抽象性

青海粘土使用单维土壤粒子图像速度测量系统进行数组冷冻实验分析初始水分和温度梯度对土壤列冷层的影响实验结果显示青海粘土冷冻后总体积比冷冻前初始水量大得多,隔离层总体积达最大值平均解冻水含量先随时间快速增慢明显横向层隔离裂缝填充不饱和针柱冰镜厚度隔离冰约43%总冷冻堆冷冻边缘有小块冷冻堆积 解冻带有小块压缩变形在同一温度梯度条件下,初始水含量低的土壤柱体的冷淡深度小,总量水量大,水摄取量多,冰密度小,总冷凝量小于初始水含量高的土壤柱在同一初始水量条件下,高温梯度土壤柱有更高冷水深度,一致性总体积,大块隔离冰厚,总冻积大于带小温度梯度的土壤柱

开工导 言

当土壤温度比土壤水冷温度低时,土壤液水通常经历相位变化并凝结为冰透镜隔离冰块形成后,土壤内将发生大量冷冻堆积,这将为冷带项目带来疾病,如子级冷冻堆积变形一号-5和冷冻堆裂通道衬6,7..Frost堆积物是冷冰区地质工程中主要的冷冻损耗8..因此,土壤隔离霜堆实验为冷冻土壤理论测试提供参考

已经做了大量研究 泥土霜堆Konrad等[九九研究水迁移测试过程开放系统下饱和微粒土壤并提出了隔离潜力理论徐等人[10讨论几种冷冻堆积法开放系统下饱和土壤,并提议公式使用田温梯度预测霜堆积赵等[11研究初始水分含量和温度对封闭系统下非扰动粘土冷处理期间水迁移的影响微信等[12研究边界温度和土壤样本高度对开放系统下饱和淤泥冷过程水移的影响刘等人[13研究三维异热量变化王等[14显出低温结构冷冻土定律 单维冷测试松散清海粘土黄飞鸿15发现冻土样本量随初始饱和度增加,通过单元冷测试闭合系统下不饱和土Ren等[16单向冻结实验 关于初始水含量、冷冻时间和冷冻温度对闭合系统下粘性冷凝特征的影响Xiao等[17研究盐水迁移法机制但这些研究没有考虑不饱和土壤冷冻或开口系统水补充问题,无法量化测量冷冻土壤局部变形问题,后者对进一步探索冻土定律有某些限制。Go等Jin等[18号,19号研究温度边界条件、孔隙度和高度对沙质土壤冷凝量单维冷凝量测试和数值模拟王等[20码开发以数字图像技术为基础的冷冻土壤测试系统,可用于观察低温结构与冰分解过程并测量冷冻变形系统无法持续测量局部片段 数量化冷冻土壤周和张21号开发新型视觉冷冻测试系统可自动控制土壤温度状态并观察冷冻堆积中隔离冰的开发状态但它也不能计算冷冻土壤局部变形

归根结底,解决难以观察隔离冰形态特征并量化测量隔离区块内单维土壤结块冷测试中隔离冰和局部菌株的问题,开发出单维土壤分粒数数字冻结测试系统同时,在开放系统下对青海粘土进行一系列冷测试,分析不同初始水量和温度梯度对土壤柱冷冻层的影响局部变形和土壤柱状在不同冷冻条件下用PIV法精确测量同时,图像数字实验系统观察隔离冰层冷凝过程的低温结构最后,通过隔离潜在原理分析隔离冷凝机制

二叉材料方法

2.1.实验素材

测试土壤样本取自青海省G109国家胶山高速公路表显示土壤样本基本物理属性一号.土壤样本为静态粘土,液值低压缩测试结果显示土壤样本最大干密度为1.746g/cm³最优水含量为15.2%。土壤粒子梯度曲线通过筛分密度计法获取,图中显示一号.清海粘土在不同初始体积内化土特征曲线通过核磁共振测试测量22号上图显示2.青海粘土的土壤水特征曲线23号显示图3.

