青藏高原冻土地区的地质灾害与冻土因冻融作用引起的水分重分布密切相关，其实质是复杂水热耦合作用的结果。已有的冻土水热耦合模型较多关注未冻水含量梯度驱动引起的水分迁移过程，而缺乏对温度梯度驱动效应的探讨。基于经典热传导方程和非饱和土体渗流理论，考虑未冻水含量梯度和温度梯度的共同作用，建立了双梯度联合驱动作用下的非饱和冻土水热耦合模型。在采用已有试验数据对模型有效性进行验证的基础上，分别对-5、-10和-15℃3种环境气温条件下土体的水热响应开展了数值模拟。结果表明：温度梯度在冻结过程中对于水分迁移的驱动作用不可忽略；冻结过程中由于冰水相变释放潜热造成冻结速率逐渐减慢；土中水分聚集的位置处于冻结初期形成的冻结锋面处，且外界气温越低，内外温差越大，则土体水分发生聚集的位置越深，水分迁移量相对也越大，冻结过程中土体水分随深度呈S型分布；-5、-10和-15℃环境温度下含水率极值分别位于0.30、0.55和0.70 m深度处，含水率增量分别为3.5%、4.6%和5.5%。
近年来，季节性冻土区越冬基坑工程因水平冻胀引起的事故频发，但相关水平冻胀机理的研究成果较少。开展了北京市昌平区的越冬基坑现场监测，分析桩锚支护结构在不同补水和刚度条件下的地温变化、土体水分迁移、支护结构受力状态及支护结构水平位移的演化规律。研究结果表明：温度梯度引起土壤土水势变化，导致土体内部水分的竖向和侧向迁移，从而引起水平冻胀作用，诱发基坑支护桩的水平位移，增大支护结构中的锚杆拉力。此外，开放补水条件显著增强了水平冻胀作用，导致更大的冻胀力和冻胀变形，而刚度较大的支护结构对基坑的约束作用更强，能有效限制基坑水平冻胀变形。研究成果可为寒区工程支挡结构的设计和施工提供借鉴。
在人工冻结法工程中,关于地下水与冻结温度场的耦合性研究主要着眼于恒定渗流工况,而对突发定渗流工况鲜有研究。为了分析突发定渗流作用下温度场演化规律,基于相似理论建立模型试验系统,开展了单排管冻结模型试验研究,得到了突发定渗流条件下冻结壁及温度场的演化规律。试验结果显示:①突发定渗流速度vs接近恒定渗流条件下极限交圈流速vc时,上、下游未冻区温度随时间呈线性变化,当vs>vc时未冻区温度随时间呈二次函数型变化,vs越大该变化趋势越显著;②随着vs的增大,试验末期冻结壁形态逐步由偏心冻结壁向独立偏心冻土柱过渡。研究表明:①突发定渗流对温度场的作用可划分为未冻区的直接作用和冻土区的间接作用;②基于突发定渗流发生后的冻结壁形态和温度场分布特征,地层冻结过程可划分为:持续扩展、减速扩展、发展抑制、全面损伤4个阶段;③渗流发生前,土体温度梯度呈三角函数分布,渗流发生后,上游温度梯度峰值将会迅速增大,峰值位置向冻土区移动,下游温度梯度逐步趋平。根据上述研究结果发现在...
