冻胀应变模型
浅谈冻胀模型分析发展
浅谈冻胀模型分析发展范存辉高修海(中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州221000)应用科技脯要】冻胀是^工和天然冻土工程建设遇到的主要危害，能够较准确地预泖1给定环境下冻土土体的冻胀量及温度、位移等指标是成功解决冻胀危害的先决条件，故能否建立合适的模型对冻土分析有及其主要意义。
眵；键闭冻土；冻胀模型1冻土研究意义人类大规模开发地下空间、利用深部能源必然要建设大量的地下工程，这一地下工程所遇到的大多为含水、软弱、破碎、强度低、稳定性差的岩土地层。
采用常规工法麓工难度大，时有事故发生，基坑事故发生率高达20％一30％，而且随着工程规模和深度的加大，阃题更加突出。
因此，在特别复杂的地层及环境条件下，隧道、城市地铁、超深基坑等工程需要可靠的施工方法。
2冻胀理论研究现状国内外对冻土冻胀问题的研究起源于寒区资源开发，研究方向集中于冻胀的影响因素、冻结过程中水热迁移规律、冻土的冻胀规律以及冻胀模型的建立和冻胀预测等方面。
其中，冻胀的发育机理及其控制对策始终是土壤冻结研究中的一个核心问题。
近50年来，国内外对冻土冻胀问题的研究，揭示了大量冻结及冰分凝、冻胀过程中的现象，基于理论和试验研究，提出了经验公式、第～冻胀理论(毛细理论)、水动力模型、第二冻胀理论(冻结缘理论)、刚性冰模型、分凝势模型、热力学模型等大量冻胀胡理勰释理论和模型，研究方向朝着微观、细观探索水分迁移机理和成冰机制方向发展，并且引入了能量、质量和动量平衡观点，取得了大量的研究成果。
冻胀模型是科研人员基于对冻胀的认识水平，提出的定量描述和解释冻胀现象主要特征的各种变量之间的关系式。
根据所依据的冻胀理论的不同，可以将冻胀预测模型分为四大类：第一冻胀理论模型，第二冻胀理论模型，熟力学模型和水动力模型。
第一冻胀理论认为土体中发生的所有冻结均引起冻胀量的发展，并认为冰透镜体生长于冻结锋面处，把认为泳透镜体形成于冻结锋面处的模型称之为第一冻胀模型，该模型自提出后，曾～度被广泛接受，但它不能解释冻土中不连续冰透镜体的形成。
人工冻结黏土冻胀特性试验研究的开题报告
人工冻结黏土冻胀特性试验研究的开题报告1.研究背景随着工程施工规模的逐步扩大，带来的冻融循环造成的损坏和影响是不可避免的。
其中黏土冻胀是造成地面破裂、路面坑洼、建筑物倾斜等问题的主要原因之一。
因此，为了保证工程的稳定和安全，对于黏土的冻胀特性进行深入研究和分析显得十分必要。
2.研究目的本研究的目的在于：1）探讨不同冻结温度、冻结时间和含水率对黏土冻胀特性的影响；2）确定黏土冻胀的影响因素及其相应规律，为工程设计提供参考。
3.研究方法本研究将采用实验室试验和分析方法。
实验室试验：选取不同含水率的黏土样品，采用人工冻结方式在不同温度下进行冻结，测量冻结前后样品的体积、质量以及冻胀率等指标，分析不同因素对于黏土冻胀的影响。
分析方法：通过对实验结果的统计和分析，探讨不同因素的作用机理，揭示黏土冻胀规律。
4.研究意义本研究的意义在于：1）加深对于黏土冻胀特性的认识，为相关领域的发展提供支持；2）为工程设计提供参考依据，提高工程的稳定性和安全性。
5.研究内容本研究的主要内容包括：1）设计冻结装置，采集黏土样品；2）进行不同温度下冻结试验，测量黏土冻胀率、干密度、含水率等指标，记录观察冻结过程中的变化；3）统计数据并进行分析，揭示影响黏土冻胀规律的相关因素。
6.预期结果通过实验和分析，本研究预计得出以下结果：1）不同温度、时间和含水率对于黏土冻胀率的影响规律；2）揭示影响黏土冻胀规律的相关因素，为工程设计提供冻胀影响评估和减缓措施；3）建立黏土冻胀的数学模型，为相关领域的研究提供参考。
7.研究难点本研究的主要难点在于实验方法的设计和数据分析的准确性，需要进行多组实验进行验证，并进行统计学方法的分析。
8.研究计划研究计划如下：第一年1）熟悉相关研究领域，了解黏土冻胀特性的研究现状和发展趋势；2）收集有关黏土冻胀特性的文献资料，开展文献研究和综述；3）设计冻结装置和采样方案，进行样品采集。
第二年1）进行冻结试验，记录和分析数据，得出不同因素对于黏土冻胀影响规律；2）对实验结果进行分析，揭示影响黏土冻胀规律的相关因素；3）建立黏土冻胀的数学模型。
寒冷地区路基冻胀的计算模型和方法研究
第 ８卷 第 １期 ２１ ０ １年 ２月
铁道 科学 与 工 程 学 报
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＲＡＩ ＼『 ／ＡＹ Ｌ＼ ＳＣＩ ＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩ Ｅ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
ＶＯ． Ｎ０ １ １８ ． Ｆ ｂ ２ ｅ Ｏｌｌ
寒 冷 地 区路 基冻 胀 的计 算模 型 和 方法研 究
２ ｃｏｌ ｆ ｒ ｆ ．Ｓ ｈ ｏ ｏ Ｔａｉ ｆ ｃ＆ Ｔ ａ ｓ ｏ ａ ｏ ， ａ ａ ｉ ｔ ｇＵ ｉ ｒ ｔ ， ａ ａ １０ ８ Ｃ ｉａ ｒ ｐ ｒ ｔ ｎ Ｄ ｌ ｎＪ ｏｏ ｎｖ ｓ ｙ Ｄ ｌ ｎ ｌ６ ２ ， ｈｎ ） ｎ ｔ ｉ ｉ ａ ｎ ｅｉ ｉ
Ａｂｓｒ ｃ ： ｒ ｍ ｈ ｏ ｄ ｅ ｅ ｚｎ ｘ ｎ ｉｎ ｐ ｎ ｉ ｌ ｔａ ｔ Ｆ ｏ ｔ ｅ ｒａ ｂ ｄ ｆ ｅ ｉｇ ｅ ｐａ ｓｏ ｒ ｃｐ ｅ，ｔ ｅ ｆｏ ｔｈ ａ ｅｐｒ ｃ ｓ ｆｒ ａ ｂｅ ｏｌｉ ｌｓ ｉｉｄ ｉ ｔ ｒ ｉ ｈ ｓ ｅ ｖ ｏ ｅ ｓｏ ｏ ｄ ｄ ｓ ｉ ｓｃ ａ ｓｆ ｎ ｏ ｒ ｅ
在寒冷 的北方 地 区 ， 基工程 的冻胀是 造成 丧 路 失稳定 性 的破坏 主 要原 因之 一。 冻土 路基 在 冻结