2.2.实验系统

测试系统主要由温度控制系统、传感器系统、数据采集系统、PIV系统、补水系统以及土壤柱系统组成,图解显示4.(1)温度控制系统:冷端温度和热端土壤列受两组北热科学A25低温浴循环器控制,以控制上下热板冷却器循环温度控制范围为-25~150摄氏度,精度为0.01摄氏度整个土壤列系统置入德国VotschC4-600恒定温度和湿度测试盒中(温度:-40-80摄氏度精度:0.1摄氏度湿度:0~100%RH)以确保土壤列环境温度和湿度不变上下热板全由不锈钢制成,通过冷水管连接冷水池(2)传感器系统:主要由温度传感器、土壤湿度传感器和移位传感器组成土壤柱总高度为10cm,SUP-WZPPPT100温度传感器沿土壤柱高度排列2cm间距十角5TE24码土壤湿度传感器排列高度为土壤列5cm度度测量整个土壤列高度的平均体积液分量(有效测量半径5cm度5Cm,范围0~50%,精度++3%)。顶端(冷端)土壤列安装CVB-650F数字移位计测量冻土列总堆积位移数表测量范围0~50.8毫米,精度为++0.02毫米,采样周期为60秒所有传感器使用前必须校准25码..3级数据采集系统:温度和水分传感器连接DataTaker85数据采集工具,通过USB端口连接计算机,实时自动获取温度和水分数据基于SDI-12通信协议实现,获取区间设为60秒(4)PIV系统:Canon EOS-1300D单镜头反射摄像头收集石英沙粒子运动图象低温LED光线为相机提供稳定的光场EOS实用软件用于相机遥控和自动射击,射击间隔5分钟GeoPIV_RG程序通过捕获图像获取土壤局部移位26,27号..(5)水供应系统: Marriot瓶空气插件高度与土壤柱底孔板高度相同,以确保土壤柱用毛细作用补充常压 Marriot瓶为土壤柱提供常水头,而土壤柱补注量则由Marriot瓶冷时水位变化计算(6)土壤柱体系统:圆柱体由透明双晶体组成,内直径14cm和墙厚1cm下角柱柱连接水箱水箱和泥桶用位于下热板上的多孔板隔开下热板、水箱和圆柱由frange板和螺丝连接成土壤柱柱系统

2.3实验方法

表表显示开口系统下不同初始水量和温度梯度下青海粘土冷凝测试方案2.初始分量内装物二类(T1和T2)和另外二类不同温度梯度二类(T3和T4)分别设置共进行了四组土壤柱冷测试干密度和冻结时间为1.58gcm^3级和144h温度梯度指遍及整个土壤柱高度的温度梯度

清海泥化并按初始体积水分量和干密度测试方法混合土壤混合土壤放入拉链袋并留24小时令水均衡分布测试土壤列直径14cm高度10cm,压缩度受层压控同时,表层纹理用采样圆柱一面的石粒构建为PIV分析区,对面观察区用于捕捉冷冻土壤低温结构25码上图显示5.标尺固定在土壤列PIV分析区一端,大直方位沙粒子设置为3cm、6cm和9cm土壤列高度的标记点标记粒子相对于标尺的位置每12小时记录一次,记录为水柱冷冻期间局部置换的测值完成土壤柱后,按设计高度安装PT100温度传感器和5TE水传感器,用热绝缘棉包送土壤柱以减少冷冻期间热损耗,只有PIV分析区和观察区留作射击使用连接传感器、数据采集工具DataTaker85和笔记本电脑调试传感器系统层塑料薄膜放在土壤柱顶部,以防止水蒸发和冷冻期间吸收,并安装上热板使其与土壤样本顶部密切接触上热板顶部安装数字拨号指示器,调整常温和湿度测试盒中的冷光LED,为PIV射击搭建稳定光场,并在土壤柱前搭建Canon EOS-1300DSLR摄像头相机镜头必须保持横向并切入土壤列相机连接笔记本调试常温和湿度测试盒温度和湿度分别定值为1摄氏度和0RH土壤列温度首先应保持恒定并开始根据设计温度边界条件冻结上热板设为冷端,下热板设为热端土壤柱从顶向下冷冻,水从底向顶迁移冷冻时间为144h冷后,土壤水分分层用干法测量

3级结果

3.1.温度场定律

土柱顶端和底端加载设计冷端温度和热端温度后,土壤柱温度快速下降,水迁移和冰相转换等物理现象同时发生图6(a)显示变化曲线T1土壤列温度和冷冻时间从图中可以看出,不同高度温度随冷时速快速下降(0-24h),然后缓慢下降(24-75h),最后保持稳定(75-144h)。距离热端越远,温度变化越严重,形成温度梯度和土壤柱高温度变异法则其他土壤列与此相似,在此不重复使用

