粒土在密闭体系中的冻结; 就其产生的水压力而言, 实质上就是密闭水体的冻结, 也就是水冻结成冰体积膨胀受限而产生力的问题. 这种体积膨胀产生的力导致约束结构(如薄弱层)的整体性破坏. 在公路边坡数值模拟分析的基础上, 提出边坡薄弱层破坏导致渗水是形成坡积冰的主要原因之一, 薄弱层破坏处是病害最严重的位置. 根据病害形成原理和成因分析, 并提出渗井与仰斜式排水管相结合的复合防治措施, 工后效果良好. 相似文献
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采用取自甘肃省白银市平川区黄河岸边的天然盐渍土,用蒸馏水洗去土中的盐分,配制成NaCl/Na2SO4含量为1.5%,含水量不同的试样,研究了冻结条件下含水量对冻结含盐粉土单轴抗压强度、破坏应变的影响.结果表明:当含水量较小时,随着含水量的增加,冰的胶结作用增强,并与土颗粒、盐晶体一起承受荷载,冻结含盐土的单轴抗压强度不断增大;当含水量超过某一值时,试样更多地呈现出冰的性质,而冰的强度远远小于矿物颗粒的强度,单轴抗压强度随含水量的增加而减小.随着含水量的变化,含盐土的破坏应变与单轴抗压强度有相似的变化规律. 相似文献
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This paper elucidates some factors affecting the formation of soil cryogenic textures upon artificial active and passive soil freezing to form a soil-ice wall cofferdam. Depending upon the soil type, the thermal regimen of the stages of active and passive freezing of the soil-ice wall brings about various kinds of cryogenic textures. The cryogenic textures, in thier turn, affect the strength of the artificially frozen soil-ice wall. It is shown that upon loading, the variously oriented hexagonally crystallized ice crystals, upon application of externally applied loads, may become subjected to compression or bending or shear stresses, and/or to a combination of such stresses. Also, sustained loads on a frozen soil may bring about time-dependent, long-term deformation of the ice, viz., frozen soil, known as the rheological phenomenon creep. It is postulated that the strength and performance of the composite frozen soil—the ice wall—is a function of its components, such as the soil cryogenic texture, its thermal regimen and the strength of the ice. It is also pointed out that the performance of the ice wall should be evaluated in terms of its strength and strains. 相似文献
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选用四种不同固结方式,并在－５０℃条件下,对冻结砂土样进行三轴压缩试验,试验发现固结过程对冻土的强度与变表有明显影响。经历Ｋ０ＤＣＦ的冻土其强度最大,友坏变形最小,经历ＦＣ的试样强度最小,破坏变形最大;经历ＥＤＣＦ和ＥＵＤＣＦ的产介于中间。 相似文献
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土体的冻胀，融沉问题归根结底是热质迁移问题，文章概述了近年来在国际上有关这方面研究的新成果，总体上讲，冻结缘的厚度，分凝冰形成温度以及冰透镜体形成条件等作为热质迁移试验研究的重点受到关注，质的迁移研究不仅仅限制在水分的迁移，而且对于矿物质，溶质，气体等的迁移以及对水分迁移的影响都有不同程度的研究，对于冻胀预报模型，已从经验型过渡到依据基本物理，力学，热动力学理论而建立的理论模型，今后的研究发展方向是加强室内参数测试水平以及对理论模型的普遍性验证。 相似文献
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Artificial ground freezing (AGF) is a commonly used technique in geotechnical engineering for ground improvement such as ground water control and temporary excavation support during tunnel construction in soft soils. The main potential problem connected with this technique is that it may produce heave and settlement at the ground surface, which may cause damage to the surface infrastructure. Additionally, the freezing process and the energy needed to obtain a stable frozen ground may be significantly influenced by seepage flow. Evidently, safe design and execution of AGF require a reliable prediction of the coupled thermo‐hydro‐mechanical behavior of freezing soils. With the theory of poromechanics, a three‐phase finite element soil model is proposed, considering solid particles, liquid water, and crystal ice as separate phases and mixture temperature, liquid pressure, and solid displacement as the primary field variables. In addition to the volume expansion of water transforming