武汉岩土所冻胀理论研究获进展—新闻—科学网

 
作者:高雅丽 来源:中国科学报 发布时间:2018/5/14 9:16:20
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武汉岩土所冻胀理论研究获进展

 

本报讯 近日,中科院武汉岩土力学研究所研究员韦昌富团队在不同压力、边界温度、初始土样高度条件下,对饱和粉土进行了冻胀试验,研究了温度梯度、冻结速率、土样高度和压力对冻胀的影响。该研究工作得到国家自然科学基金重点及面上等项目的资助。

韦昌富介绍道,细粒土在冻结过程中,未冻土中的水分在“冻吸力”作用下向冻土中迁移并冻结,导致冻土体积膨胀。冻胀可能会影响季节性冻土区的道路、管道等工程的变形,也可能使得采用人工冻结法施工的隧道、矿井的冻结壁发生变形。目前关于冻胀的理论模型多有物理含义不清、参数难以测量等问题,对于提高冻胀机理的认识和促进工程应用仍有较大局限。

在该项研究中,当土中温度变化很缓慢时温度场可视为准稳态,冻胀速率与温度梯度成正比例增长关系,其比例系数随着压力增大而线性减小;冻土中温度变化较快时,冻胀速率还与冻结速率有关,总冻胀速率可以分解为准稳态冻胀速率与瞬态冻胀速率。准稳态冻胀速率与压力和温度梯度有关,瞬态冻胀速率与压力和冻结速率有关;冻结速率与土样尺寸有关,将冻结速率与土样高度的比值定义为比冻结速率。

当压力一定时,瞬态冻胀速率与比冻结速率呈幂函数增长关系,增长率随着比冻结速率增大而变小;当比冻结速率一定时,瞬态冻胀速率随着压力增大而呈双曲线形式衰减。通过数值方法求解温度场,可得比冻结速率和温度梯度,再结合压力条件即可计算任意时刻的冻胀速率,从起始冻胀时间开始将冻胀速率对时间积分可以计算出冻胀量。

根据预融动力学理论,研究人员推导了考虑冰透镜体界面水力阻抗的冻胀理论模型。“传统冻胀理论模型通常在预测冻胀速率时偏大,这是因为在计算时未考虑冰透镜体界面处水分从孔隙处流到未冻水膜内受到水力阻碍。” 韦昌富说。(高雅丽)

《中国科学报》 (2018-05-14 第5版 创新周刊)
 
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