复合防渗衬砌渠道冻胀破坏力学模型及数值模拟研究
复合防渗衬砌渠道冻胀破坏力学模型及数值模拟研究摘要：随着经济的快速发展和人民生活水平的提高，对防渗衬砌渠道的需求越来越大。
然而，在寒冷地区，冻胀是一种常见的地质灾害，容易导致防渗衬砌渠道的破坏。
为了研究这种破坏过程，并提出相应的防治措施，本研究基于力学原理，建立了复合防渗衬砌渠道冻胀破坏的力学模型，并使用数值模拟方法对其进行了研究。
关键词：复合防渗衬砌渠道、冻胀、力学模型、数值模拟 1. 引言防渗衬砌渠道是一种常见的水利工程结构，主要用于控制和管理水源的流量。
然而，在寒冷地区，温度的变化容易引发地质灾害，其中冻胀是一种常见且严重的问题。
冻胀是指地下水在温度下降时结冰膨胀，引起土壤体积膨胀的现象。
这种现象会导致渠道的开裂和破坏，进一步影响渠道的使用寿命和性能。
2. 复合防渗衬砌渠道冻胀破坏力学模型的建立复合防渗衬砌渠道由多层材料组成，包括外壳、衬砌和排水设施等。
为了研究其冻胀破坏的力学原理，我们基于力学原理，建立了复合防渗衬砌渠道冻胀破坏的力学模型。
首先，我们考虑渠道内部材料的破坏机理。
由于渠道内部是由土壤和水组成的多孔介质，在温度下降时，水会凝结成冰，并导致土壤体积膨胀。
我们采用弹性力学理论描述土壤体积膨胀过程，并引入孔隙水压力的概念。
孔隙水压力的增大会导致土壤体积膨胀的加剧，进而引起渠道的开裂和破坏。
其次，我们考虑渠道结构材料的破坏机理。
复合防渗衬砌渠道通常采用混凝土、钢筋和其他材料进行加固和衬砌。
在冻胀环境下，渠道结构材料也会受到冻胀力的作用。
我们采用弹塑性力学理论描述渠道材料的破坏过程，并考虑渠道结构的几何形状和材料参数的影响。
最后，我们将渠道内部材料和渠道结构材料的力学模型进行耦合，得到完整的复合防渗衬砌渠道冻胀破坏力学模型。
通过数值模拟方法，我们可以对渠道在冻胀环境下的破坏过程进行模拟和分析。
3. 数值模拟研究基于建立的复合防渗衬砌渠道冻胀破坏力学模型，我们使用数值模拟方法对渠道的破坏过程进行了研究。
寒区高速铁路路基冻胀数值模型及防冻胀措施
７ ０ 出现 在路基 基 床底层 上 部 ，并应 用有 限元 法对 不 同填 料路 基地 温 场进行 数值 计算 ，提 出使 用 改性 Ａ，Ｂ组填 料 的路 基具 有 良好 的保 温效 果 。田亚 护 等人 Ⅲ １ 胡采用有 限 元 数值 方法 分 别对 季节 性 冻 土 区 既有铁 路 和新建 高 速铁路 无砟 轨道 路基 设置 隔 热层 后 的路 基温 度场 进行 了对 比分 析 ，认 为新建 路基 在 路 基 面铺 设 厚 隔热层 和保 温 护坡措 施后 路基 的保 温 效 果 良好 ，可 以起 到 预 防路 基 冻害 的作 用 。盛岱 超
沥青 混凝土路基和保温板 ＋沥青混凝 土路 面＋碎石路基 在最 强冻胀效应 时刻 的冻胀 变形 ，保 温板 ＋沥青混 凝土 路 面＋碎石路基的冻胀变形最小’ （ 最大值 为 １ ． ３ ａｍ） ｒ ，保 温板路基 的冻胀变形 最大 （ 最大值 为 ３ ． ２ ｒ ｎ ｍ） 。建议 在 寒区高速铁路采用保温板 ＋沥青混凝 土路面＋碎石路基的结构 以尽量减小路基 的冻胀 变形 。
配碎石 冻 胀 影 响 程 度 的 大 小 为 细 颗 粒 含 量 ＜ 孔 隙
等人＿ １ ］ 通过室 内试验和有限元仿真计算 ，提出路
基 冻胀是 由于高 速列 车循 环荷 载作 用下 导致 地下 水
位 以下饱 和 地基 土 中超静孔 隙水压 力 的发展 ，进 而
率＜含水率 ，并 建议控 制级配碎石 的含水率小 于 ４ 以满足冻胀量要求 。邰博文 ，岳祖润＿ ８ 等人通 过 对寒 区 高速铁 路路 基 开展 现场 试验 ，得 出寒 区 高
速铁 路 路基 中温 度 、含水 率 与冻胀 变形 关 场 试 验 ，研 究 了寒 区高 速 铁 路
寒区混凝土结构冻胀的模拟方法研究
寒区混凝土工程冻胀性能的模拟方法研究摘要：在内蒙古地区，水工建筑物的冻胀是一个较为普遍的现象，在温度场位移模拟中，表现为坝顶位移观测过程呈“双峰”现象，这是温度升降引起的热胀冷缩与冻胀融缩联合作用的结果，与实际中情况类似。
由于物理过程复杂，混凝土结构的冻胀未见用数值方法进行模拟的。
本文研究了考虑水-冰相变的温度场的计算方法，以纤维混凝土为实验依据，从弹塑性空间出发研究分析纤维混凝土在单轴压缩情况下的力学性能，通过有限元仿真分析的方法对寒区混凝土结构进行冻胀模拟。
关键词：纤维混凝土弹塑性空间力学性能1.引言冻融破坏是寒区水工混凝土建筑物的主要病害之一。
当混凝土的孔隙率和饱和度达到一定程度之后，冬季气温降低至一定程度时，孔隙水会结冰。
由于水在由液态到固态的相变过程中，会有9%左右的体积膨胀，这个体积膨胀会在混凝土的细观尺度上引起不均匀的应力分布，局部应力超标后会引起混凝土的局部损伤。
在大体积混凝土结构的内部，由于材料颗粒之间的相互约束，冰冻仅在局部引起较大的压应力，因而一般不会引起严重损伤；而结构表面附近由于自由面的存在，冰的膨胀受约束较小，会引起平行于自由面法向的拉应力，而当拉应力超出材料的强度时，出现细观裂缝，加上结构表面一般饱和度高，冰膨胀率大，会引起相对严重的损伤。
在反复冻融作用下，结构表面会出现剥离等病害现象。
纤维混凝土与普通混凝土相比，其保水性能相当好，在28天的龄期时，普通混凝土的水迁移量达100%，而聚丙烯纤维混凝土的水迁移量只能达到38%，避免了干缩现象的影响，保持了很好的弹性性能，对于水工建筑物冻胀力学的研究。
冻融破坏一般发生在大体积混凝土的表层。
而在我国北方内蒙古寒区，水工建筑物内部的冻胀破坏是较为普遍的现象，其表现为冬季气温降至零下以后，结构尺寸不仅不随温度降低而缩小，反而出现膨胀。
建筑物的冻胀即是孔隙水结冰过程中体积膨胀的宏观表现。
由于冻胀作用破坏了局部材料的内部细微观构造，因此变形在温度再次升高到正温时一般不能恢复到0，即存在残余冻胀。