为了研究人工凿井冻结法施工中冻结壁解冻融沉效应的产生而导致井筒壁后附加力的变化,以徐州黏土冻融为研究对象,通过人工冻结土融沉特性试验,分别开展了人工冻土不同含水率、不同单向冻结温度梯度、不同外荷载的冻融特性分析。结果表明:试验系统补水情形下,相同干密度的黏土单向冻结温度梯度为1.4℃/cm时融沉量值为0.98 mm,大于2.0℃/cm融沉量值0.61 mm,增大幅值约60.6%;相同单向冻结温度梯度下,随着外载荷的增大融沉量随之增大,两者增长趋势一致,但幅度不一致。基于对冻土融沉特性受多因素综合影响的认识,采用改进的人工神经网络方法,建立了多样本、多因素影响下的融沉系数关系数据库,误差分析表明,改进的预测算法具有较好的精度。
课题以非均匀温度厚冻结壁稳定控制为背景；针对现有试验方法和理论不能揭示温度梯度诱导的冻土非均质特性及其非线性力学行为的现状；紧紧围绕温度梯度对冻土体变形破坏的影响机理这一关键科学问题；以温度梯度诱导的冻土非均质效应为研究对象；以非均质性赋存形态与演变规律为研究重点；采用径向单一温度梯度冻结圆筒试验、基于三维可变形离散元理论的径向组合温度梯度冻结圆筒数值试验、冻结壁物理模拟试验与理论分析相结合的综合研究方法；应用K0DCGF(K0固结-保持荷载冻结-形成温度梯度-再试验)、基于炭黑-硅橡胶复合导电传感元件的分布式变形测量、数字照相等技术与手段；研究冻结圆筒中非均匀温度冻土破裂体形成、演化的基本特征与基本规律；明确冻结圆筒变形-承载性能与温度梯度之间的相互关系；揭示冻结圆筒非均匀变形-局部破裂-整体失稳过程对温度梯度效应的力学响应机制。研究成果将为特厚冲积层中冻结壁稳定性动态调控提供科学依据。
2014-01采用K0DCGF(K0固结—保持荷载冻结—形成温度梯度—再试验)方法,开展不同温度梯度冻结饱和黏土三轴蠕变试验,研究冻土蠕变变形规律和温度梯度诱导的冻土非均质特征。结果表明:K0DCGF模式中温度梯度冻结饱和黏土蠕变曲线由瞬时蠕变、衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变4个阶段组成;温度梯度冻土径向蠕变速率小于轴向蠕变速率;温度梯度冻土最小轴向蠕变速率与蠕变应力之间满足指数函数关系,而长期强度极限与蠕变破坏时间之间则满足对数函数关系;梯度温度冻结过程中的水分场重分布和试验后冻土变形的非均匀分布是K0DCGF蠕变试验中"温度梯度诱导的冻土非均质性"的重要体现;蠕变试验后温度梯度冻土冷端含水量最高,密实度最大;蠕变试验后温度梯度冻土宏观径向变形/试样高度沿试样高度方向分布随蠕变应力增加由先增加后降低规律逐步演化为持续增加规律,这一现象与冻土初始瞬时蠕变速率密切相关。
通过对土体温度场分布、水分分布和石油总量分布的监测分析,研究了温度梯度作用对迁移过程的影响机制.试验结果表明,温度梯度作用通过影响石油污染物本身的物理性质、土颗粒对石油污染物的吸附作用和土体内水相的分布和相状态,影响了石油污染物的迁移过程.
采用K0DCGF(K0固结—保持荷载冻结—形成温度梯度—再试验)方法,开展2种温度梯度冻结饱和黏土在3种固结压力下的恒围压加轴压剪切试验(CTC),研究温度梯度和固结应力对冻结饱和黏土变形破坏特征和能量规律的影响机制。结果表明:K0DCGF模式中温度梯度冻结饱和黏土呈脆性破坏特征,而均匀温度冻结饱和黏土呈塑性破坏特征;温度梯度冻结饱和黏土在CTC路径中的变形破坏过程可用3个阶段描述:弹性变形阶段,峰值应力前对应的微裂隙或微孔洞萌生阶段,峰值应力后对应的裂纹扩展贯通阶段;随温度梯度和固结应力增加冻土存储的可释放弹性应变能与外荷载所产生的总输入能量的比例逐渐增加,这与K0DCGF模式中冻结饱和黏土的脆性破坏特征与固结应力以及温度梯度之间关系基本对应。
寒区季节性冻土冻胀性质对工程实际影响很大。为了了解温度对水分迁移现象的影响,本文通过地温测试仪对野外不同深度处的土层温度进行测量,并在不同时间相应深度取土样,测其含水率,通过比较不同时间不同深度处的含水率的变化情况来分析温度变化对水分迁移现象的影响。在气温回升之前,当地表温度降低时,温度随深度的降低而升高;随着地表温度不断降低,各深度处的温度也不断下降,温度梯度增加,各深度处地层的含水率变化大,即温度梯度的增加促进了季节性冻土区水分迁移现象的发生。