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。

多层核磁探测介质内温度梯度下THF水合物形成特征

自然条件下,地温会随深度呈比例变化.温度梯度下沉积物内水合物形成特征,对水合物资源及技术应用具有重要参考意义.本文运用多层核磁共振仪,对不同溶液含量硅胶粉内温度梯度下四氢呋喃(THF)水合物形成过程进行探测.结果显示:温度梯度使形成过程在垂向上呈明显异质性;水(溶液)含量差异是引起形成过程差异的主要原因.此外,溶液含量较高时(W硅胶/W溶液=1:1.5),介质内水合物形成速率及THF最终转化率明显较高,试样内,由处在较高过冷度状态下的溶液形成的水合物颗粒平均粒径较小,但THF最终转化率最低.溶液含量较低时(W硅胶/W溶液=1:1),过冷度与试样段内THF最终转化率呈正相关关系.然而,含量较高时,溶液主要滞留于大尺寸孔隙中,此时形成的固态水合物可成为新骨架,改变介质颗粒分布,优化颗粒级配,影响液体的分布形态及规律.相反情况下,水合物对介质骨架结构无影响.