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冰分凝
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冰分凝
在冻结速度的影响下
作者:admin ?? 发布于:2019-07-08 17:02 ?? 文字:【】【】【

  甘肃工业大学建筑工程系, 甘肃 兰州 730050; 中国科学院寒区旱区情况与工程研究所 冻土工程国度重点尝试室, 甘肃 兰州 730000) 提出并推导土体在冻结过程中因为冻结速度和水分迁徙速度的影响,形成不持续分凝冰 有薄弱冰层、双冰层和厚冰层 种发育模式.采用受控试验的反演阐发验证了不持续分凝冰的发 育模式. 试验成果同时表白: 在整个试验期间, 分凝暖端的孔隙冰压力变化平稳; 当薄弱冰层和双 冰层发育时, 冰分凝温度和孔隙水压力波动较大, 特别是在双冰层发展时, 冻结缘发育最充实, 凝暖端的温度和孔隙水压力降低幅度最大;在厚冰层构成后, 因为冻结锋面推移迟缓和冰层厚度 的不竭添加, 冻结缘厚度减小, 分凝暖端温度和孔隙冰、水压力趋于不变. 环节词: 冻结缘;冻结速度; 水分迁徙速度; 发育模式 中图分类号: 642.14 文献标识码: 引言天然界中因为地表与大气之间不竭地进行能量和物质互换, 从而影响地表温度随时间周 期的波动, 使地球中高纬度的大部门地域的土体发生冻融现象. 早在 20 世纪 30 年代, 人们就 起头了对冻胀现象的研究. 研究至今, 遍及都认为土体冻胀的底子缘由是因为冻结过程中水分 向冻土层迁徙, 并在冻结区分凝成冰, 形成土体膨胀变形. 然而, 人们对未冻水向已冻土层迁徙 的动力机制和不持续分凝冰发育纪律的研究仍处于定性的猜测之中. 本文在前人对分凝冰理论研究根本上, 操纵监测正冻土微观布局的最新研究功效, 提出不 持续分凝冰的发育模式与土体的冻结速度和水分迁徙速度有着亲近的关系. 并推导和阐述了 在冻结过程中因为冻结缘的温度场和水分场变化, 形成分凝冰发育模式的分歧. 最初通过受控 试验的反演阐发来验证不持续分凝冰的发育模式和分凝暖端温度、孔隙冰、水压力的变化, 不持续分凝冰构成机理与发育模式毛细理论起首提出冰透镜体构成前提是降服土颗粒之间的无效保持应力, 并依托吸附在 矿物颗粒概况的挪动水膜在冻结锋面处发展 构成并低估了细颗粒土的冻胀力.认识到毛细理论的不足之处, 起首提出在冻结锋面与冰透镜体之间具有未冻土向已冻土改变的过渡带, 称为冻结缘, 如图 所示.以单向冻结条 件下无盐饱水开放系统为研究对象, 平分凝冰层下由矿物颗粒骨架传送的载荷压力等于收稿日期: 基金项目: 作者简介: 1999211230. 国度天然科学基金 (49771023) 赞助项目. 李萍 (19722) 不持续分凝冰发育纪律的研究127 上部荷载压力减去中性应力, 可暗示为 可由冻结缘的孔隙冰、水压力和未冻水含量来暗示为 uw别离为压力分派系数、孔隙冰、水压力. Α通过下式计较 液量和未冻水含量与温度的关系来确定.uw 凡是采用克拉柏隆方程确定uw 为水相变释放潜热,取值为 333. 51 kJ 那么,在已具有的冰透镜下构成新冰透镜体的鉴定原则是 此时孔隙冰推开上部的土颗粒,分凝成冰. 设冰分凝温度为 可求得冰分凝时的孔隙冰、水压力别离为 为常数,别离暗示为 schem iagram rozen inge从以上阐发可看出, 猜测在土体冻结过程中下一次分凝冰呈现的位置是在冻结缘内的某一位置处. 跟着近年来科学手艺程度的成长, 成功地监测分凝冰构成的动态过程已成为 可能. 日本学者 akeda tanab le 采用高分辩率的充电联配摄像机(CCD 冰的发育过程,发此刻冻结缘中接近冻结锋面附近的区域没有跨越 30 相水充满了土颗粒之间的孔隙中;但在接近分凝冰暖端的区域发觉冰层发育, 冰的呈现,上一层老的分凝冰发展逐步迟缓, 而且冰毛细牵制中的未冻水向悬浮在冰层中的土 颗粒挪动. 