土壤冻胀离心模型试验中水热过程比尺规律的研究

Compared with the traditional physical model test, centrifugal modeling test can simulate the long time process of soil freezing with full-scale stress in a short time. However, scaling laws and similitude conditions of thermo dynamics of freezing soil in geotechnical centrifugal modeling are still not completed, which has become an uncertain factor in quantitative analysis of frost heave by centrifugal technique. The process of consistency in position and time of segregation ice under centrifugal field is the key to reveal the process of thermo dynamics and frost heaving mechanism. Continuously freezing saturated soil experiments without external loads will be carried out by cold regions engineering centrifugal modelling facility. By applying PIV technology, thermo dynamics and evolving rules of segregation ice can be obtained quantitatively, and the scaling laws of frost have in centrifugal modeling can be verified. According to the binarization images of freezing soil in tests, the similitude conditions of segregation ice under different centrifugal accelerations can be purposed. Basing on similarity theory and theory of thermo dynamics of freezing soil, the similitude conditions of moisture migration in soil during freezing can be explicit. This study is expected to reveal the process of moisture migration in freezing soils under centrifugal field, which will provide theoretical basis for frost heave problems by geotechnical centrifuge modelling.

在研究土壤冻胀问题时，土工离心模型试验在时间效应和应力全等型模拟方面较传统物理模型试验更具优势。然而，现有的相似准则忽略了水热过程的相似性，导致冻胀定量分析存在不确定因素。对分凝冰演化过程的测试，可以揭示离心力场下正冻土冻胀发展机理，分析水热过程的比尺规律。本项目利用申请人团队研制的寒区工程冻融离心模拟成套设备进行无外载饱和正冻土的离心模型试验，采用土工离心机PIV图像测量技术对试验过程进行动态测试，获得不同离心加速下正冻土中分凝冰生长的演化信息，并对冻胀特性的相似准则进行验证。基于冰、土在图像中的灰度差异，利用灰度图像处理技术对冰分凝作用进行全时描述，在此基础上结合相似理论及冻土水热过程理论，明晰离心力场下正冻土水热过程的比尺规律。通过本项目的研究，可进一步揭示离心力场下正冻中的水分运移机理，为土壤冻胀问题的离心模型试验研究提供技术支撑。

在研究涉及土壤冻胀的具体工程问题时，往往涉及极端低温与其他复杂条件，而低温过程通常伴随着大跨度、长时间的土壤与大气的热辐射、热对流交换作用。利用土工模型试验的相似性原理，可以实现短时间内模拟工程原型的大跨度、长时间低温过程。尽管国内外一些学者开展了类似研究，实现了超重力场下土壤的降温、冻结过程，但在水热过程的相似性方面的研究并不充分，导致相关定量分析存在不确定因素；同时，对超重力场下土体表面的热对流、热交换效应认识仍然不足。.针对上述问题，本项目通过科研攻关，在以下方面取得突破：.一是深化了超重力场下土体表面的热交换特性。采用理论分析、数值模拟等手段，剖析了超重力场下采用半导体制冷装置，土壤表面的换热特性，得到了常用模型率N（试验重力加速度）条件下土壤表面的温度变化规律，给出了土壤表面温度变化的时效性，以及不同冷热面间距条件下土壤表面的热通量变化特性。在此基础上，探讨了夹层空间的温度分布及对流换热机理。二是改进了土壤冻胀离心模拟设备。基于热对流交换原理，在半导体热交换装置的基础上，追加了超重力场空气内循环装置，提升了超重力场土体与热交换板夹层空间的对流换热效率。考虑到季节性冻土地区敞开系统中呈现的“湿-干-冻-融”耦合循环的水热过程特点，完善了水分补给功能，利用空压进气、排气原理，实现了超重力场下模型饱和土壤预定水位的自动补水。三是明晰了超重力场下土壤劣化效应的水热过程。以我国寒冷地区引水渠道工程为原型，开展了渠道水热过程的离心模型试验。试验结果表明，“湿-干-冻-融”耦合循环作用诱发模型渠道表面裂隙不断拓展。这一过程中，基土水热过程加剧，表现为渠水入渗深度不断增大，入渗量逐渐减小，土体冻结速率和融化速率呈上升趋势。