季节性冻土地区公路路面抗冻设计
季节性冻土地区公路路面抗冻设计【摘要】随着经济的快速发展，公路的建设越来越多。
但在季节性冻土地区公路路面工程冰冻损害仍比较普遍，为了延长公路路面的使用寿命，就需要加强季节性冻土地区公路路面的抗冻设计，本文就路面在冻胀力作用下的抗冻设计和路面防冻层厚度的设计进行了深入分析，希望能为以后类似的设计提供参考。
【关键词】季节性；冻土地区；路面；抗冻；设计1、季节性冻土地表层土冬季冻结，夏季全部融化的土叫季节性冻土，这些地区叫季节性冻土地区，简称季冻土和季冻区。
目前冬季冻土地区公路路面冰冻损害现象比较普遍，季节性冻土地区公路路面冰冻出现损害现象主要是由于路基冻胀使得路面产生不均匀的隆起，以此导致了路面的开裂，其公路畅通和使用寿命受到影响，为有效防止或者减少冰冻损害现象的发生，就需要对公路工程进行抗冻设计计算。
本文主要根据《公路水泥混凝土路面设计规范》与《公路柔性路面设计规范》规定，对路面抗冻设计进行了相关的分析。
2、路面在冻胀力作用下的抗冻设计冻胀是季节性冻土地区公路发生冰冻损害现象主要原因之一，其主要是受路基的影响，路面各处损害现象会随着路基各处土质的不同、密实度不同和含水量不同而不一样。
路面在不均匀冻胀力作用下会产生一定的破坏和变形。
采用简支梁的受力计算方法来计算路面材料不同冻胀力作用下的应变值，在进行受力分析时，所取的路面横向宽板宽为1米，将其简化成简支梁，其所受的力为均匀荷载，然后再建立力学模型，根据具体情况将路面产生的应变和应力计算出来，如下图所示：简支梁在均匀的荷载作用下其挠度f和应力σ计算公式分别如下：从（4）式可以得出，材料在不均匀冻胀力作用下产生的应变指比路面材料的容许应变值[εR]要小，且其大小还受路面宽度和路面厚度的影响。
式中：E为路面材料弹性模量；b为路面横向宽度；I为截面对中性轴的惯性矩；其中εs是路面材料弯曲拉应变，是根据试验来确定的；Zj为路基总冻胀值；ε为路面材料因路基冻胀产生的应变；ξ为路面不均匀冻胀系数，二级公路取0.15，一级和高速公路则取0.2；k为路面材料安全系数，其取值是根据材料均匀性、试验条件和公路等级取1.05到1.1；路面计算宽度为Bk，二级以下和二级公路一般取全宽，一级、高速公路则取的是半幅宽，多车道取得是最大值12米；Hi为路面设计厚度。
渠道衬砌结构冻胀破坏力学模型及冻胀数值模拟PPT课件
C0 mnkl
1
因此，N 可表示为
N
V* V
C* C0
1
P
1
第11页/共61页
假定2
夹杂于各向同性土中的冰颗粒具有如下性质：回转轴方向相互平行；冰 颗粒材料为各向同性材料。
横观各向同性冻土弹性模型
综合可得，对四阶张量的拉伸结果：
1 1 1 0 0 0
1 1 0 0 0
I
I
拉
1 0 0 0 0 0 0
※结论一： 与梯形渠道相比较，由 于准梯形渠道衬砌体整 体性强，并且由于垂直 段的约束，从而使坡板 与底板之间的内力相互 影响更为显著。 ※结论二： 理论分析表明，准梯形 断面比梯形断面坡板、 底板最大弯矩绝对值小 得多，这也就是准梯形 抗冻胀力强的原因之一 。
弧底梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏力学模型
（3）剪力(N：sinQd (x)RA
cos )x N cos
RA
sin
q0
x
(q0
q0 2L1
')x2
（4）从渠底板内力计 算关系式中可以
看出，渠道弯矩最大处 在渠底中
间略微靠近阴坡的地方 。
第16页/共61页
准梯形渠道受冻胀力学模型
根据静力平衡条件，建立平衡方程有：
图2-5 准梯形法向冻胀力
对称
0 0
0
1 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0
J
拉
1 0 0 0 1 0 0
对称
1 0
1
0 0 1 0 0 0
0 1 0 0 0
M
I
+
I
M
拉
2 0 0 0 0 0 0 ;
地下换热管土结构冻胀变形模拟
地下换热管土结构冻胀变形模拟白莉;王有镗;高青;江彦;李兆强【期刊名称】《农业工程学报》【年(卷),期】2016(32)18【摘要】以地源热泵技术在农业节能领域中的应用为研究背景，针对地下换热管土结构冻胀变形问题开展数值模拟研究，基于孔隙增长率函数、冻土本构方程、含水量方程和相变传热理论建立数值模型，并结合试验验证该模型的有效性。
利用模型对冻胀过程中岩土应力和管体变形特性进行分析，并考察管体降温速率（0.1、0.2、0.3℃/h）对上述2方面的影响。
结果表明，岩土冻胀应力和管体变形程度均随冻结范围增大而增大，当冻结直径达到365 mm时，进水管流通面积减小约3.5%，出水管流通面积减小可超过4%，可见出水管的变形更为明显；冻结范围基本一致的情况下，换热管体缓慢降温可导致较大的岩土冻胀应力和出水管变形。
%The research background of this paper is the ground source heat pump (GSHP) technology applied in the field of agriculture energy conservation. The typical application is the GSHP used in greenhouse. However, the operating temperature of ground heat exchange pipe usually sustains below 0°C, when the GSHP runs during the winter night in cold regions. The sustaining low temperature can lead to pore water freeze and