他们的监测结论是未冻水可通过冰层渗入, 接近分凝冰暖端的区域视为未冻土与已 冻土的过渡带. Su 认为因为冻结锋面的迁徙速度慢于附近的土粒, 冻结锋面与附近的土粒之间发生裂隙, 未冻水侵入, 在接近土颗粒冷 端分凝成冰. 在冻结缘特征的研究中指出,有布局联系系统内分凝冰构成前提是温 差形成的能量积集或热应力大于系统的抗剪强度, 孔隙冰最容易在冻结锋面附近降服土颗粒 之间的粘聚力分凝成冰. 面临上述各概念的不合, 作者认为不持续分凝冰的发育形式与冻结速 度和水分迁徙速度有着亲近的关系. 以给定土质类型的无压饱水单向开放系统为研究对象, iagram reezingso il co lum 当土柱暖端温度恒按时,分歧的冷端初始温度和冷却速度节制了整个系统的温度场和水 分场的变化, 从而影响了土体的冻结速度和水分迁徙速度, 形成不持续分凝冰发育模式和发育 程度的分歧. 起首假设已冻土中的孔隙冰推开土颗粒分凝成冰并与土体一路被抬起; 已冻土段 和融土段的温度沿土柱标的目的呈线性变化; 忽略自在热对流的影响, 热流自下向上传送并垂直于 冻结锋面. 按照能量守恒道理, 冻结缘内的热流均衡可暗示为 别离为土柱冷端、冻结锋面和暖端的温度, 为冻结缘内的平均含冰量,可由土体的初始含液量和冻结缘内未冻 水含量与温度的关系确定, 为冻结锋面的推移速度,记为 isf敏捷增大, 随温度的降低减小.由于分凝冰与土体之间的粘接可视 为刚性连接, isf的和取为冰体迁徙速度 即土体的冻胀速度.暗示为 不持续分凝冰发育纪律的研究129 isf.按照冻结缘中水分迁徙的均衡道理, 在冰分凝暖端用于构成分凝冰的水量应等于水在冻 结锋面处的迁徙量加上在冻结缘内未冻水的削减量, 表达为 rcy定律在一维均质不成压缩土体中的流动确定, 表达为 uw 忽略冻结锋面处的孔隙冰压力,式(11) 中冻结锋面处的孔隙水压力 uw 和式(10) 能够看出土柱在冻结过程中, 冻结速度是影响分凝冰构成的主要因子. 它通过节制整个系统的温度场变化, 来影响融土区水分向冻结锋面迁徙速度. 当土体起头冻结 土柱中的温度梯度较大,系统处于极不不变形态, 融土区的水分来不及向冻结锋面处迁徙, 冻结锋面曾经向融土段快速迁徙, 此时土体中的孔隙水原位冻结, 无法构成冻结缘和分凝冰; 跟着温度梯度的逐步减小, 系统可处于短暂的不不变均衡阶段, 量的水分可临时堆积在冻结锋面附近,随不不变均衡形态的粉碎, 冻结锋面在向前推移的同 这些水分只在本来的冻结锋面附近分凝成菲薄单薄冰体,称为薄弱冰层发育模式; 当系统处于 局部的不变均衡形态或准静态均衡形态时, 跟着 的增大,冻结锋面在迟缓前移 过程中冻结缘的厚度逐步增大, 同时冻结锋面附近的水分持续向冻结缘内迁徙. 因为从冻结锋面到分凝暖端温度是逐步降低的, 未冻水膜管道也响应地由粗变细. 由流体力学知, 未冻水膜管核心的水流速最大, 接近膜管壁的水流速最小, 那么未冻水迁徙速 度将逐步减小, 势必在迁徙到冻结锋面后部接近分凝冰暖端的某一位置处遏制流动并起头分 凝成新冰层. 此时, 在冻结缘中有分凝暖端的老冰层和新冰层同时在发展, 老冰层发展速度迅 速减小, 新冰层敏捷发育, 这即是双冰层发育模式; 当整个系统的温度场和水分场处于不变平 衡形态时, 分凝冰暖端的冰层发育充实并不竭增厚,冻结锋面逐步停 止推进, 冻结缘厚度逐步减小, 此时是分凝暖端构成的厚冰层发育模式. 在天然界中, 常能够看到一些冻地盘区的土体受气温变化的影响, 在地表附近以下, 土体 虽然冻结但未发觉成冰现象, 跟着地表深度的添加, 起首看到的是呈片状的零散的冰透镜体, 然后才能看到不持续的层状分凝冰具有. 这些现象可证明上述理论阐发中的薄弱冰层和厚冰 层发育模式, 但因为天然界中地表以下的土体分凝时的动态过程难以监测到, 无法查验能否有 双冰层的发育模式. 因而, 可通过受控试验来验证不持续分凝冰的发育模式, 同时可获得试验 期间分凝位置、温度和冻结缘厚度的变化, 冻结速度和水分迁徙速度随时间的变化及分凝冰形 成时的孔隙冰、水压力值. 130 试验前提与方式试验以无盐和无压前提下饱水正冻土为研究对象, 采用的土样为徐州粘土. 