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冻土中分凝冰的试验研究

归档日期:10-19       文本归类:冰分凝      文章编辑:爱尚语录

  对分凝冰现象的研究是理解冻土中各类复杂现象的关键。分凝冰是土冻结过程中水分迁移的结果,是冻胀量的内在体现,分凝冰量的多少决定着土体冻胀量的大小。为研究土体冻结过程中分凝冰的形成规律,本文在实验室内通过高低温交变箱试验模拟了试样在不同边界条件下的单向一维冻结过程,根据对冻结过程中试样的温度场、位移场以及试验结束后测得的含水率分布规律所进行得分析,得到了分凝冰的形成规律。本文的主要研究内容包括:(1)进行了试样在水分场、温度场及应力场三场耦合条件下的一维连续冻结试验,根据试验过程中温度传感器、位移传感器所采集的数据和实验结束后对末透镜体的测量数据,得出了末透镜体形成的时间及厚度,通过对末透镜体的形成过程以及实拍图片进行分析,得到在三场耦合作用下分凝冰的形成规律。(2)为研究在上覆荷载作用下,线性降温模式对分凝冰形成规律的影响,选取了三个冷端初始温度,三个上覆荷载进行正交试验,比较分析了每个试验条件下试样内部温度场的变化规律、冻结锋面随时间的推进规律、冻胀量的变化规律以及水分的迁移情况,得到了在线性降温条件下分凝冰的形成规律。(3)对比研究了试样在恒温冻结模式下、线性降温模式下以及间歇降温模式下试样内部的温度场、位移场以及水分场的重分布规律,通过分析三种冻结模式下的分凝冰厚度及实拍分凝冰图片,得到了不同冻结模式下分凝冰的形成规律。本文研究表明,在连续冻结模式下,分凝冰的演化过程分为三阶段:第一阶段由于冻结锋面推进太快,孔隙水原位冻结,不形成分凝冰;第二阶段,冻结锋面向下移动变慢,产生不连续的微量分凝冰;第三阶段,由于冻结锋面向下发展趋于稳定,补给水有充足的时间运动到冻结锋面后方,在负温度作用下形成分凝冰,称之为末透镜体。末透镜体的形成规律是:含水率相同时,上覆荷载越小,温度梯度越大,末透镜体的厚度越厚,形成时间越早。试样在三种模式冻结条件下产生的分凝冰均为分层分凝,且从上往下分凝冰层越来越厚,越靠近冻结锋面附近分凝冰层数越多。在施加上覆荷载的对比试样中,上覆荷载越大,分凝冰量与冻胀量越小,最底一层分凝冰离试样底部距离越大,这是由于上覆荷载的增加使得分凝冰的生长与发育比较困难,需要同时克服内部土压力和上覆荷载,导致分凝冰量减少。对恒温冻结模式、线性降温模式及间歇降温模式,从试样顶端至底端,含水率呈先增大再减小的趋势,最大含水率出现在冻结锋面稳定后末透镜体出现的位置。通过对三种冻结模式完成后试样的内部温度变化曲线、冻结锋面推移曲线、冻胀量变化曲线、含水率变化曲线以及末透镜体厚度的分析,可得间歇降温冻结试样的末透镜体厚度与冻胀量最小,冻深最浅,含水率分布范围也最小,故间歇降温方式是最有效的控制分凝冰厚度及冻胀量的冻结模式。

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