volume expansion in soil, which is called frost heave. In this paper, numerical simulation study was conducted to investigate the deformation of pipe-soil heat exchange structure due to frost heave. The numerical model, on the basis of porosity rate function, frozen soil constitutiveequation, water content equation and phase change heat transfer theory, was built on the simulation platform ABAQUS and thermal-mechanical coupled subroutine compiled in Fortran. The semicircle soil computational domain and U-pipe were adopted in 2-D geometrical model. Based on the assumptions of this model, its application was restricted to:1) The initial soil is homogeneous and saturated;2) The difference of soils inside and outside borehole is neglected;3) The internal and external pressure of the pipe is uniform;4) The heat transfer takes place by conduction only;5) The operational mode of pipe is cooling or constant temperature. This numerical model was verified by frost heave experiment, and the verification included mainly soil freezing temperature field and pipe deformation strain. The result of verification showed that the temperature of center point in the freezing area had a maximum absolute error of 0.6°C, the freezing radius had a maximum relative error of 9.1%, and the pipe strains had a maximum relative error of 16.4%. This numerical model could be applied for the study of pipe-soil structure frost heave and deformation. By means of this model, the characteristics of soil stress and pipe deformation during soil frost heave were analyzed. The results showed that elliptical deformation appeared in the pipe cross-sections under the frost heave force, which manifested as the decreasing diameter in X-axis and the increasing diameter in Y-axis. The soil stress and pipes’ elliptical deformation increased with the extension of freezing area, under 1°C temperature difference between outlet and inlet pipe, the deformation of outlet pipe was greater than inlet pipe. Meanwhile, the deformationcaused the pipe cross-sections’ circulating area gradual decrease, and the decrease rate showed linear increase with the extension of freezing area. Moreover, the influence of different pipe cooling rate (0.1°C/h, 0.2°C/h, 0.3°C/h) were also investigated. For almost the same freezing range, the lower cooling rate of heat exchange pipe could lead to larger soil stress and pipe deformation. It can be found from the simulation, when the soil freezing diameter increased to 