Estimation of the unfrozen water content of saturated sandstones by ultrasonic velocity

The unfrozen water content(UWC)of rocks at low temperature is an important index for evaluating the stability of the rock engineering in cold regions and artificial freezing engineering.This study addresses a new method to estimate the UWC of saturated sandstones at low temperature by using the ultrasonic velocity.Ultrasonic velocity variations can be divided into the normal temperature stage(20 to 0℃),quick phase transition stage(0 to-5℃)and slow phase transition stage(-5 to-25℃).Most increment of ultrasonic velocity is completed in the quick phase transition stage and then turns to be almost a constant in the slow phase transition stage.In addition,the UWC is also measured by using nuclear magnetic resonance(NMR)technology.It is validated that the ultrasonic velocity and UWC have a similar change law against freezing and thawing temperatures.The WE(weighted equation)model is appropriate to estimate the UWC of saturated sandstones,in which the parameters have been accurately determined rather than by data fitting.In addition,a linear relationship between UWC and ultrasonic velocity is built based on pore ice crystallization theory.It is evidenced that this linear function can be adopted to estimate the UWC at any freezing temperature by using P-wave velocity,which is simple,practical,and accurate enough compared with the WE model.

A model of unfrozen water content in rock during freezing and thawing with experimental validation by nuclear magnetic resonance

The unfrozen water content of rock during freezing and thawing has an important influence on its physical and mechanical properties.This study presented a model for calculating the unfrozen water content of rock during freezing and thawing process,considering the influence of unfrozen water film and rock pore structure,which can reflect the hysteresis and super-cooling effects.The pore size distribution cu rves of red sandsto ne and its unfrozen water conte nt under different temperatures during the freezing and thawing process were measured using nuclear magnetic resonance(NMR) to validate the proposed model.Comparison between the experimental and calculated results indicated that the theoretical model accu rately reflected the water content change law of red sandstone during the freezing and thawing process.Furthermore,the influences of Hamaker constant and surface relaxation parameter on the model results were examined.The results showed that the appropriate magnitude order of Hamaker constant for the red sandstone was 10J to 10J;and when the relaxation parameter of the rock surface was within 25-30 μm/ms,the calculated unfrozen water content using the proposed model was consistent with the experimental value.

Hysteresis in the ultrasonic parameters of saturated sandstone during freezing and thawing and correlations with unfrozen water content

Determining the mechanical properties of frozen rock is highly important in cold-area engineering.These properties are essentially correlated with the content of liquid water remaining in frozen rock.Therefore,accurate determination of unfrozen water content could allow rapid evaluation of mechanical properties of frozen rock.This paper investigates the hysteresis characteristics of ultrasonic waves applied to sandstone(in terms of the parameters of P-wave velocity,amplitude,dominant frequency and quality factor Q)and their relationships with unfrozen water content during the freeze-thaw process.Their correlations are analysed in terms of their potential for use as indicators of freezing state and unfrozen water content.The results show that:(1)During a freeze-thaw cycle,the ultrasonic parameters and unfrozen water content of sandstone have significant hysteresis with changes in temperature.(2)There are three clear stages of change during freezing:supercooled stage(0℃to-2℃),rapid freezing stage(-2℃to-3℃),and stable freezing stage(-3℃to-20℃).The changes in unfrozen water content and ultrasonic parameters with freezing temperature are inverse.(3)During a single freeze-thaw cycle,the ultrasonic parameters of sandstone are significantly correlated with its unfrozen water content,and this correlation is affected by the pore structure.For sandstones with mesopores greater than 50%,there are inflection points in the curves of ultrasonic parameters vs.unfrozen water content at-3℃during freezing and at-1℃during thawing.It was found that thermal deformation of the mineral-grain skeleton and variations in the phase composition of pore water change the propagation path of ultrasonic waves.The inflection point in the curve of dominant frequency vs.temperature clearly marks the end of the rapid freezing stage of pore water,in which more than 70%of the pore water freezes.Consequently,the dominant frequency can be used as an index to conveniently estimate the unfrozen water content of frozen rock and,hence,its mechanical properties.