初始冷温度与初始水量相关研究结果显示周等[28码初始冷温度可用土壤SFCC曲线测定,然后冷深度可用拉格朗插值多义解析29..图6(b)曲线冻结T1土壤列并发时间从图中可以看出,设计温度边界应用到土壤列冷热端后,T1土壤列冷前逐步从冷端移动到土壤列热端并最后稳定在一定的冷深整个冷冻过程可分为三个阶段:快冻级(0~24h)、慢冻级(24~75h)和稳定冷级(75~144h)。快速冷冻阶段,土壤列温度急剧下降,冷冻前端从冷端快速移动到热端进慢冷级后,土壤列温度慢变换,冷前仍略向下移动稳定冷级时,土壤列内部温度不变,冷面也稳定在一定的冷深度上,其他土壤列冷深度变化相似以冷端土壤列为零点冷冻层T1~T4冷冻深度值分别为4.67cm、4.8cm、4.9cm和5.0cm显示温度梯度不变时 初始水含量越大 冷水深度越大初始水含量相同时,边界温度越低,冷冻深度越大初始水分和边界温度是影响冷冻深度的两个因素

3.2水田法则

开口系统土壤柱水量将在矩阵潜力和温度潜力作用下迁移探索冻结前后水含量变化时,用干法测量冻后不同高度土壤柱水含量图7显示体积水量在土壤列冻结前后的变化从图中可以看出,冻结后土壤柱子总量水量比冻结前初始水量高得多,上层冷冻区水量大于下层解冻区水量,隔离区总量水量(约6cm高度)达最大值表示开口系统下土壤列从外部吸收大量水,冷冻期间,解冻区水移到冷冻区T1总体积大于冻结后T2,表示T1在整个冷冻期间补充水量比T2多,可通过下文Marriot瓶积水量验证T3和T4冷冻区总体积基本相同,T3总体积略高于解冻区T4

图8显示平均解冻水体积变化从图中可以看出,自冻结前6小时内土壤列平均解冻体积剧增,然后缓慢下降,并在晚冷期间基本不变,冷冻后段平均解冻体积T4略微下降这是因为高温和矩阵潜力下土壤热端水在冷冻开始后6小时内快速向上迁移,因此解冻水平均量增加冷冻前向下移动当温度比冷温度低时 冰水相位转换会发生在这里 导致解冻水含量下降最后,当冷冻边缘稳定时,冷冻带解冻水内容基本保持恒定,解冻区水内容补充并不变,因此后期平均解冻水量保持恒定

土壤列在开放系统下冻结时持续吸收水,并记录Marriot瓶水位变化以计算土壤列增水量图九九显示土壤列累积水补充变化从图中可以看出水补充速率快速增水量在土壤柱开始冷冻后10小时内大增水量,然后水补充速率逐步减慢,水补充量变小T1~T4土壤柱吸收约498毫升、282毫升、278毫升和252毫升冷水T1初始体积比T2小得多,所以T1土壤水潜力比温度梯度不变的T2大得多积水补充量T1比冻结前10小时T2大得多水分随冷冻时间逐步增加,水分潜力逐步下降水增量逐步稳定后期冷冻表示初始水含量低的土壤列补充水量多于温度梯度不变初始水含量高的土壤列T4温度梯度大于T3,T4温度潜能大于T3,因此T4水补注量大于T3冷冻早期阶段的T3增饱和度提高后T4水量小于T3水量增量大于T3冷冻后期T4水量增量

3cm3变形界法则

数字拨号指示数记录测试期间土壤柱冷端总冷凝变换图10显示土壤列冷端总冷层堆积变异从图中可以看出,冷冻堆积量在开始冷冻后约10小时内急剧增加,然后缓慢增加T1~T4总冷冻量分别为3.96毫米、11.31毫米、12.67毫米和15.10毫米冷冻堆积T1比T2小得多,T2表示有大初始水含量的土壤列总冷冻堆积在相同的温度梯度下较大冷冻堆积T3小于T4表示高温梯度土壤列总冷冻堆积相同初始水分

作为一种非接触测量法,PIV广泛用于流体力学和土工工程小变形测量26,30码-32码..PIV用于测量土壤列不同高度局部变形值图11(a)PIV值和测量值从图中可以看出,在不同高度冷冻堆积的PIV值略小于测值这是由于微粒和柱墙之间的摩擦,导致微粒移位小于土壤实际移位3cm离热端局部置换为负值,表示这里的土壤略为压缩变形图11(b)PIV测量误差T2土壤列从图中可见PIV测量值最大平均误差0.32毫米,满足精度要求因此,PIV值可用于估计冷冻土壤局部变形