into ice, the contribution of the micro‐cryo‐suction mechanism to the frost heave phenomenon is described in the model using the theory of premelting dynamics. Through fundamental physical laws and corresponding state relations, the model captures various couplings among the phase transition, the liquid transport within the pore space, and the accompanying mechanical deformation. The verification and validation of the model are accomplished by means of selected analyses. An application example is related to AGF during tunnel excavation, investigating the influence of seepage flow on the freezing process and the time required to establish a closed supporting frozen arch. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献
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冻土中水分迁移是导致土体冻胀的关键因素,而研究水分迁移及其驱动力的核心问题是要充分理解未冻水含量与温度、基质吸力等变量之间的关系,这些关系可充分体现土体在冻融过程中土水变化特征。长期以来,对土体冻融特征的研究采取的是与非饱和土力学中的土水特征类比的方法进行,结果也证明了二者存在一定的相似性。但是冻土中因冰-水相界面作用产生基质吸力与融土中水-气相界面作用产生基质吸力的机理并不完全相同,而由于相变等其他作用产生的冻融滞后效应与融土中孔隙“墨水瓶效应”等引起的滞后效应机理也有区别。针对这些机理性的不同,还需要做大量的研究工作才能真正揭示土体的冻融特征。通过对目前土体冻融特征方面研究进展和存在问题的归纳总结,笔者认为今后在这方面还需深入开展如下研究：建立适合各类土壤冻融特征的一般预测模型,使得在缺少数据条件下能快速获取所需土样的冻融特征;研究土体在冻融和干湿变化过程中存在的类似性及区别,对冻融过程中存在的滞后效应机理给出合理的解释;提升冻融特征变量的测试技术水平,研发高精度的相关仪器设备。 相似文献
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冻结作用导致土体中产生了水分迁移,从而改变了土体密度,进而改变了土体结构性及其物理力学性质。利用CT设备,对冻融前后的土样进行CT细观试验,通过CT数变化定量分析土样的损伤程度,反映冻土结构的变化。结果表明：冻结过程中同时发生了裂纹的张开与闭合,冰透镜体位置裂纹数量在冻结后明显增加。冻结区土样在水分迁移并结晶的作用下被切割成多个多边形,造成土样孔隙增大,导致CT数减小,损伤量增大。融土区土体在冻胀力作用下产生了一定的固结,使得其密度增大,CT数增大,损伤量表现为负值。上部荷载对土体损伤有抑制作用,而冻融作用却加剧了土体损伤。 相似文献
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冻结围护是利用人工制冷技术,使地层中的水结冰,将天然土层变成冻土作为围护挡土止水的新技术。依据冻结基本原理,在大型锚碇深基础中采用排桩内支撑结构并结合冻结帷幕止水是一种新的基坑围护形式,含水土层冻结后形成的冻结帷幕具有良好的封水性能,冻土墙刚度和强度较原土层有很大的提高且质量易于控制。相对于常规围护工程,冻结围护结构的冻胀力学特性复杂且研究资料贫乏,因此,其力学性状的研究将进一步完善冻结围护技术理论,保障基础工程顺利安全进行。通过对锚碇基础围护工程冻结帷幕温度场-应力场耦合的三维非线性数值模拟分析研究,得到冻结围护工程中冻结帷幕的冻胀力学性状特征,结合大型锚碇基础冻结围护工程实例的现场测试成果分析,验证数值模拟分析方法结果的合理性以及冻结围护技术的可靠性,研究成果将为今后冻结围护技术的工程推广应用提供理论基础。 相似文献
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高温冻土又称近相变区冻土, 通常用来描述相对较高温度的冻土. 由于其温度区间处于冻土的剧烈相变区, 冻土中冰和未冻水的比例对温度的变化极其敏感, 因此, 高温冻土的物理力学性质具有强烈的不稳定性, 极易在温度变化的影响下发生实质性改变. 基于有关高温冻土物理力学性质研究的文献, 综述了高温冻土的定义及其温度界限, 同时论述了未冻水对高温冻土物理力学性质的巨大影响, 并提出了一种在冻结状态下高温冻土中未冻水孔隙水压力的测试方法. 重点从强度特征、变形特性以及本构模型三方面对高温冻土力学特性的研究现状进行了总结和分析, 并提出要进一步探究高温冻土变形机理及本构模型, 可以为高温不稳定多年冻土区各类工程的基础变形及稳定性预报、评价提供理论基础. 相似文献
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土体冻结特征曲线（SFCC）是对冻土中未冻水含量随负温变化关系的数学描述,是研究冻土水热迁移、冻胀、本构关系等问题的重要基础。目前对于SFCC的研究,其经验表达式居多,而物理机制研究相对较少。通过考虑土颗粒与冰界面的吸附作用及冰相尖点的毛细作用,基于冰水相变平衡压力由吸附压力与毛细压力两部分共同组成,从孔隙尺度提出一个新的饱和冻土SFCC模型。模型计算结果表明,当颗粒半径逐渐增大时,相同温度下未冻水含量将不断减小,SFCC也会变得更加陡峭。基于核磁共振设备对单分散SiO2微球冻融过程SFCC进行测试,试验结果与数学模型进行比较验证,结果表明新的SFCC模型与试验结果吻合较好,且具有明确的物理意义,可以为冻土基础研究提供理论依据。 相似文献
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路基冻胀问题严重影响寒区高速铁路的安全服役,而成冰相变过程是解释冻胀机制的关键。基于介观尺度的格子Boltzmann方法,将修正的孔隙水冻结温度算法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,分别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。计算结果表明：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（soil freezing characteristic curves,简称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。通过与文献试验结果对比,验证了格子Boltzmann方法的有效性,表明该方法能够为研究多孔介质水气迁移与相变过程提供介观尺度的新手段。 相似文献
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