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通过对青藏饱和粉质黏土进行开放条件下的单向冻结试验,并结合土样冻结过程的图像数据,分析土样在单向冻结过程中冷生构造的发育和冻胀变形的发展规律,得到以下结论：试样冻结稳定所需时间为26 h左右,基本不受顶板温度变化的影响,但土样冻结后形成不同冷生构造带的位置及薄厚与土样顶板温度（顶底板温度梯度）密切相关,顶板温度越低,微薄层状和薄层状构造带的厚度越大,最暖端厚层冰透镜体以及未冻土部分整体状构造带的厚度越小。研究结果还表明,土样的冻胀变形经历了快速冻胀、稳定冻胀和线性冻胀3个阶段,其中线性冻胀阶段是冻胀发展最快的阶段,也是冰透镜体生长最快的阶段。研究成果揭示了土样单向冻结过程中冷生构造发育和冻胀发展的动态过程,为冻胀机制的认识以及冻胀模型的建立与验证提供了试验基础。 相似文献
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土类对正冻土成冰及冷生组构影响的实验研究 总被引：2，自引：3，他引：2
通过室内相同温度条件下５种土类的冻结试验，研究了不同土类冷生组构的形成，试验表明，分凝冰层及冷生组构的形成主要取决于土的水，热性质以及分散度等因素。日本火山灰中冻结缘具有较高的导湿系数，且冻结锋面前移速度缓慢，形成７．２ｃｍ的厚冰层；临夏高岭土、内蒙古粘土和兰州黄土中冻结缘导湿系数逍渐减小，且冻结锋面前移速度逐渐加大，形成从厚层状到微层状冷生构造的演变，分凝冰层厚度逐渐减薄，从３－１０ｍｍ到小于１ 相似文献
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青藏粉土单向冻结冻胀率变化特性研究 总被引：6，自引：1，他引：5
开展了饱和青藏粉土在开放系统不同温度梯度条件下的单向冻结试验,对冻结过程中冻结深度和冻胀速率的发展变化过程进行了研究.结果表明：不同顶板温度下,土样均在25 h左右达到冻结稳定状态,之后冻结深度基本不再发生变化.土样冻结过程中,冻胀速率表现为快速减小、较小值保持稳定、快速增大、较大值保持稳定四个阶段.基于以上试验结果,对土样冻结过程中冻胀率的变化过程进行了研究,发现冻胀率随冻结深度的增加先减小后增加,冻胀率从减小变为增大的时刻就是冻结深度趋于稳定的时刻,而冻胀率快速增大的时刻为冻胀速率进入较大值保持阶段的时刻.冻胀率变化的内在机理为土样冻结过程中由冰透镜体分凝所导致的未冻区固结和已冻区冻胀共同作用的结果. 相似文献
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改变边界温度和土样高度,对饱和粉土进行了冻结试验,研究其水分迁移、水分重分布、冻胀和冰透镜体的发展规律。试验结果表明：当温度稳定时,水分持续迁移到冻结锋面附近,含水率急剧增大,易形成冰透镜体。饱和粉土冰透镜体几何形态较为规则,无枝状交叉结构,已冻土为整体状且无网状裂隙。冻结过程中存在起始冻胀时间,在起始冻胀时间之前,土中水分被排出,冻胀发生之后水分补给到冻土中,且补给水分产生的冻胀量和总冻胀量数值接近。土样高度影响水分迁移量和冻胀量,土样越高,冻胀量越小,冻土含水率增量越小,但水分增量分布区域越分散,且起始冻胀时间越长。 相似文献
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6.