PIV法用于测量土壤列除冻结144小时后移位分布,如图所示12.从图中可以推断出冻变形发生于土壤柱上冷带中,冷变形值为正值,压缩变形发生于下解冻区,压缩变形值为负值冷冻带与解冻带之间有明显的接口,解冻带属于冷冻边缘,冰水相向转换并形成新冰镜以补充隔离层T1~T4顶部用PIV方法测量的最大冷凝量分别为3.9毫米、11.1毫米、12.4毫米和14.7毫米,解冻区内压缩量分别为-0.1毫米、0.3毫米、0.4毫米和-0.5毫米

伸展场反映土壤列局部变形法则GeoPIV_RG程序计算冷冻期间土壤柱移位值27号..垂直局部菌株通过有限差分法解决为提高计算精度,垂直差网格侧长1.0毫米图13显示土壤柱垂直阵列分布144小时,正值表示向上冷压变形和负值表示向下压缩变形从图中可以看出上层冷冻区局部变形为正值,表示冷冻区发生冷冻变形,下层解冻区局部变形为负值,表示解冻区压缩变形,冷冻区富值大于解冻区分治区富值达到最大正值,这应该是隔离冰层降水引起的最大局部变形T1~T4隔离带冻结144h最大值分别为0.33、0.96、1.06和1.27

强度值隔离位置反映局部冷冻堆积大小线段值越大,冷冻堆积量越大图14显示最大线段与土壤列隔离位置时间的变异从图中可以看出,土壤列最大伸值增速先增速后随时间下降最大线段值T4隔离位置大于T3,T2大于T1T1土壤列最大伸积值在冷冻10h后缓慢增值,显示局部冷冻堆积增慢T2~T4最大伸展值随冻结后时间增加10h,隔离霜堆积量也持续增加

4级分治FrostHave法机制讨论

4.1.隔离Frost推理特征

从土壤列图像采集 PIV系统冻结期间15(a)横向隔离破解层结构逐步显示为常温持续冷解模式下土壤列垂直方向T1隔离裂缝不明显,T2~T4有显性隔离裂缝,宽度变大宽度隔离破解随着初始水含量和温度梯度的增加而增加量化描述隔离裂缝局部变形时间分布特征,用平均隔离带表示(图解)。15(a)区域间红线土壤列)图15(b)显示土壤列隔离带平均菌株变异从图中可以看出隔离带平均松动率先增后减,T1土壤列隔离带平均松动值最小,T4平均松动值最大

图16(a)显示高清晰度摄像头捕获的T4土壤列隔离裂纹从图中可以看出隔离裂缝中隔离冰透镜从上到下展示针柱结构,大小不等,并完全填充破解孔深层隔离冰段纵向拆分土壤柱时部分填充隔离裂缝图中显示16(b)厚度隔离冰块T4土壤柱裂口达7.0毫米结合T4土壤列总冻积(15.10毫米),它显示隔离冰的外观是土壤列大冻积的主要原因

4.2隔离定律FrostHave

完全冷凝土列共分三部分:变形冷凝带、变形冷凝带和变形解冻带三十三..冷冻带变形主要由隔离裂缝和其他迁移冷冻堆积中的隔开冰块和冷冻带原位冷冻堆积组成第一,冷冻边缘和解冻区高度的厚度根据隔离裂口和冷冻深度的方位确定,然后从每个区局部变形值计算出每个区局部变形图17显示土壤列内每一带冷压变形分布从图中可以看出,冷冻带有大冻变形(正值),解冻带有小量压缩变形(负值),冷冻边缘有小量冷冻变形(正值)。冷冻堆积总值和隔离层T3和T2土列厚度比T1大得多,表示温度梯度相同时初始水含量越高,总冷凝积越大,隔离层厚度越大冷凝总值和T4土壤列隔离层厚度大于T3表示当初始水量相同时温度梯度越高,总冷凝量越大,隔离层厚度越大初始水分和温度梯度是影响开放系统下土壤霜堆的两个重要因素可采取反渗漏等措施减少初始土壤水分并设置一些热隔热措施以降低土壤温度梯度以削弱冷带地质工程冷冻热病T1~T4土壤列隔离冰厚度分别为40.8%、43.1%、43.2%和44.4%总冷冻堆积量可得出结论,水迁移造成的隔离霜变换是土壤柱冷凝变形的主要因素

