垂直冻结锋面人工冻结过程未冻水迁移规律研究

发布时间：2020-10-09 08:27

　　人工冻结法施工后土体水分重分布现象是冻结过程中未冻水迁移造成的。目前的研究集中于模拟自然冻结条件下未冻水的迁移,对于人工冻结条件下未冻水的迁移研究较少。区别于自然水平冻结锋面自上而下的自然冻结方式,人工垂直冻结锋面往往在水平方向上推进。本文针对人工冻结土体中未冻水的迁移特点,采用模型试验的方式,将控温板布置在水平方向上,水平方向上冻结土体。选择单向补水和两端封闭两种冻结方式,模拟布置单圈和多圈冻结管时未冻水的迁移。本文利用核磁共振设备结合水分传感器得到了冻结过程中未冻水含量的实时变化。获得成果如下:(1)分析了所用徐州粉质黏土的基本物理参数,包括密度、颗粒级配、饱和含水率以及塑、液限。利用核磁共振设备及水分传感器进行了冻结特性试验,得到了徐州粉质黏土的起始冻结温度和冻结特征曲线,并提出了基于饱和土冻结特征曲线的非饱和土冻结特征曲线,得到了初始含水率从塑限到饱和范围内,徐州粉质黏土经验系数的取值公式及其冻结特征曲线。(2)自行设计了冻结试验系统,模拟了单圈冻结管冻结土体过程中未冻水的迁移,开展了单向补水条件下未冻水迁移试验。通过对土体左侧冻结右侧补水的方式,获得了冻结过程中土体未冻水及温度的实时变化,划分了冻结过程中土体各个位置处所经历的未冻水迁移期、原位冻结期及稳定期,并得到了对应阶段的未冻水迁移量、原位冻结量及稳定量。(3)通过两端封闭条件下未冻水迁移试验,模拟了多圈冻结管冻结土体过程中圈间未冻水的迁移:增加补水条件会明显提高未冻水迁移量,促进未冻水的迁移,并且能够达到缩小未冻水含量降低区域范围的效果;提高冻结温度会直接延缓冻结锋面推进速度,从而增加了未冻水迁移时间,提高了未冻水迁移量,并且会加大冻结后土体的水分重分布;增大土体初始含水率会导致冻结锋面推进速率下降,冻结锋面交汇时间延迟,未冻水迁移时间增加,提高未冻水迁移量,同时还能够提供未冻水迁移的充分水量,同样达到促进未冻水迁移的效果。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU445
【部分图文】：

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硕士学位论文等。由于缺乏准确的未冻水迁移规律及其对周围环境影响的预测等基础性研究，致使人工冻结法在环境要求很高的市政岩土工程及城市地下空间开发中未能得到大规模的推广应用，该问题急需进一步的深入研究。1.2 研究目的和意义（The Purpose and Significance of the Study）冻结过程中或冻结后，土中所发生的水分迁移现象之所以受到人们的注意，是因它在不同程度上改变了土中水的相变以及由此产生的应力和位移的强度和速度。土在冻结过程中未冻水向低温的冻结面迁移，产生冻胀，引起土体膨胀、地表不均匀隆起，而常常会给各种工程建项目带来严重破坏。如人工冻结法施工过程中存在着由于水分重分布带来的土体冻胀变形，尤其是在基础工程、基坑支护、开凿矿井、挖掘隧道、修建地铁联络通道和出入通道等工程中[16-17]，另外，对于未冻水迁移的研究对冻结工程设计和施工以及冻结法施工在实际工程中的应用提供理论支持，并对工程中所采用处理及防治冻害手段提供有价值的参考。

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为冻土未冻水迁移多元化的研究奠定了基础。程国栋[22]（1983）以青藏高原多年冻土为研究对象，对多年冻土区地下厚层分凝冰的成因进行深入研究，在成冰机理方面取得了突破性进展。后来对于未冻水迁移的试验研究大多集中在分析未冻水迁移的影响因素方面。如温度场、初始含水率、干密度、水分补给条件，甚至是土的颗粒成分和矿物成分。所以到目前为止，大多数的水分迁移试验研究都是以模拟在自然冻结状态下的室内试验为主，通过控制不同上下端面的温度梯度、补水条件以及相关的边界条件和初始条件对迁移运动的特性进行探究。在冻结一段时间后，再分层测量每层含水量，用所得的含水量变化来反映未冻水的迁移规律。这些试验的结果虽然具有一定的规律性，但同样存在一定问题，一方面烘干法测量含水量是发生在冻结完成之后，未能在冻结过程中实时监测未冻水的变化，对未冻水的实时监测仅在最近几年才开始[31-32]。另一方面，所有未冻水迁移试验都是模拟自然冻结条件下未冻水迁移，设计时冻结自上而下，冻结锋面是一个水平面，而人工冻结法施工中形成的是垂直冻结锋面，根据未冻水迁移是朝着冻结锋面进行的结论，在人工冻结过程中，未冻水迁移与自然冻结条件下截然不同。

【参考文献】