365 mm, the circulating area decrease rates of inlet pipe were about 3.5% in the 3 different cooling rate, and the circulating area decrease rates of outlet pipe were 4.6%, 4% and 3.8%, respectively, in cooling rate of 0.1°C/h, 0.2°C/h and 0.3°C/h. By contrast, the cooling rate showed almost no influence on the inlet pipe deformation, but an obvious influence on the outlet pipe deformation. In order to reduce the impact on the pipe cross-sections for the same heat exchange, it is reasonable to adopt a rapid cooling mode.【总页数】7页(P118-124)【作者】白莉;王有镗;高青;江彦;李兆强【作者单位】吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春 130118;山东理工大学建筑工程学院，淄博 255049;吉林大学热能工程系，长春 130025;吉林大学热能工程系，长春 130025;吉林医药食品工程有限公司，长春 130021【正文语种】中文【中图分类】S215【相关文献】1.渠床基土冻胀与衬砌结构变形及破坏规律的探讨 [J], 胡永桢2.高地下水位渠道混凝土衬砌冻胀损坏数值模拟研究 [J], 杨启龙3.低温模式下地下换热器管土结构冻胀变形特性研究 [J], 王有镗; 郑斌; 孔喜磊; 李成宇; 王春光4.冻胀作用对地下连续墙基坑支护结构影响数值模拟 [J], 孙超;谢金超5.地下换热器管土冻胀变形特性实验 [J], 王有镗;于鸣;朱晓林;高青因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
混凝土冻胀测试标准
混凝土冻胀测试标准1.总则1.1 本标准采用水中浸泡法对试件进行慢冻试验，通过测定产生冻胀的时间表征混凝土的抗冻性。
1.2 SI单元内的数值作为标准值。
1.3 此标准为涵盖混凝土的所有安全性能指标。
使用此标准者可自行建立有关的安全性能指标，并在使用前确定这些指标的极限值。
2.参考文献2.1 ASTM标准C192 实验室混凝土试件配制养护标准C490 硬化水泥浆、砂浆、混凝土长度变化测试标准C682 应用冻胀值评估引气混凝土中粗集料抗冻性标准2.2 ASTM附录附录C671 2个应变框架详图，1个测点安装图，公制单位表3.意义及应用3.1 此标准适用于评价一定养护条件下混凝土的抗冻融性。
结果的实用性依赖于实际测试条件和实验室条件的相关程度。
3.2 此标准适用于评估标准C682中所述的混凝土中集料的抗冻性。
3.3 此标准还适用于混凝土耐久性的研发试验。
详尽的了解冻害作用下混凝土的长度变化可指导设计更加耐久的混凝土。
4.仪器4.1 冷浴容器具有足够的尺寸和深度，以便把试件完全浸入导硅油或煤油中.冷浴装置要保证足够的容积,从而保证煤油和浸泡的试件能够以2.8±0.5度/小时的速度均匀的从1.7度降到-9.4度.冷浴装置中还设有合适的温度数据记录设备.Note 1 使煤油达到饱和仅需很少量的水。
要避免水分过多引起水浴中结冰，用硅油替代煤油可减少气味和火灾隐患。
4.2 恒温水浴设置可完全浸没试件的可制冷水浴，配有温控装置，使试件在试验前和试验循环间隔时保持1.7±0.9度的温度。
4.3 应变测试和记录装置（note2）设置应变框架用意支撑冷浴中的试件并为应变测定校准方向。
应变测试装置的量程为万分之2左右。
note2 线位移转换器配有相应的电子控制和指示装置，保证测试结果稳定、灵敏和可靠。
输出端的多通道记录实用有效。
除了图2所示的记录系统，还可用数据采集器来驱动位移转换器并记录测试的温度和时间数据。
大u形混凝土衬砌渠道冻胀破坏的力学模型探讨
大u形混凝土衬砌渠道冻胀破坏的力学模型
探讨
随着冬季的到来，北方地区的水利设施受到了冻胀破坏的威胁。
其中一个主要的问题是大u形混凝土衬砌渠道的冻胀破坏。
为了有效地解决这个问题，需要深入了解混凝土渠道的力学模型。
大u形混凝土衬砌渠道的冻胀破坏一般是由于以下原因造成的：首先，由于温度下降，混凝土的体积会缩小，同时水分也会凝结，并发生冻胀；其次，水在冻结过程中会扩张，从而施加不均匀的力量到渠道内表面，导致表面破坏。
为了解决这个问题，必须建立一个力学模型。
首先，需要考虑混凝土的力学性质。
混凝土是一种弹性材料，其力学性质受到温度和水分的影响。
其次，需要考虑冻结水对渠道的影响。
冻结水会扩张，从而施加不均匀的力量到渠道内表面。
最后，需要考虑渠道建造的方式以及其他环境因素。
基于以上考虑，我们可以建立一个力学模型，其中考虑了混凝土的弹性特性，冻结水的扩张性和环境因素。
这个模型可以预测渠道的表面破坏，以及冻胀破坏的位置和程度。
在预防和解决大u形混凝土衬砌渠道冻胀破坏时，这个模型可以为工程师提供有用的信息。
通过了解渠道表面破坏的位置和程度，工程师可以提前采取措施，防止更严重的破坏发生。
此外，在渠道建造过程中，工程师可以使用这个模型来选择最合适的混凝土类型和建造方式，从而降低冻胀破坏的风险。
综上所述，大u形混凝土衬砌渠道的冻胀破坏是一个复杂的问题，需要综合考虑混凝土的力学特性、冻结水的扩张性和环境因素等多方面因素。