4.3隔离霜堆机制

开口系统下土壤列冷凝过程复杂并发热液和机械34号-36号..图中显示18号时温度T级_C级并T级_华府冷端和热端土壤列中将形成温度梯度土壤柱水从热端迁移到冷端冷冻前端显示时,土壤列一定高度的温度等于冷冻温度T级_f级.此外,冷冻边缘也开始形成,水迁移和冰水相移温度持续下降,冷冻前端和冷冻边缘继续向热端移动,冷冻带继续扩展冷冻带液水逐步凝结为冰晶并填充孔口,直到它等于剩余解冻水分Marriot瓶水持续补补土柱子,形式为剖面水土温稳定后,冷前停止移动,水持续移动到隔离冰温端并经历相位变化,隔离冰渐增厚并最终形成冰冷边缘上方的厚冰层

初始水分表冷前θ_ini语言.水补充作用下液水内容θ_欧市土壤列先急速增长液水内含θ_欧市增量至θ_t级冷端液水含量θ_欧市靠近冷冻边缘先达饱和水内容θ_师傅解冻带水持续迁移到冷冻边缘和隔离层冷冻冷冻带液水开始形成孔状冰和隔离冰液水内容θ_欧市下降,冰内容θ_一开始增量θ_欧市最终等于剩余解冻水内容θ_R中冷冻区冰内容θ_一隔离层达最大值水总含量θ_至冷冻区冷端θ_t级,总水分分层θ_至达最大值θ_最大值和水总含量θ_至热端解冻区θ_b/.

冷冻期间土壤内有水和热转移,冷冻边缘含有复杂的物理过程,如水迁移、冰水相位转换和冰镜形成根據隔离霜堆潜力法7冷凝量主要受隔开冰层厚度控制当土壤饱和度低时,土壤中孔化气体使冰晶难以形成并观察,例如T1土壤柱子没有明显的隔离裂缝,隔离冰分量也很小,因此冻积堆积量小当土壤饱和度高并有封闭孔化气时,毛沟水更有可能迁移到冻边缘,土壤孔分块形成隔离冰块,土壤柱有明显的隔离裂缝和大冻积量,如T2~T4土柱

5级结论

以自开发PIV土壤堆积测试系统为基础,探索了不同初始水内分量和温度梯度对土壤块隔离霜堆的影响,并得出下列结论:(1)泥土柱在开放系统下冷冻期间明显热水迁移冷冻后总量水含量远大于冻结前初始量水含量,隔离区内总量水含量达最大值平均解冻水含量随时间猛增,然后缓慢下降,并在土壤温度稳定后保持不变(2)大冻变形发生在冷冻区内,小压缩变形发生在解冻区内,小量冷冻堆变形发生在冷冻边缘显多层隔离裂缝覆盖土壤柱峰值,不饱和针柱状冰镜填充隔离裂缝组成局部厚层隔开冰层厚度隔离冰约43%3级在同一温度梯度条件下,初始水含量低的土壤列有小冷深度、大量水总含量、多水摄取量、小块块冰厚度,总冷凝量小于初始水含量高的土壤列在同一初始水含量条件下,高温梯度土壤柱有更高冷深度,一致性总体积,大块隔离冰厚度,总冻积大于带小温度梯度的土壤柱

名词性

d级:	直径土壤列
H级:	高度土壤列
微信:	PIV宽度分析区
:	完全霜堆(mm)
T级:	温度(°C)
t级:	冻结时间h

希腊符号

:	密度(g/cm3)
:	量子水内容3/cm3)
:	矩阵抽取
:	质量水内容

数学符号

:

差分运算符

下标

C级:	冷端
d级:	干燥状态
华府:	热端
s级:	隔离冰位
f级:	冻结深度定位
ini语言:	初始状态
一:	冰块
至:	全水量
欧市:	解冻水
R:	残留液水
b/:	热端土壤列
t级:	冷端土壤列
高山市:	饱和水含量
最大值:	最大值

数据可用性

支持本研究发现的数据可应请求从相关作者处获取。

利益冲突

作者声明,他们没有已知的竞相金融利益或个人关系,这些利益和个人关系可能似乎会影响本文所报告的工作。

感知感知

这项研究得到了中央大学基础研究基金支持(No.2020YJS115)中国自然科学基金会5197902和北京自然科学基金会892034