冻结作用下土石坝护坡土石混合体水分迁移试验研究

土石坝护坡冻胀破坏主要由护坡砂砾料垫层、坝体填土自身冻胀和水分迁移共同作用引起。针对寒区土石坝护坡普遍存在的隆起、错位、坍塌等冻胀破坏问题,以寒区某土石坝护坡工程砂砾料垫层、坝体填土为研究对象,采用自研的土石混合体水分迁移冻结模型试验装置系统,开展了补水条件下单向冻结模型试验研究,研究了温度、含石量、水分迁移对土石坝护坡土石混合体冻胀特性的影响。研究结果表明:温度、含石量对土石混合体的冻胀特性影响显著;水分迁移受土石含量、温度和含水率影响,护坡砂砾料垫层和坝体填土含水率越大,冻结过程中水分迁移量越大,水分相变成冰的条件越充分;土、石分层对黏土温度变化影响较大,黏土和砾石分层可有效减小水分迁移量和冻胀量,对土石坝护坡防冻胀是有利的;土石混合体内部孔隙水相变成冰并在试样内部形成分凝冰是冻胀量增加的主要原因,土石混合体原位冻胀以及冻结过程中分凝冰的生长使冻胀量不断增加,且补水量越大,试样冻胀量就越大;不同温度、含石量下试样的冻胀量均随补水量的增加而基本呈线性增大,且含石量对冻胀量增加速率影响较小,温度对冻胀量增加速率影响较显著。研究成果可为寒区土石坝护坡设计和运行管理提供科学依据和技术支撑,补充了碾压式土石坝设计规范中的护坡设计。

冻土力学与工程的国际研究新进展——2000年国际地层冻结和土冻结作用会议综述

2 0 0 0年国际地层冻结和土冻结作用会议于 2 0 0 0年 9月在比利时召开。会议共设 6个专题 :热质迁移、冻结敏感性和冻胀、力学性质、环境土冻结、工程设计和工程实例。围绕这 6个专题 ,介绍了国际冻土力学与工程方面研究的一些主要进展 ,既反映了国际冻土力学与工程研究的水平 ,也代表了 2 1世纪冻土学发展的方向。

冻结作用下黏土中水、盐迁移试验研究

为了探究冻结作用下黏土中水盐迁移特性,采用室内单向冻结试验装置,基于TDR技术对添加不同溶质(NaCl)浓度的土样进行了土中温度、含水率及电导率(EC)的同时连续测量。结果表明:溶质的添加引起土中孔隙水冰点下降,造成土中成冰量减少,从而导致含溶质土样的冻结深度大于不含溶质土样;在封闭系统中随着溶质浓度的增大,土中水分迁移量和溶质迁移率均有增大趋势,距离冻结锋面越远,水分、溶质迁移量就越少;冻结锋面附近液态水凝结成冰,引起冻结锋面附近溶质浓度剧烈变化,溶质浓度急剧增大。

土冻结作用研究近况

本文回顾了30多年来我国冻土力学领域研究的发展过程,着重介绍了我们在土冻胀与冻胀力基本规律以及应用研究方面的进展近况。

冻结作用下粉土-混凝土接触面抗拉强度试验研究

为探究冻结作用下土与结构接触面抗拉强度的影响因素及变化规律,开展了冻结状态下多种含水率、温度及干密度的粉土-混凝土接触面抗拉强度正交试验研究。试验结果表明:在试验温度下,粉土-混凝土接触面的冻结抗拉强度约为饱和黄土的1/10,粉质黏土的1/10~1/7;含水率对接触面的冻结抗拉强度影响最大,其次是温度、干密度;在试验含水率范围内,接触面的冻结抗拉强度与含水率正相关;温度降低会增大接触面冻结抗拉强度,在-2℃至-6℃,冻结抗拉强度迅速增长,在-6℃以后,冻结抗拉强度的增长速率显著减小。结果证明:低温、高含水率、低干密度条件下,接触面冻结抗拉强度达到最佳;三种因素对接触面冻结抗拉强度具有不同的影响程度,其中含水率、温度影响显著,干密度影响不显著;在试验含水率区间内,接触面冻结抗拉强度随含水率增长呈线性增长态势,且含水率、温度之间存在交互作用;随温度降低,存在一临界负温,接触面冻结抗拉强度由迅速增长转为缓慢增长。

冻结作用对青藏红黏土及兰州粉土微观结构的影响分析

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。

冻结过程中硝酸盐在包气带中运移特征的试验研究

为了探究包气带中硝酸盐在冻结过程中的运移规律,采用KNO_(3)作为典型污染组分,通过室内模拟试验,对温度、未冻水含量、溶液浓度等重点参数进行分析。结果表明:在试验条件下,剖面上垂向的水分运移比较明显,随着冻结锋面的下移,锋面处液态水含量变小,毛细负压减小,毛细力增强,导致下部的水分向上部移动,冻结封面的影响范围在10 cm左右,而且越靠近冻结锋面未冻水含量越小;未冻水含量与溶液浓度有着明显的负相关关系,在冻结过程中,随着固态冰的增多,未冻水含量减少,溶液中的溶质会往液态水中迁移,所以未冻水含量在减少的同时,溶液的浓度却在不断增大;溶液初始浓度0.3 mg/L,因为冻结过程而发生溶质迁移后的浓度为0.35~0.5 mg/L。