通过建立一个合适的力学模型，可以预测渠道的冻胀破坏情况，提前采取措施，从而保障水利设施的有效运作。
U型混凝土渠道冻胀数值模拟分析
U型混凝土渠道冻胀数值模拟分析渠道冻胀是造成渠道衬砌特别是刚性混凝土衬砌渠道破坏的主要原因，由于其抗拉抗弯性能差，当衬砌不能适应渠道基础土的冻胀变形或不能抵抗渠道基础土的冻胀力时，就会发生冻胀破坏。
U 形衬砌混凝土渠道以其水力条件好、占地面积小、防渗抗冻胀性能强等优点，在渠道建设和灌溉分区改造中得到了广泛的应用。
但是，灌溉分区渠道的地基土会反复冻融，衬砌渠道仍会受到不同程度的破坏。
为了改善这种情况，在设计过程中有必要充分了解U 形衬砌渠道倾角和厚度对降低冻胀的影响。
标签：U型混凝土;渠道冻胀;数值模拟一、U型混凝土渠道冻胀概述渠道衬砌是灌区灌溉渠道的主要组成部分。
在甘肃定西地区，由于冻融循环的影响，许多已建渠道衬砌受到不同程度的破坏，不仅增加了运行难度和维护难度，影响了工程的正常运行，而且影响了渠道衬砌的渗漏。
在定西地区，用于修复冻融循环作用造成的渠道损坏的资金不在少数。
在中华人民共和国水利部“十二五”规划期间，渠道衬砌按计划将在季节性地表地区修建。
防治渠道衬砌偏鼓问题有待进一步研究。
特别值得注意的是季节性冻土地区分布的变化以及防冻衬砌结构与传统衬砌结构的特点差异分析。
通过渠道防渗工程的建设，渠系水资源利用系数得到了很大的提高。
还应当指出，所有这些防渗工程都受到不同程度的破坏，50% 的现有设施、40% 的运河系统建筑物和32% 的衬砌渠道受到破坏。
特别是在西北季节性冻土区的定西地区，渠道衬砌的冻胀破坏较为严重。
通过目前广泛应用的大型U 形渠道的冻胀观测试验，收集了原型渠道冬季运行期间的各项参数，包括渠道衬砌冻胀变形、渠基土含水量、气温、冻结深度等试验数据，研究了渠道混凝土衬砌的冻胀破坏机理，分析了衬砌与渠床土的相互作用，对寒冷地区渠道工程混凝土衬砌的设计与施工具有重要的指导意义。
工程实践表明，季节性冻土地区的冻胀和融沉会引起渠道衬砌边坡的失稳破坏。
在过去的几十年中，已经发展了大量的技术，可以用来保护渠道线路免受冻胀破坏和融沉。
冻胀过程管土相互作用规律及受力特征
第51卷第4期2020年4月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.51No.4Apr.2020冻胀过程管土相互作用规律及受力特征黄龙1,2，盛煜1，吴吉春1，黄旭斌1,2，何彬彬1,2，张玺彦1,2(1.中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州，730000；2.中国科学院大学，北京，100049)摘要：为研究冻胀过程中管−土之间的相互作用规律及受力特征，以不锈钢管及冻胀敏感性粉质黏土为材料，在没有外界水源补充的小型环境模型试验机中进行试验。
首先，黏贴电阻应变片于管道上，并将管道及其支架放置于敞口保温箱内；其次，填装土样并同步在每个测点布置温度、水分和土压力传感器；最后，在试验过程中实时监测土体的温度、含水率、土压力、冻胀量及管道的变形和应力等变量，主要分析与讨论降温阶段即持续70h 的冻胀阶段所采集数据。
研究结果表明：冻胀过程中管道抑制土体冻胀的实质是抑制土体的水分迁移；管土之间相互协调发展且始终保持着动态平衡，冻胀导致管道发生变形的同时管道又约束着土体的冻胀，冻胀受约束而产生土压力；管道变形以及与管道的距离决定管道对土体冻胀的约束程度；管道变形越小，约束率越大，土压力越大，水分迁移量越小，冻胀越小；而同一时刻管轴线两侧土体的冻胀明显比管底土体的大，且距离管道越远的位置，约束率越小，土压力越小，水分迁移量越大，冻胀越大；土压力随着时间而增大，与约束率呈指数增大的关系，但与冻胀呈指数衰减的关系；冻胀引起管道产生轴向及环向应力，轴向最不利应力分布位置为管中4/8处；环向应力的存在说明管道发生截面变形，在较大的冻胀力或外荷载作用在管道上时，环向应力的影响不可忽视。
关键词：冻胀；管道；变形；力；约束；相互作用中图分类号：TU411，P642.3文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2020）04-1022-15Interaction law and mechanical characteristics between pipe andsoil during frost heavingHUANG Long 1,2,SHENG Yu 1,WU Jichun 1,HUANG Xubin 1,2,HE Binbin 1,2,ZHANG Xiyan 1,2(1.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)Abstract:In order to study the mechanism characteristics and the interaction law between pipe and soil during frost heaving,the silty clay with high frost susceptibility and the stainless steel pipe were used as materials,and the test was carried out in a small environmental model testing machine without external water supply.Firstly,theDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2020.04.017收稿日期：2019−07−08；修回日期：2019−09−23基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(91647103)；国家重点研发计划项目(2017YFC0405101)(Project(91647103)supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(2017YFC0405101)supported