Effectiveness of gelatin solidification for unfrozen preservation and transportation of astrocytes

We herein studied a non-cryogenic cell preservation and transportation method. We found that astrocytes can be preserved in an unfrozen state at 4℃ (without medium exchange), while maintaining good condition in comparison with cryopreservation for the periods of 5 - 7 days. The gelatin solidification method can also prevent decreases in survival rate by preventing damage to astrocytes during transportation. Therefore, the gelatin solidification method at 4℃ may be a useful choice for short-term preservation and transportation.

冰水赋存演化下冻结土石混合体-结构界面强度劣化机制及模型

温升下冻结土石混合体-结构界面层孔隙内冰水赋存改变极易诱发强度劣化,而目前界面强度劣化机制及劣化规律定量表征的相关研究存在空白。制备0%,15%,30%,45%等4种含石率组合体试样,通过核磁共振、直剪试验研究了正融过程冰水赋存演化下界面强度劣化特性,结合莫尔-库仑准则首次提出以薄膜水及毛细水含量变化率为参变量的强度劣化模型。得到结论:含石改变界面孔隙结构分布使毛细水占比升高;温升下界面抗剪强度劣化程度随含石率增加而降低;正融后不同含石率界面黏聚力衰减程度均大于内摩擦角衰减程度;黏聚力、内摩擦角与未冻水含量关系曲线分别呈阶段非线性特点及两阶段线性特点,其实质在于薄膜水及毛细水发育使得界面黏聚力和内摩擦角产生不同程度及形式的劣化。模型分析表明:随含石率升高,薄膜水及毛细水劣化系数具有“此消彼长”的特性,颗粒间及颗粒与结构接触面滑动摩擦强度和咬合摩擦强度劣化比例系数分别呈现下降、上升趋势。

Effects of thawing-induced softening on fracture behaviors of frozen rock

Due to the presence of ice and unfrozen water in pores of frozen rock,the rock fracture behaviors are susceptible to temperature.In this study,the potential thawing-induced softening effects on the fracture behaviors of frozen rock is evaluated by testing the tension fracture toughness(KIC)of frozen rock at different temperatures(i.e.-20℃,-15℃,-12℃,-10℃,-8℃,-6℃,-4℃,-2℃,and 0℃).Acoustic emission(AE)and digital image correlation(DIC)methods are utilized to analyze the microcrack propagation during fracturing.The melting of pore ice is measured using nuclear magnetic resonance(NMR)method.The results indicate that:(1)The KIC of frozen rock decreases moderately between-20℃ and-4℃,and rapidly between-4℃ and 0℃.(2)At-20℃ to-4℃,the fracturing process,deduced from the DIC results at the notch tip,exhibits three stages:elastic deformation,microcrack propagation and microcrack coalescence.However,at-4℃e0℃,only the latter two stages are observed.(3)At-4℃e0℃,the AE activities during fracturing are less than that at-20℃ to-4℃,while more small events are reported.(4)The NMR results demonstrate a reverse variation trend in pore ice content with increasing temperature,that is,a moderate decrease is followed by a sharp decrease and-4℃ is exactly the critical temperature.Next,we interpret the thawing-induced softening effect by linking the evolution in microscopic structure of frozen rock with its macroscopic fracture behaviors as follow:from-20℃ to-4℃,the thickening of the unfrozen water film diminishes the cementation strength between ice and rock skeleton,leading to the decrease in fracture parameters.From-4℃ to 0℃,the cementation effect of ice almost vanishes,and the filling effect of pore ice is reduced significantly,which facilitates microcrack propagation and thus the easier fracture of frozen rocks.