试样的制备和 安装可参考作者以前的研究 此次试验在上次试验根本长进行改良,添加分凝冻胀显著处的 热敏电阻温度计, 使沿试样 cm高度每 mm安插一电阻, 并使样品四周的聚酯泡沫保 温层厚度增为 12 cm 以包管试样受单向冻结和温度沿纵断面呈线性变化.样品的干密度和初 始含水量别离为 56g/cm 40%.用三轴试验安装与热电偶法别离测得试样饱水时的导湿 系数和冻结温度别离为 45.操纵核磁共振手艺测得未冻水含量与温 17. 840 (13)考虑到试样在冻结过程中的冻结速度受初始冷端温度和冷却速度的分析影响, 经回归统 计阐发, 为模仿地中的热流,试样暖端的温度固 定为 1摆布. 试验持续时间为 72 在此期间按时观测冻结锋面的位置,待试验竣事后在低 温室对试样纵断面制造复形膜. 复形膜反映了试样在冻结过程中构成的冷生机关, 采用图像数 字化手艺对复形膜处置, 可统计阐发获得每一层分凝冰与土的厚度和位置, 然后进行反演分 反演阐发的理论根据是每个时间段分凝冻胀量应等于该时间的分凝冰层厚度,按照最初形 成的分凝冰层和冻结锋面的位置及由数据采集仪获得的冻胀量材料, 推算上一层分凝冰构成 的时间和响应的冻结锋面的位置. 顺次类推, 便可获得试验期间每一层分凝冰构成的时间、位 置和温度等材料. 因为试验中不考虑上部荷载的感化, 验证不持续分凝冰发育模式的尺度是在 上一层分凝冰构成后和下一层分凝冰构成前, 若在冻结缘中接近分凝暖端处土颗粒之间的有 效应力等于 则属双冰层发育模式.不然, 属于薄弱冰层和厚冰层发育模式. 试验初始鸿沟温度前提Table boundary tem pera ture con tests 试验号冷端初始温度/ 冷却速度/h 24.11 20. 76 24. 51 20. 17 20. 18 20. 09 试验成果会商复形膜反映了土样在冻结过程中的微观布局, 可看出,试验 的分凝冰在冻结过程中发育较不变, 次要以薄冰层发育为主; 的分凝冰在从微层状向厚层状过渡时发育极不服均.形成 次试验微观机关差别的缘由是试验的初始冷端温度和冷却速度决定试样的冻结速度,从而影响了水分迁徙速度和分凝冰发育形式. 以试验 为阐发对象,按照冻结 面的观测材料、反演阐发成果和式(11) 计较成果, 能够获得图 表白,试验起头时, 冻结锋面的迁徙速度弘远于水分的迁徙速度, 构成全体状机关; 不持续分凝冰发育纪律的研究131 duplica ted spec im en reezingra te rate igra lapsed 结速度跟着冻土段长度的添加而减小并逐步不变下来;在冻结速度的影响下, 水分迁徙速度逐 渐增大并跟着冻结锋面的不变而不变. 由于土体在冻结过程中温度场和水分场在变化的同时也伴跟着应力场的变化, 已冻土中 孔隙冰、水应力场的重分布是形成土体变形粉碎的间接缘由. 采用 提出的分凝冰构成机理, 那么在上述试验前提下, 按照式 13)和含水量的测定, 可确定式 次试验的分凝暖端温度和孔隙冰、水压力变化.基于反演阐发和不持续分凝冰的判断原则, 经统计将 次试验在冻结速度影响下不持续分凝冰的发育模式、分层数、厚度及冻结缘厚度变化列于表 阐发,可发觉 试样在冻结过程平分凝冰的发育模式与 属薄弱冰层发育形式; 的成果表白:在整个试验期间分凝暖端孔隙冰压力变化比力平稳且其值远小于该处孔隙 132 ratu re pore ice stre ss rmend segrega lapsed istica results backana ly tests 试验号 分凝模式 分凝冰层数 分凝冰厚度/mm 冻结缘厚度/mm 18.22 18. 5252~ 72 15.16 15. 16~ 40 40~ 72 10.88 10. 