by the National Key Research and Development Program of China)通信作者：盛煜，研究员、博士生导师，从事冻土环境及冻土工程研究；E-mail:************.cn第4期黄龙，等：冻胀过程管土相互作用规律及受力特征resistance strain gauges were pasted to the surface of pipe,then the pipe and support were placed in the open heat preservation box.Secondly,the soil sample was filled into the open heat preservation box while the sensors including temperature,moisture and soil pressure sensors were arranged at each measuring point synchronously.Finally,the variables such as temperature,water content,pressure,frost heave,deformation and stress of pipe were monitored in real time during the testing.Then the testing data collected from the process of frost heaving which lasts for70h was analyzed and discussed.The results show that the essence of pipe restraining frost heave during frost heaving is to restrain the moisture migration in soil.The distribution law of unfrozen water content and the water content after frost heaving proves the occurrence of moisture migration in soil.The interaction between pipe and soil leads to coordinate changes and keeps a dynamic balance all the time.Frost heaving causes the pipe deformation while the pipe restrains the frost heave of soil.The deformation of pipe and the distance from pipe determine the constraint strength to frost heaving.The smaller the pipe deformation,the greater the constraining rate,the larger the soil pressure,the smaller the moisture migration and the smaller the frost heave.However,at the same time,the frost heave on both sides of pipe is obviously larger than that below the pipe.The farther away from the pipe,the smaller the constraining rate,the smaller the soil pressure,the greater the moisture migration, and the larger the frost heave.The soil pressure increases with time,and increases exponentially with constraining rate,but decreases exponentially with frost heave.Frost heaving causes pipe stress,and the most disadvantageous stress distribution position is in4/8section of the pipe.The existence of circumferential stress indicates the section of the pipe deformation,so the effect of circumferential stress cannot be ignored in the analysis when the pipe actes on a larger frost heaving force or external load.Key words:frost heave;pipe;deformation;force;constraint;interaction土体的冻胀会给油气管道工程带来安全隐患，引起管道变形甚至开裂，对诸多工程造成巨大威胁；如阿拉斯加管道、俄国远东地区管道、中国格尔木—拉萨原油管道等一些大型的长输管道，冻胀曾引起多次工程事故[1]，所以，针对冻土区管道及其它建筑结构(如房屋、桥梁、铁路、公路、隧道、管涵、洞室和通道等)的设计，冻胀的影响不容忽视。