粉煤灰对膨胀土未冻水含量的影响——基于低场核磁共振技术检测

为探究冻融循环条件下粉煤灰对膨胀土未冻水含量的影响,利用低场核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)技术对不同粉煤灰掺量(3%、6%、9%、12%和15%)的改性膨胀土进行T2谱测定,分析不同温度下改性膨胀土的孔隙结构变化特征,并得出不同粉煤灰掺量的改性膨胀土未冻水含量的变化规律。试验结果表明:改性膨胀土相较于原状土,微、小孔隙的孔径分布在掺灰比为9%的试样出现降低,其余掺灰比的试样出现增长,掺灰比为6%的试样最显著;中孔隙增幅最显著的是掺灰比为12%的试样,大孔隙增幅最显著的是掺灰比为3%的试样;在冻结过程中,掺灰比为9%的试样未冻水含量在下降阶段变化最快,在融化阶段变化速率最慢;掺入粉煤灰降低了土壤的相变温度,且抑制土体冻结过程中的未冻水含量。

冻融循环作用下土石混合体水-热-变形相互作用过程研究

冻融循环作用显著影响土石混合体的水-热-变形相互作用过程及力学特性。基于此,本文开展了单向冻融循环作用下土石混合体水-热-变形相互作用及无侧限抗压强度试验。通过单向冻融循环装置对30%砾石含量的土石混合体进行了4次单向冻融循环试验,每次循环根据设定的温度变化曲线持续168小时,模拟实际自然环境中冻结和融化的周期。同时,利用微机控制电液伺服万能试验机开展了未冻融和冻融循环后试样的力学特性测试,并探讨了冻融循环对土石混合体微观结构劣化机理的影响。研究结果表明:单向冻融循环对试样内温度、水分和变形有显著影响。冻融循环过程中土石混合体的融化速率大于冻结速率,试样在冻融循环过程中存在着体积未冻水的迁移和重分布。第一次冻融循环对土石混合体变形影响最为显著,试样的净变形随着冻融循环次数的增加先增大后趋于稳定。此外,反复的单向冻融循环改变了试样的孔隙结构。冻融循环后试样的抗压强度和变形模量分别减小了45.31%和60.92%,其衰减幅值随着冻融循环次数的增加而降低。

考虑孔隙比的冻胀弱敏感性土修正PCHeave模型研究

针对我国严寒地区高速铁路路基填料和机场填方等工程具有严格的压实度要求,而考虑孔隙比的冻胀弱敏感性土冻胀影响研究尚未有系统性的理论分析,采用理论与经验分析相结合的方法,基于冻胀弱敏感性土的孔隙比与渗透系数和未冻水含量之间的关系,建立考虑孔隙比的修正PCHeave模型。基于该模型分析孔隙比与冻胀量、冻结深度和冻胀率之间的关系,并进行试验对比验证。研究结果表明:孔隙比与冻胀弱敏感性土的未冻水含量之间存在很好的线性关系;冻胀弱敏感性土的冻胀量和冻胀率均随孔隙比先增大再减小,即存在一个最不利孔隙比使得冻胀量和冻胀率均达到最大值;冻胀弱敏感性土的冻结深度随孔隙比增大而逐渐增大;若仅考虑孔隙比对饱和渗透系数的影响,冻胀量和冻胀率均随孔隙比显著增加,若仅考虑孔隙比对未冻水含量的影响,冻胀量和冻胀率均随孔隙比减小,但减小幅度很小。冻胀弱敏感性土通常被认为不能产生显著冻胀,在一定孔隙比下也能产生较大冻胀,同时考虑孔隙比对饱和渗透系数与未冻水含量的影响要更合理。冻胀弱敏感性土的冻胀不能忽略孔隙比的变化,与试验结果对比,该模型能够较好地描述孔隙比对冻胀弱敏感性土的冻胀影响。

