冻土力学与工程的国际研究新进展

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1、冻土力学与工程的国际研究新进展——2000年国际地层冻结和土冻结作用会议综述 摘要：2000年国际地层冻结和土冻结作用会议于2000年9月在比利时召开。会议共设6个专题：热质迁移、冻结敏感性和冻胀、力学性质、环境土冻结、工程设计和工程实例。围绕这6个专题，介绍了国际冻土力学与工程方面研究的一些主要进展，既反映了国际冻土力学与工程研究的水平，也代表了21世纪冻土学发展的方向。关键词：地层冻结；土冻结作用；冻土力学与工程.中图分类号：P642.14文献标识码：A 国际地层冻结会议是与人工冻结技术相关的

2、国际会议，侧重于工程应用；国际土冻结作用会议是与土的冻胀融沉过程相关的国际会议，侧重于理论研究。这两个国际会议对增进各国冻土学界科学家的学术交流和推动冻土学科的发展起到了重要的作用。自1997年这两个会议合成国际地层冻结和土冻结作用会议，现已成为冻土学家们进行学术交流、聚会的一大盛事。2000年国际地层冻结和土冻结作用会议于2000年9月11～13日在比利时召开。此次会议共设6个专题：热质迁移、冻结敏感性和冻胀、力学性质、环境土冻结、工程设计、工程实例。来自法国、德国、中国、美国等国的70多位代表

3、参加了会议。本次会议是世纪之交冻土界的一次盛会，它不仅展现了目前冻土界的最新研究成果，而且也指明了21世纪冻土学发展的重要方向。下面围绕这6个专题将会议的一些主要研究进展作一综述。文中所引用的文献均出自本次会议的论文集。1热质迁移土体冻结过程中，水分向冻结锋面迁移并结晶膨胀造成土体的冻胀。物质的迁移、温度场的变化是热质迁移问题研究的主题。本次会议上有关热质迁移机理问题研究的论文有11篇。热质迁移研究的主要内容之一是土物理参数的性质研究，如土颗粒含量、容重、热参数、导水系数等。Cames-Pinta

4、ux在分析道路冻结过程时，利用GEL1D软件对热参数的影响范围及其各参数之间的相互作用进行了定量计算，发现导热系数及含水量是非常重要的两个参数，对流交换系数及初始温度状况在路基水热性质随气候变化中起到了重要作用。Watanabe认为临界冻结速率与冻结锋面处的颗粒含量有关，单位体积颗粒含量越多，临界冻结速率越低；在饱和土体中，冰透镜体的增长率正比于冰透镜体增长面的过冷度。Chuvilin研究冻土中天然气水合物及孔隙冰形成机理时发现，当潮湿含气的土壤被冷却时，在温度及压力合适情况下，土壤中的孔隙水会形

5、成甲烷气，而另一部分水则变为冰。多次的冷热循环促进甲烷的形成，这归功于水分的记忆功能及土壤的再造作用；在土壤的冷却—冻结—融化—升温的过程中，当压力足够时，水合物首先在土壤的冷却阶段形成，其次是在融化阶段，这时冰逐渐融化成水。建立热质迁移模型，使研究理论化、定量化是热质迁移研究的主要内容之一。Fremond等基于能量守恒、熵不等概念以及流动率与自由边界正交的原则建立了热质传递耦合方程，并对雨水成冰增长、冻土融化过程进行模拟计算。Goering依据质量、动量及能量守恒建立了多孔介质中气、热耦合三维数

6、值模型，通过计算并与室内模拟试验对比，所建模型吻合的很好。Gorelik认为刚性冰模型无法估计相变时的体积变化，合理的模型需考虑冰含量的变化、冻土的渗透性、冰及土骨架的变形。在其建立的热质迁移模型中，考虑饱和土体而分别建立了温度场、冰场、水场以及土骨架质量场的发展4项耦合方程。Osokin在分析雪盖对土冻结过程影响时，给出了雪盖密度导热系数的关系的经验计算公式。在多孔透气性较好的基础材料中，当温度梯度向上时（冬季），会有对流产生，对流加速基础温度的降低。冬季铁路路基的孔隙气体的对流作用对热传递有着

7、重要的影响，加速冻结及冻胀的产生，对高速铁路运行极为不利。在热质迁移模型应用中，李东庆基于Harlan水热耦合的概念，对退化型的多年冻土区道路进行了稳定性计算。发现路基的热稳定性与其路面材料有很大关系。通过热稳定计算，在退化型的多年冻土区的道路临界路堤高度为沥青路面>混凝土路面>砂砾石路面。令锋采用Harlan模型，只考虑相变问题，用有限元方法分析了高边坡路堤中路堑的设置，表明路堑能有效地降低路基融化深度，改善路基不对称温度场。令峰对施工季节的分析计算，发现夏季施工对融化深度的影响在最初5年内很大

8、，如在青海—康定公路所处的自然环境条件下，融化深度之差约为0.45m。Dubina分析了地表热阻材料，证明增强了虹吸管的作用，且在夏季使用热阻较全年使用效果更好；建议通风基础加护盖，夏季关闭箱盖，冬季打开箱盖。箱体与半导体类似，夏季阻热、冬季通畅，能对保护冻土起到很好的作用。2冻结敏感性与冻胀.本届会议围绕冻结敏感性和冻胀研究共发表论文12篇，总的来说，基础理论无大的突破，应用色彩浓重，研究中更加注重试验手段的提高，尤其是高新技术的运用，使获得的数据更为可靠，获取的信息更加广泛和深