冻结作用对土壤电阻率的影响研究

周期性冻结作用对路基土体损伤很大,因此有必要了解冻结作用对土体的影响机制,为今后工程中判断冻结作用导致的土体损伤作参考。而电阻率作为一种可以快速测量且较为精确的中间量,很适合用于探究冻结作用对土体的影响。试验中对土样变形和电阻率进行了全过程监控,通过对比冻结过程中土体电阻率和变形后发现,土样在封闭条件下变形甚微,且不同压实度电阻率变化情况不尽相同,不同冻结温度作用下土样电阻率最大变化量与冻结温度呈线性变化关系。

低温-加载作用下白垩系砂岩的变形破坏特性试验研究

为探索低温和加载作用对陇东地区深厚富水白垩系砂岩的变形破坏特征的影响,利用MTS-815伺服岩石力学试验机和扫描电镜开展了不同岩性(中粒砂岩和粗粒砂岩)砂岩在不同温度(-30、-20、-10、-5、25℃)和围压(0、4、6、8 MPa)下单轴、三轴压缩试验和微观结构测试,对饱和白垩系砂岩的冻结-加载变形、破坏特征及内部机制进行了系统分析。结果表明,砂岩试样峰前孔隙压密变形较显著,且中粒砂岩更甚,温度降低和围压增大均可减弱压密变形而提高刚度和强度;试样峰后扩容变形明显。随着温度的升高,试样弹性模量E、剪切模量G及体积模量Kv均呈先快速、后缓慢的非线性衰减规律,且相同条件下中粒砂岩总是低于粗粒砂岩;泊松比μ和拉梅常数λ的变化规律与其相反;这些变形指标与温度的关系可由统一的指数模型较好表征。负温冻结时,中粒砂岩的冻胀破坏强于粗粒砂岩,呈横向开裂和点状凸起破坏;加载条件下试样破坏模式受岩性、温度和围压影响显著。两种冻结砂岩的变形破坏差异性内在机制是由其颗粒、孔隙等宏微观结构特征决定的。研究结果将为西部寒区软岩力学研究和煤矿冻结井筒设计提供参考。

冻融作用对冻土区微生物生理和生态的影响

不同时空尺度的冻融过程导致冻土温度变化及水的相变和迁移,改变着微生物生境的物理和化学性质。冻融过程可改变细胞内外渗透压平衡,且冰晶生长过程能损伤细胞膜和细胞器。限于营养、氧气等其它极端不利条件,不少细胞逐渐转入休眠状态以度过难关;微生物DNA、蛋白质的合成和能量代谢仅用于维持细胞生存。冻融作用通过改变细胞代谢模式而影响微生物参与的寒区碳氮元素的生物地球化学循环。多年冻土层保存了不同地质时期微生物种群的多样性,作为物理和生物地球化学屏障,可有效削弱地表过程和地壳本底辐射对微生物的影响。在长期的适应过程中,微生物发展了相应的耐受机制,从结构和功能方面,细胞和分子水平上应对冻土环境和冻融过程。这可为寻找地外寒冷星球上可能的生命形式提供一些线索。

寒区对研究设计施工的影响——第14届寒区工程学术会议综述

由美国土木工程师协会(ASCE)组织召开的寒区工程学术会议是北美寒区岩土工程界最为重要的学术交流会议之一.近年来,参加该会议的北美以外的寒区科研技术人员日渐增多.第14届寒区工程会议于2009年9月在美国Minnesota州Duluth市成功举行.根据本次会议的论文主题,从冻结作用、路面工程、铁路及公路工程以及其它一些方面对会议展示的主要研究进展进行了总结.

孔隙水与凝胶体的微纳物理反应——SLGS模型（英文）

介绍了一种新的水泥水化产物的固相-液相-凝胶体系模型。之前描述水泥水化产物的固相-液相-凝胶体系主要考虑不同环境下特别是在干燥和寒冷环境下毛细孔水和固相-凝胶结构的不同。该新模型验证了Feldman-Sereda质量变化和收缩模型以及表面能与水化形变慕尼黑模型。但是,该模型的解释与之前的模型完全不同,因为该模型考虑了凝胶颗粒在硬化水泥体系中的膨胀。该差异可以用表面物理的理论来解释。研究结果是基于小的硬化水泥石试样上进行的高精度重力吸附测量,同时结合氦流比重计测定的密度、溶解热、以及等温长度变化(收缩)等实验。试验显示,如果基于给定的相对湿度条件下的质量变化,以及表面相互作用能,而不是基于相对湿度,各实验所得结果有较为密切的关系。质量变化与在不同的水蒸气分压区间存在的毛细孔水分的类型有关。根据不同的凝胶固相与毛细孔水分的相互作用可以分为两个不同的区域:其一为凝结区,主要为凝结的凝胶内毛细孔水。该水主要由表面的相互作用所控制,其密度根据水泥种类不同大概为1.15g/cm^3至1.25g/cm^3。这种水的溶解热比体相水低大约30%,它的损失是表面作用而引起的收缩。根据质量(固体+留存的吸附水)定义该区域的边界,该质量达到了明确定义的在从潮湿或密闭养护的新生态第一次脱附期间相对湿度为22%的能量级别。