级配碎石作为季节性冻土地区高铁路基基床表层填料,其防冻胀问题尤为关键。为研究在不同条件下级配碎石的冻胀特性,选取不同的含水率、细颗粒含量、冷端温度和压实度进行了室内封闭系统冻胀正交试验。结果表明,在不同因素、不同水平的组合时,级配碎石有不同程度的冻胀。当级配碎石含水率为5%时,试样的冻胀率较小;当含水率超过7%时,大部分试样冻胀率超过1%。对冻胀过程中试样温度场、冻结深度、冻胀变形过程和冻后试样含水率分布进行了分析,发现冻后试样冷端位置的含水率高于初始含水率,暖端位置的含水率低于初始含水率。当以冻胀率作为参考序列,其他试验条件作为比较序列时,灰色关联度分析结果表明,影响级配碎石冻胀率的主要是含水率,其次为细颗粒含量、压实度及冷端温度,其关联度相差不大。并得出了最有利于冻胀发展的组合。为满足寒区高速铁路变形量的要求,提出以控制级配碎石含水率小于5%为指标。 相似文献
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长春季冻区路基土微观孔隙特征的定量评价 总被引：1，自引：0，他引：1
路基冻害一直是困扰东北季冻区道路建设的一个重要问题。长春冬季天气寒冷,在温度梯度作用下路基土中水分产生迁移和聚集,引起路基冻胀。春季路基解冻,集聚的冰晶体融化,路基土处于饱和或过饱和状态,承载力极低,在交通车辆作用下发生路面鼓包、弹簧、断裂和翻浆冒泡等现象,给交通运输和经济建设带来极大的危害。孔隙是水分迁移的主要通道,是影响路基冻胀主要因素之一,其特征决定土体的冻胀敏感性。本文利用WD-5配置联机图象处理系统的电子显微镜,通过图像定量分析系统,对长春季冻区路基土的微观孔隙作了定量评价。经过分析得出:3个土样孔隙直径均是小于5m的占主导地位,都具备冻胀条件;试样水平和垂直两个方向的孔隙分布较均匀,孔隙为辐射状或网状结构,多为扁圆和等轴形状;孔隙形态分维数分析认为,分维数高,大孔隙含量多,孔隙分布比较简单,在研究范围内,有利于水分迁移,冻胀性较强。 相似文献
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以北京典型饱和砂卵石地层为研究对象,研究了不同细粒土含量、荷载条件下饱和砂卵石的冻胀融沉特性。试验结果表明：有载条件下的饱和砂卵石试样冻结初期存在明显的冻缩阶段,冻缩量为试样高度的0.053%;冻胀率及融沉系数均与时间具有明显的指数相关性;相同细粒土含量条件下,饱和砂卵石融沉系数（细粒土含量大于10%）及冻胀率随荷载的增加而减小,荷载对细粒土含量小于10%的饱和砂卵石融沉系数影响微乎其微;相同荷载条件下,饱和砂卵石冻胀率及融沉系数随细粒土含量的增加而增大;荷载对冻胀率影响较大,细粒土含量次之,细粒土含量小于0.82%的无载饱和砂卵石是弱冻胀材料;建立了考虑细粒土含量、荷载影响的饱和砂卵石冻胀率及融沉系数预测模型。 相似文献
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正冻土冻结缘研究现状及展望 总被引：1，自引：0，他引：1
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
10.
正冻土中冰透镜体形成力学判据的分析讨论 总被引：1，自引：1，他引：0
冻结缘是正冻土中从未冻区向冻结区过渡、并且非常薄的冰水共存带. 由于冻结缘在正冻土中位置的特殊性和其对冻胀的重要性, 从其概念的提出并在试验中得到证实后, 基于冻结缘的第二冻胀理论得到了快速发展. 通过分析近些年冻结缘的研究现状及冻结缘内冰-水压力关系基本可以发现, 由于受到现有观测和测试技术的限制, 描述冻结缘的很多参数大多来自于经验. 土体在冻结过程中, 在温度梯度小的情况下, 可以形成不连续的多层分凝冰. 只有了解冻结缘的特性才能更深刻了解分凝冻胀. 但关于分凝冰的形成判据却有很多种, 主要分为两类:一类是以热物理方面作为判据; 另一类是以力学方面作为判据. 通过对分凝冰形成的各种判据的综合分析和比较, 发现用冰压力和未冻水膜压力判断分凝冰形成是比较合理的, 而用孔隙压力则因为水压力概念的不清而显得模糊. 这些分析将为冻土冻胀理论的研究提供科学参考. 相似文献
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Johan P.G. Loch 《Engineering Geology》1981,18(1-4):213-224
Several theories have been employed to describe the mechanism of frost heave and ice lens formation in soils. In the early seventies, the capillary theory, visualizing ice lens growth at the frost front in non-colloidal soils, has been invalidated by experimental evidence. This led to models in which ice lens growth takes place behind the frost front. Experimental confirmation of this concept was presented at several occasions. Simultaneously, numerical simulation of these models was attempted. In some of these, advanced finite-element and finite-difference techniques were employed.In these recent approaches, mass movement for ice lens growth takes place in a zone of frozen soil. This movement is facilitated by the presence of liquid water films between the pore ice and the pore wall. Coupling of heat and moisture movement in this zone is achieved by employing a generalized form of the Clausius-Clapeyron equation.Some qualitative and numerical models now include the effect of overburden load on the heaving process. Different approaches are followed to predict the effect of overburden load on the pressures in pore liquid and pore ice. In this paper various laboratory tests for frost-heave susceptibility, in use or proposed in recent years, are summarized. A major difference among them is, that either a constant frost penetration rate or a step change in surface temperature is applied. In recent publications it is concluded that net rate of heat extraction is the independent variable in the frost-heave process and should be standardized in laboratory tests. 相似文献