富水地层多圈水平杯型冻结温度场分布形式及变化机理研究

为了掌握富水地层多圈水平杯型冻结温度场的分布形式及发展规律,以昆明地铁城市轨道交通5号线冻结加固工程为背景,通过现场监测、数值计算、室内试验对冻结帷幕温度场变化规律及内在机理展开研究,分析冻结壁温度场在形成过程中的变化规律.试验结果表明:在外部降温计划的作用下,冻结壁温度场按照温度变化过程分为快速降温阶段、潜热释放阶段、稳定温度阶段及冻结维护阶段4个阶段.各阶段曲线变化速率与加固范围内试样未冻水含量变化具有一定的关联,未冻水往往通过影响比热容、导热系数与潜热等热参数对冻结壁温度场的变化规律从而影响到整体下的温度场分布规律.未冻水含量变化通过改变冻结冰体圆柱与土柱的几何位置关系从而影响试样冻结过程中的热传导形式,其中比热容在正温阶段时随温度降低逐渐增加.

冻融作用下水泥改良土未冻水含量及孔隙特征试验研究

水泥基材料注浆是控制人工冻结地层冻融变形普遍有效的措施。基于核磁共振技术,对冻融作用下不同水泥掺量的粉质黏土未冻水含量及冻融前后孔隙特征进行测试,结合扫描电镜和压汞技术分析了冻融前后水泥改良土的孔隙特征变化规律及冻融损伤微观机理。结果表明:①含水量一定时,随着水泥掺量的增大,孔隙中水分子磁化程度对温度的敏感性先增大后减小;②当水泥掺量为0~10%时,正融过程同一温度下,随着水泥掺量的增加,冻结土体中未冻水含量先减小后增大;③相比于未掺水泥的粉质黏土,水泥改良粉质黏土冻融前后孔隙的变化程度较小,当水泥掺量为5%时,其孔隙特征及微观结构受冻融循环影响较小。研究结果可为改良土体抗冻融损伤研究及人工冻结工程地层冻胀融沉稳定性控制提供参考。

基于外调水入渠的冰期渠道水力热力协同调控方法

为破解高纬度地区长距离渠道冬季冰盖下输水能力不足的问题,以一个梯形断面尺寸一定的渠道模型为例,利用数值模拟方法,分析气温、入渠水温、输水流量等热力和水力因子对冬季渠道水温沿程衰减的影响规律,并采用多元拟合的方法提出适合该断面尺寸渠道的不冻长度公式。分析两种离线水库补水模式对渠道水体的温控效果及补水流量、气温、补水水温对补水间距的影响,并将不冻长度公式用于补水间距的计算。研究表明:在接近冰点的渠道断面,通过外调水入渠,能够延长渠道不冻长度,可在一定输水距离范围内避免渠道结冰,从而解决长距离输水渠道冰期输水能力不足的问题。研究成果对长距离输水渠道冰害防治和冰期输水能力提升具有一定参考价值。

单向冻结条件下非饱和土水分迁移规律研究

为了揭示路基冻结过程中地下水和土性对水分迁移规律的影响,针对开放体系和封闭体系的粉质黏土和砂土进行了单向冻结条件下的水分迁移试验。通过土柱上层位置设置碎石层,阻断液态水迁移路径,监测冻结过程中土柱的水热变化,结合土柱冻结深度、冻结速率曲线、含水率分布曲线和补水时程曲线,分析仅水汽补给时对土柱顶部水分聚集和冻结特征的影响。试验结果发现,无论是封闭体系还是开放体系,粉质黏土和砂土土柱都会在冻结区中形成两处水分聚集区:第一水分聚集区为控温板底部,以霜的形式聚集,主要是由土柱顶部土体的水汽迁移并凝华相变形成;第二水分聚集区为冻结区中液态水和气态水共同迁移形成,随着冻结锋面的向下推移,形成不连通孔隙的界面,液态水向0℃冰锋线迁移聚集并相变成冰,水汽迁移路径受阻而凝华成冰,致使该处含水率显著增加。相较于封闭体系,开放体系使两处水分聚集区产生更大的水分增量。相比于粉质黏土,砂土介质孔隙较大,在试验时间内水汽补给对水分聚集区的影响更明显,但由于砂土持水能力减弱,水汽补给速率随时间逐渐减小。