88~ 31 31~ 72 薄弱冰层 双冰层 厚冰层 薄弱冰层 双冰层 厚冰层 薄弱冰层 双冰层 厚冰层 1330 10 1415 水压力的绝对值; 在薄弱冰层和双冰层发育期, 冰分凝温度和孔隙水压力波动较大, 特别是当 双冰层发育时, 分凝暖端温度和该处的孔隙水压力降低幅度最大; 在厚冰层构成期, 这三者基 本达到不变形态, 此时因为冻结缘厚度的减小, 分凝暖端的孔隙水压力接近于冻结锋面处的孔 隙水压力. 该阐发成果与 akeda tanab le 提出在冻结缘中几乎没有大粒径孔隙冰具有 的概念相吻合, 同时也证明了当冻结缘发育不充实时在利用克拉柏隆方程时可忽略孔隙冰压 力的影响. 结论 本文通过受控试验的反演阐发验证土体在冻结过程中因为冻结速度和水分迁徙速度的影 种发育模式.在整个试验期间, 隙冰压力变化平稳,当薄弱冰层和双冰层发育时, 冰分凝温度和孔隙水压力波动较大, 特别在 双冰层发展时, 冻结缘发育最充实, 分凝暖端的温度和孔隙水压力降低幅度最大. 当厚冰层形 因为冻结锋面推移迟缓和冰层厚度的不竭添加,冻结缘厚度减小, 分凝暖端温度和孔隙 冰、水压力趋于不变. 不持续分凝冰发育纪律的研究133 vere dynamic rost dam age poro solid radaySo 1961,57: 1541~ 1551. seconda ry rost eaving Sweden: logy akeda, icro st ruc tu re reezingso ils round ing97 terdam lkem 1997.171~ 178. tanable izoguch Ishizak imen ta icro st ruc tu re nea soil round reezing97 terdam lkem 1997.187~ 192. Sug ita Ishizak ukuda racte istic soil st ruc tu re rozen so ils round reezing97 terdam lkem 1997.165~ 169. 王家澄,张立新, 北京:科学出书社, 1995. 26~ 31. 180.操纵图像数字化手艺阐发冻结缘特征[J 冰川冻土,1999, 21 Growth Pa ttern iscrete Segrega iach en oxia tmen ivil nginee ing,Gan su logy, tate Key abora rozen So il nginee ing,Co ld egio nviro nm en ta nginee search stitu te, inese Science rowth tern iscre te ice leth icelay, du icelay thick ice lay readvan ced deduced ow luen ce rate rate igra soil rowth tern iscre te seg rega reve lysis rolled te st ile,th resu lt test lsoshow ed th pore ice st re ss rmen segrega icech gedsm oo th ly hole test ithth rowth leth icelay icelay, ice seg rega ratu re pore stre ss icula ly,du rowth icelay, th rozen adth stsu ff ic ien rowth ratu re rmen segre2 ga pore stre ss adth stva lu form thick ice lay, th ratu re rmen segrega pore ice stre ss stab ilized e2cau se rate, th ick en icelay rozen ge.Key word segrega rozen rate; ra te igra rowth tern

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