土体单向冻结水分迁移试验研究

摘要

土体冻结过程中，土体中的水分会产生迁移，这会产生冻胀，进而对其上部建筑物造成破坏并带来严重的经济损失。本文基于国内外已有的关于土体冻结过程中水分迁移的研究，对在无荷载和有荷载条件下，土体在冻结过程中水分迁移的特征及温度场的变化规律进行了系统的分析，主要研究的内容包括:
　　1)研究了在无荷载作用条件下，土试样的初始含水率、冻结温度及供水的含盐率对开放土试样冻结过程的影响;研究了温度变化率对封闭土试样冻结过程的影响;比较了开放和封闭土试样的冻结过程的差别。系统地对冻结过程中，土体中水分迁移的特征和温度场的变化规律进行了探讨，得出了在无荷载条件下，上述因素对已冻土水分分布规律的影响。
　　2)研究了在有荷载作用条件下，土体的初始含水率、静荷载大小及供水条件对土体单向冻结过程的影响，系统地对上述三种因素下冻土中温度和水分分布的影响进行了分析，得出了在静荷载作用下，冻土中水分的迁移规律。
　　3)研究了降温模式、初始含水率及土质等三种因素对土试样冻结深度的影响，系统地对上述因素下土试样的温度场和水分分布及土试样的冻结深度的影响进行了分析。
　　研究结论表明，对无荷载情形，随着初始含水率的增大，开放试样的整体水分迁移量逐渐减小。由于冻胀作用，在冻结过程中，会出现部分未冻水向下迁移且“溢出”的现象，最终导致土试样整体质量减少。对无荷载情形，随着最低冻结温度的降低，封闭土试样冻结后含水率变化范围随着增大，土试样的温度也会较快达到稳定值。随着温度变化率的减小，封闭土试样含水率的峰值面会向冷端移动，且含水率峰值面处的含水率会有所增加。随着供水中含盐率的增大，土试样含水率峰值面处的含水率也呈增大趋势。对开放和封闭土试样的比较发现，开放土试样的冻胀量明显高于封闭土试样。对有载荷情形，随着初始含水率的增加，土试样总的水分迁移量减小。随着荷载值的增大，土试样中总的水分迁移量随着减小。快速降温型降温模式的冻结效果最为明显，其对应的封闭土试样的冻结深度最大。随着初始含水率的增大，土试样的冻结深度增加。对相同的初始含水率，河砂比砂土和黏土的导热性好，故其冻结深度最大。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 课题来源及其研究目的和意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 课题研究的目的和意义

1．2 土体在冻结条件下水分迁移的研究现状

1．2．1 室内冻结土体水分迁移理论的研究

1．2．2 室内冻结土体水分迁移试验的研究

1．3 目前室内土体水分迁移试验研究存在的不足

1．4 本论文的主要研究内容及研究思路

第二章 水分迁移的基本理论

2．1 引言

2．2 水分迁移的动力与原理

2．2．1 水分迁移动力

2．2．2 土水势及其主要分量

2．3 部分热交换系数

2．3．1 导热系数

2．3．2 相变热

2．3．3 容积热容量

2．4 冻土中影响未冻水含量的主要因素

2．4．1 不同土质对未冻水含量的影响

2．4．2 盐溶液浓度对未冻水含量的影响

2．4．3 外界荷载对未冻水含量的影响

2．4．4 土体冻结和融化过程对未冻水含量的影响

2．5 影响水分迁移的主要因素

2．5．1 土的颗粒和矿物成分对水分迁移的影响

2．5．2 初始含水量对水分迁移的影响

2．5．3 水分补给对水分迁移的影响

2．5．4 渗透系数对水分迁移的影响

2．5．5 干密度对水分迁移的影响

2．6 水分迁移过程中的伴生现象

2．6．1 冰分凝及土层构造的变化

2．6．2 冻结后土层结构构造变化

2．7 本章小结

第三章 正冻土在无荷载作用下水分迁移的试验研究

3．1 引言

3．2 水分迁移动力

3．2．1 土体中水的形态与能态

3．2．2 土水势的影响因素

3．3 试验设备

3．3．1 高低温交变试验机

3．3．2 其他试验仪器

3．4 试验方案

3．4．1 调查取样

3．4．2 试验设计

3．4．3 试验方法及步骤

3．5 实验结果分析

3．5．1 初始含水率对开放土试样中水分迁移的影响

3．5．2 冻结温度对开放土试样中水分迁移的影响

3．5．3 温度变化率对封闭土试样中水分迁移的影响

3．5．4 供水条件对土试祥中水分迁移的影响

3．5．5 供水的含盐率对土试样中水分迁移的影响

3．6 本章小结

第四章 正冻土在静荷载作用下水分迁移的试验研究

4．1 引言

4．2 在静荷载作用下土体冻结试验内容

4．2．1 试验设计

4．2．2 试验方法及步骤

4．3 试验结果分析

4．3．1 初始含水率对封闭土试样在冻结过程中温度场的影响

4．3．2 初始含水率对封闭土试样在冻结完成后水分场的影响

4．3．3 静荷载对开放土试样在冻结过程中温度场的影响

4．3．4 静荷载对开放土试样在冻结完成后水分场的影响

4．3．5 供水条件对土试样在冻结过程中温度场的影响

4．3．6 供水条件对土体在冻结完成后水分场的影响

4．4 本章小结

第五章 土体单向冻结过程中各因素对冻结深度的影响

5．1 引言

5．2 土体冻结深度实验内容

5．2．1 试验设计

5．2．2 冻缩现象

5．2．3 试验方法及步骤

5．3 试验结果分析

5．3．1 不同降温模式对土体冻结深度的影响分析

5．3．2 不同初始含水率对土体的冻结深度的影响分析

5．3．3 不同土质对土体冻结深度的影响分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者攻读硕士学位期间已发表或录用的论文