一种寒区隧道冻胀力室内试验模型及其测试方法[发明专利]
![一种寒区隧道冻胀力室内试验模型及其测试方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/45087d6276232f60ddccda38376baf1ffc4fe3c4.png)
(10)申请公布号(43)申请公布日 (21)申请号 201510590617.8(22)申请日 2015.09.16G01N 25/00(2006.01)(71)申请人长安大学地址710064 陕西省西安市南二环路中段长安大学(72)发明人谢永利 张玉伟 李又云 赖金星罗世明 李盈灿(74)专利代理机构西安智大知识产权代理事务所 61215代理人刘国智(54)发明名称一种寒区隧道冻胀力室内试验模型及其测试方法(57)摘要本发明涉及室内模型试验技术领域，具体涉及一种寒区隧道冻胀力的室内试验模型及测试方法，包括模型箱、冷浴系统和用于采集监测数据的数据采集系统，所述模型箱内填充有模拟围岩，模拟围岩内设置有模拟二次衬砌；所述冷浴系统设置在二次衬砌内；数据采集系统包括若干传感器以及与各传感器相连接的数据采集箱；模型箱包括框架结构和设置在框架上的钢化玻璃；在框架结构的模拟空间中，模拟围岩和模拟二次衬砌均能够重复试验来模拟不同工况；通过设置的冷浴系统模拟实际中不同工况的环境温度，利用数据采集系统收集监测数据，便于后期分析；本发明结构明确，便于实施，能够测得不同工况下寒区隧道冻胀力的分布规律，为寒区隧道设计提供依据。
(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书4页 附图2页CN 105181730 A 2015.12.23C N 105181730A1.一种寒区隧道冻胀力室内试验模型，其特征在于，包括模型箱、冷浴系统和用于采集监测数据的数据采集系统，所述模型箱包括框架结构(1)和设置在框架上的钢化玻璃(2)，所述模型箱内填充有模拟围岩(3)，所述模拟围岩(3)内设置有模拟二次衬砌(4)；所述冷浴系统设置在二次衬砌(4)内；所述数据采集系统包括若干传感器以及与各传感器相连接的数据采集箱。
2.根据权利要求1所述的一种寒区隧道冻胀力室内试验模型，其特征在于，所述数据采集系统包括若干土压力盒(6)和温度传感器(5)；所述土压力盒(6)均匀设置在模拟二次衬砌(4)和模拟围岩(3)之间，所述温度传感器(5)沿隧道径向均匀分布在模拟围岩(3)内；各土压力盒(6)和温度传感器(5)均与数据采集箱相连接。
人工冻结联络通道冻胀三维扩展规律模型试验研究
人工冻结联络通道冻胀三维扩展规律模型试验研究
王磊
【期刊名称】《建井技术》
【年(卷),期】2024(45)1
【摘要】为解决人工冻结联络通道冻土冻胀引发管片结构安全难题,采用相似模拟试验方法,对人工冻结过程中冻土三维冻胀特性进行了模型试验研究,得出以下结论:①冻胀引发地表及地表下20、40、60mm上覆土体曲线呈现冻结壁上部位置变形较大、边界位置变形较小的趋势,冻胀引发地表抬升曲线呈现高斯分布特征;②管片变形大致分为小变形-大变形-小变形3个阶段;③冻结壁径向扩展体积与轴向扩展体积比为15∶1,冻结壁径向扩展厚度与轴向扩展厚度比为1.1∶1。
研究结果对不同约束下的人工冻土三维扩展规律进行了初步探索。
【总页数】6页(P38-43)
【作者】王磊
【作者单位】北京中煤矿山工程有限公司;煤炭科学研究总院;深圳大学土木与交通工程学院;中国铁路工程集团有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TU455;U455.49
【相关文献】
1.冻结法在地铁联络通道施工中的冻胀和融沉控制研究
2.地铁长联络通道双侧冻结温度场及地表冻胀变形研究
3.大型顶管隧道联络通道冻结法设计及冻胀融沉计算研究
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
冻胀应变模型
冻胀应变模型是一种用于描述物体在冻结和解冻过程中发生的应变和应力变化的模型。
它主要应用于土木工程、建筑工程和地质工程等领域。
冻胀应变模型的基本原理是，当土壤或混凝土等物质遇到低温环境时，其中的水分会结冰形成冰晶，冻结过程中水分膨胀导致物体产生应变。
而当环境温度升高时，冰晶会融化，水分体积减小，导致物体产生收缩应变。
这种冻胀应变的变化会导致物体产生应力，从而对结构产生影响。
冻胀应变模型的研究对工程建设和地质灾害预防具有重要意义。
通过对冻胀应变模型的分析和计算，可以预测土体或混凝土在低温环境下的应变和应力变化，从而指导工程设计和施工，并采取相应的防护措施，避免因冻胀引起的结构损坏和地质灾害。
冻胀应变模型的研究内容主要包括冻胀应变的计算方法、冻胀应力的分析和冻胀损伤的预测等。
在计算冻胀应变时，需要考虑土壤或混凝土的物理性质、温度变化和水分含量等因素。
在分析冻胀应力时，需要考虑物体的弹性特性、温度变化和冻结融化过程中的应力传递等因素。
而在预测冻胀损伤时，需要考虑物体的强度特性、冻胀应力的分布和结构的稳定性等因素。
冻胀应变模型的研究还存在许多挑战和问题，例如冻胀应变的计算
精度、冻胀应力的传递机制和冻胀损伤的预测方法等。
为了解决这些问题，需要进一步深入研究和探索，并结合实际工程和地质情况进行验证和应用。
冻胀应变模型是一种重要的工程模型，它可以帮助人们理解和预测土体或混凝土等物质在冻结和解冻过程中的应变和应力变化。
通过研究和应用冻胀应变模型，可以指导工程建设和地质灾害预防，保障人们的生命财产安全。