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土体冻结过程中的热质迁移研究进展 总被引：20，自引：13，他引：20
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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For one-dimensional soil freezing process, a separate-ice frost heave model is established, and the coupled process of heat transfer, fluid flow and stress development is considered in the model. First, a coupled heat–fluid–stress model describing the growth of a single ice lens is developed by extending the coupled heat–fluid model presented by Zhou and Zhou (Can Geotech J 49(6):686–693, 2012). Second, the mechanism for the formation of a new ice lens in the frozen fringe is studied, and we indicate that if the total vertical disjoining pressure at certain place exceeds the sum of the external pressure and the critical pressure, a new ice lens will emerge. By combining the growth model of a single ice lens and the criterion for the formation of a new ice lens, the separate-ice frost heave model is then established. The difference between the separate-ice model and the rigid-ice model is explained, and the relations for different mathematical models which describe the soil freezing process are also discussed. Numerical analysis of the separate-ice model is conducted using the finite volume method. The freezing tests for Devon silt under no external pressure and Xuzhou silty clay under a constant external pressure are applied to verify the computational results. The consistence between the calculation and the observation validates the separate-ice frost heave model. 相似文献
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饱和正冻土水分迁移及冻胀模型研究 总被引：6，自引：0，他引：6
正冻土在温度梯度大的情况下,冻结锋面快速移动,孔隙水变成冰,造成原位体积膨胀;而通常在天然条件下,温度梯度都不大,水从未冻区向冻结区迁移,在某一个位置引起冰的累积,形成分凝冰。由于此诱发的冻胀要比原位冻胀大很多,因此,建立一个能够模拟土体水分迁移及分凝冰形成过程的冻胀模型尤其重要。基于第2冻胀理论,建立了饱和土体冻胀模型。在模型中,假设冻结缘中单位时间内水分迁移速度为常数,以计算冻结缘内水压力,再根据克拉方程得到冰压力。根据冰压力的大小作为分凝冰形成判据,研究中假设新的分凝冰形成以后,上一层分凝冰停止生长。模型把水分迁移和冻胀速率当作基本的未知量,模拟了与可天然土体冻胀类似的底部无压补水和顶部加压的冻胀情况。通过数值模拟与试验结果进行对比,初步验证模型的可靠性,其研究结果为实际寒区工程的冻胀预测提供参考。 相似文献
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冻胀过程与冻结缘特性 总被引：1，自引：0，他引：1
The complex process of soil freezing which relates to moisture field, temperature and stress field usually accompanies water migration and crystallization. The mechanism of water migration in the -frozen fringe is blurry though there have rather mature theory analyzing water migration in the unfrozen zone and fully-frozen zone. It is a visualized and easy method to calculate the potential gradient of frozen fringe by frost heave amount, the duration of the steady state of frost heaving and the coefficient of permeability based on the Darcy penetration theory, not directly considering water driving force, ice segregation temperature and the thickness of frozen fringe. The method is feasible by comparing the calculated amount of frost-heaving with the test data. 相似文献
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对冻结技术应用中冻胀控制这一重要课题．通过试验比较了控制冻深的间歇冻结模式与传统连续冻结模式的冻胀量差异．试验结果表明：控制冻深的间歇冻结模式冻胀量为连续冻结模式的48．8％,其等效条件下的冻胀量约为连续冻结模式的71．2％,冻胀部分得到控制。针对该间歇冻结模式控制冻胀的规律,提出末透镜体层为冻胀控制的关键透镜体层。通过对试验的定性分析．指出控制冻深的间歇冻结模式在间歇段能够促使末透镜体分凝温度升高,形成速度减缓,继而出现停止形成的阶段,控制冻胀。分析指出控制冻深的间歇冻结模式是工程唯一可用的冻胀控制的冻结模式,且该模式较传统连续冻结模式更为经济。 相似文献
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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.
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