冰透镜体

武汉岩土所冻胀理论研究获进展
更新时间:2019-12-12 13:38 浏览:59 关闭窗口 打印此页

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。/ 更多简介 +

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于北京,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大坚持“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大秉持“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

  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,导致冻土体积膨胀即冻胀。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。

  中国科学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。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。将总冻胀速率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。膜内的水压力梯度,驱使着膜内水分的运动,冻胀发生时孔隙处水分流进冰透镜体表面未冻水膜内部,膜内的水分运动则意味着有水压力降低,这部分水流产生的水力阻抗即冰透镜体界面水力阻抗。界面阻抗产生的物理前提是冰透镜体具有一定抗剪强度,保证界面处冰透镜体在表面压力不均匀产生剪应力的情况下还能保持稳定。然而在传统冻胀模型中,大部分情况下忽略了冰的抗剪强度,将冰视作一种黏度很大的流体,冰可以被视作流体两个因素:1、冰的强度-平均主应力曲线是抛物线,在平均主应力较大时冻土抗剪强度降低;2、冻土的流变性使得长期强度远低于瞬时强度。但是在一般的冻胀过程中,上部荷载并不十分大,冻胀发生的特征时间较短,因此须将冰当做能承受剪切力的固体并由此推导出冰透镜体界面阻抗。

  上述工作得到国家自然科学基金重点(51239010)及面上等项目(41572293,11372078)的资助。

  论文信息:周家作,韦昌富,魏厚

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