土体冻结过程的冰-水压力变化及其冰分凝过程研究

In cold regions, frost heave and thaw settlement are the two uppermost hazards generally causing significant damages during engineering construction and operation. Segregation ice formation is the essential factor resulting in frost heave and thaw settlement deformations. Investigations of ice-water pressure variations are the main contents and means to reveal the ice segregation process. In the current project, the ice-water pressures of silty clay along Qinghai–Tibet railway will be measured during the soil freezing under different boundary conditions and soil samples status. Temperature, water intake, water content, pore water pressure, matrix potential and the surface displacement will also be measured; meantime, the location, thickness and interval of segregation ice will be recorded by visualization technique. The ice-water pressure change rules and its affecting factors can be determined through comparative experimental study. Base on the ice-water pressure changes, the ice segregation process can be first determined, and then the generalized force of water migration can be obtained, finally the generalized Clausius–Clapeyron equation can be developed. This project is expect to provide theoretical basis for accurately predicting frost heave and thaw settlement deformations by focusing on ice-water pressure changes and ice segregation process.

冻胀和融沉是寒区工程建设两个最主要的病害，给寒区工程建设及运营带来了极大的危害。分凝冰的形成是导致冻胀和融沉变形最根本的原因，而冰-水压力变化研究是探寻冰分凝过程的重要内容和手段。为了研究土体冻结过程中的冰分凝过程，本项目选择青藏铁路沿线的粉质粘土作为主要研究对象，拟开展不同边界条件及不同土样状态下土体冻结过程中的冰-水压力测试试验。在试验过程中，实时监测温度、补水量、含水率、孔隙水压力、基质势及变形量等参数，并对冻结过程中成冰典型的试样进行实时可视化观测，从而确定冰透镜体的位置、厚度和间隔，以利于数据的综合分析。通过试验对比获取土体冻结过程中的冰-水压力变化，以及关键因素对其变化过程的影响程度，并在此基础上确立土体冻结过程中冰分凝形成的力学过程，及其导致水分迁移的广义力，并修正广义克拉伯龙方程，从而为冻胀和融沉变形的精确预报提供理论基础。

冰分凝是导致冻胀和融沉变形最根本的原因，而冰-水压力变化研究是探寻冰分凝过程的重要内容和手段。该项目基于孔隙水压力测试技术，系统地研究了土体冻结过程中的冰分凝过程。研究进一步改进了土体冻结过程中的孔隙水压力测试方法，并进行了系统的标定；试验研究发现土体冻结过程中的孔隙水压力受多重因素的影响，主要包括温度、补水条件、土质、初始含水量和深度等；在此基础上，研究获得了土体冻结过程中的孔隙水压力变化模式，其随温度下降一般经历先增加、后大幅下降及略有抬升三个阶段；研究最后修正了广义克拉伯龙方程，考虑了相变和荷载的双重作用的共同影响；此外，研究明确了土体冻结过程中冰分凝形成的初始条件以及导致水分迁移的广义力表达式。综上，项目研究成果为下一步冻胀和融沉病害预报提供了重要的数据支撑和技术参考。在项目的资助下正式发表SCI2篇，EI2篇。依托本项目申请到后续科研项目1项。项目资助经费24万元，结余经费将用于本项目后续研究和成果发表。