液氮循环冻结煤体融化过程未冻水含量特征及其对孔隙的影响机制

孔隙未冻水含量和分布特征可以反映煤体融化程度,融化程度影响冰孔隙大小,直接决定孔隙渗透性,影响煤层气开采效率。研究冻结条件下煤体冰水相变过程特征,对精准评价煤层低温致裂效率具有重要意义。实验以冻结态饱水烟煤为研究对象,使用核磁共振技术研究煤样融化过程孔隙特征,综合测量T2曲线、累计孔隙度以及累计孔喉分布,定量分析煤样融化过程孔隙结构。实验结果表明,液氮循环冻结煤体融化过程中,首先融化出小孔结构,后融化出中大孔结构,且融化前期孔隙连通性较差。通过计算T2曲线面积,验证了融化过程未冻水含量与温度呈指数关系,并建立拟合函数。同时,根据煤样累计孔隙度与累计孔喉分布将融化过程划分为3个阶段,分别为加速融化阶段(-196~-30℃)、稳定融化阶段(-30~-5℃)以及快速融化阶段(-5~10℃)。热力学分析表明,低温下煤样未冻水含量同时受到孔隙压力与孔径分布影响,孔隙压力越大、小孔结构越丰富的煤样未冻水含量越多。总结了基于液氮循环冻融孔隙扩张收缩以及局部导热特性分析体系,涉及T2图谱分析、导热组分划分、融化速度计算等关键问题,进而分析液氮循环次数造成的煤样融化速度差异。计算结果表明,液氮循环冻结10次时煤样平均融化速度最快,小孔、中孔与大孔冰的最大融化速度分别为0.632%/℃、0.582%/℃和0.521%/℃。

典型冰况下极地船舶碎冰阻力模型试验研究

极地船舶航行于夏季冰缘区时,浮碎冰况是遭遇的最主要冰况之一,在此冰况下航行的船舶必须考虑浮碎冰与水的耦合作用对阻力性能的影响。为探索浮碎冰条件下极地船舶阻力性能的模型试验方法及浮碎冰对船舶阻力的影响规律,利用非冻结模型冰开展某型破冰船在不同速度、密集度下的极地船舶阻力试验,同时利用数字图像识别方法,观测不同密集度情况下的碎冰分布变化。试验结果表明:船舶的碎冰阻力随着速度与密集度增加逐渐增加,航行速度为主要的影响因素;船舶速度对碎冰的运动具有显著影响;船舶与碎冰的作用具有随机性,同一工况下的阻力在一定的范围内波动。在此基础上,利用IOT实船换算方法,对船舶在不同航速及密集度下的碎冰阻力进行了预报。

双梯度驱动的非饱和冻土水热耦合模型

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%。

饱和砂砾土未冻水含量预测模型的适应性分析

依托北京地铁19号线草桥站—景风门站联络通道人工地层冻结工程,采用频域反射法得到了不同含泥量饱和砂砾土的冻结特征曲线,分析含泥量对未冻水含量的影响。讨论拟合参数对六种典型未冻水含量预测模型的影响,基于未冻水含量测试结果,开展饱和砂砾土未冻水含量预测模型的适应性分析。结果表明:饱和砂砾土冻结特征曲线随温度降低主要经历快速下降、缓慢下降和稳定三个阶段,含泥量提高引起剧烈相变区间增大,残余含水量明显提高;VG-Clapeyron模型对含泥量0、10%和20%饱和砂砾土均具有较好的适应性,且形式简单,推荐使用VG-Clapeyron模型预测饱和砂砾土未冻水含量随温度的变化规律。

不同成冰机制下冻结锋面附近水分积聚模式及其工程环境意义

土冻结过程中的水分迁移积聚与冰分凝关系密切,但两者之间的耦合关系至今仍不清晰。借助孔隙水压力测试以及多层核磁测试技术,通过系列土冻结试验,研究了水分积聚与冰分凝之间的动态耦合关系。试验结果发现粉质黏土和本文试验用兰州黄土在冻结过程中均在冻结锋面附近存在明显的水分积聚现象,但水分积聚模式存在明显差异。本文试验用兰州黄土在封闭系统条件下发生冻结时,未观察到分凝冰生成,孔隙水压力以上升为主,在冻结初期冻结锋面附近观察到明显的液态水积聚现象;而在粉质黏土的冻结过程中,可观察到冰分凝产生,孔隙水压力以下降为主,在冻结锋面附近未观察到液态水积聚现象。分析上述现象认为,在土体冻结过程中冻结锋面附近的水分积聚存在两种模式:1)压排式积聚:由于无分凝冰形成(孔隙冰的形成),冻结区(近饱和或饱和的情况下)与未冻区的水分在水压力梯度的驱使下向冻结锋面处迁移;2)冷吸式积聚:由于分凝冰的形成,未冻区的水分在吸力的驱使下向冻结锋面处迁移。值得注意的是,这两种土体冻结过程中的水分积聚模式及其影响权重与分凝冰的形成与否有着密切关系:无冰分凝的情况下,只可能在冻结初期存在压排式水分积聚;而当存在冰分凝时,在冻结初期几乎没有压排式水分积聚,在冻结后期则以冷吸式水分积聚为主。不同成冰机制下的水分迁移及积聚模式可以进一步细化土体冻结过程中的水热动态过程,这一发现将对寒区道路工程的病害机制研究、防治措施设计以及厚层地下冰的形成机制有重大参考价值。

分子动力学模拟研究未冻水对冰晶体力学性质的影响

冰力学性质的研究在冻土工程、冰工程中都占据极其重要的地位,冰中未冻水含量的变化会导致冰整体性质随之改变。目前,在微观分子尺度上针对冰中未冻水含量控制因素方面的研究尚不充分。本研究通过分子动力学方法模拟了5种温度、3种应变速率、4种晶粒尺寸、3种升温速率下单晶冰与多晶冰的单轴拉伸与压缩试验,研究了不同影响因素下冰晶体力学性质及内部的微观结构变化,揭示了分子尺度上未冻水在冰晶体变形过程中的产生过程与变化规律,以及未冻水比例对冰晶体力学性质影响的内在机理。模拟结果显示,单晶冰力学性质与未冻水比例间的关系不显著,与冰晶体六元环结构的破损程度直接相关。此外,力学性质受温度、应变量、应变速率等多因素影响,且在拉伸和压缩过程中单晶冰均表现出明显脆性破坏,其强度随温度降低和应变速率加快而增强。相比之下,多晶冰力学性质与未冻水比例变化密切相关,且未冻水比例主要受温度、晶粒大小及其界面状态控制。而且,多晶冰对温度和应变速率更敏感,说明晶界处的结构变化对其力学性能起重要作用。与弹性变形不同,晶界滑移、晶粒旋转、非晶化和再结晶等过程主导多晶冰的塑性变形。

冻土未冻水含量的低场核磁共振试验研究

采用低场核磁共振技术测试了冻融循环过程中不同土质、不同Na Cl离子浓度饱和试样的未冻水含量,结合T2分布曲线从微细观角度分析了冻融过程中未冻水在孔隙赋存分布情况。试验结果表明:冻结过程可分为过冷度段、快速下降段、稳定段3个阶段,而融化过程仅存在稳定段、快速融化段,并不存在与过冷现象对应的过热现象。冻结时大孔隙的水首先冻结,而融化时孔隙水的增加却是从小孔隙开始的,这是由水分热动力学势能的差异导致孔隙水冻结和融化在时间上的有序性。并且分析了冻融循环中土质类型、离子浓度对未冻水含量的影响,以及探讨了冻融过程出现的滞后现象的原因。