范文一:寒区不同材质垂直埋管土壤冻结深度测量差异性分析
收稿日期:2016-05-11;网络出版日期:
网络出版地址:http ://www.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.2016
基金项目:国家自然科学基金 (51541901) ;黑龙江省博士后基金 (LBH-Z13031) ;哈尔滨市优秀学科带头人计划 (2014RFXXJ103) 作者简介:汪恩良 (1971-) ,男,河北滦南人,博士,教授,主要从事工程冻土和水工建筑物冻害防治研究。
E-mail :HLJWEL@126.com
水
利 学 报 文章编号:0559-9350(2016) 12-0000-00寒区不同材质垂直埋管土壤冻结深度测量差异性分析
汪恩良,张安琪,包天鹅,刘兴超
(东北农业大学 水利与建筑学院,黑龙江 哈尔滨 150030)
摘 要:寒区土壤冻结深度的观测以往多采用丹尼林冻土器进行人工测量,由于受到天气、地形、低温和人为等 因素的影响,往往难以开展。现多采用垂直埋管的方式对地温温度场进行测量,间接确定土壤冻结深度。本文以 4种常用管材 (铁管、 PVC 管、 PMMA 管、 PPR 管) 为研究对象,分析了不同材质的垂直埋管对地温和冻结深度变 化测量的差异性,得到如下结果:(1) 冻融周期内,铁管、 PVC 管、 PMMA 管、 PPR 管测得的地温温度场有阶段 性差异,土壤冻结前期和融化期差异较小,冻结稳定时期差异明显扩大, 40~120cm 土层出现持续稳定差异, 直接导致各管计算冻融深度的差异。 (2) 计算各管冻融深度过程中,冻结期采用线性内插冻融层面间起始冻结温 度获得冻结锋面变化,融化期通过线性外延融土层温度场确定上下融化锋面变化,相比于传统内插温度场计算得 到冻融深度变化的方法,能够更为真实地反映了土壤的冻结状况。 (3) 利用上述方法对 4种不同材质管材的温度 场测量结果进行插值分析,并将各管计算冻结融化深度与实际状况进行比较,得出保温材料插值计算冻深值偏 小,冻融周期减少 8~13d ,利用铁管温度场计算冻深值平均偏大约 7.5cm ,但较保温材料能够更为精确反映土 壤的冻结融化过程。 (4) 利用 Stephen 经验公式计算了试验场区冻融状况,绘制了计算冻融过程线,整个冻融过程 结果与校正后人工观测结果基本吻合。
关键词:寒区;冻深测量;温度;插值法;差异性分析
中图分类号:TU413文献标识码:A doi :10.13243/j.cnki.slxb.201605061研究背景
冻土 (frozen ground ) 是指具有负温或零温并含有冰的土类和岩石,通常按处于冻结状态的持续时 间划分为短期冻土、季节冻土和多年冻土。季节性冻土是指地壳表层冬季冻结、夏季全部融化的岩 土层 [1]。在我国,季节性冻土广泛分布于华北,东北,西北等地区,约占国土面积的 54%[2]。气象观 测中主要采用 Denillin 冻土器对土壤冻结深度进行观测,但是测量结果会产生一定的误差,尤其是在 季节性冻土的融化阶段误差更为明显。同时, Denillin 冻土器依靠人工测量获取数据,无法做到对土 壤冻结状况的实时监测、自动采集,而在我国工程冻土试验研究方面已基本实现数据的自动采集与
分析 [3-5]。目前对冻土监测的主要技术手段有热敏电阻地温测量方法 [3, 6]、光纤光栅地温测量方法 [7]、
雷达探测法 [8]、遥感探测法 [9]等。 [8-9]光纤光栅测量需要用较复杂的技术和较昂贵的仪器或光纤器件对
传感器波长漂移进行检测,不便野外数据采集。雷达和遥感测量适宜用于大面积的地质测量,难于 应用于局部地区的精确测量。冻土工程实践中更多的是利用热敏电阻对不同深度地温进行观测 [10-11], 通过推求 0°C地温层位置确定土体冻融界面 [12-13]。在地温观测过程中,通常将温度传感器埋置在相应 土层中然后进行回填,或者为了避免在使用过程中传感器遭到侵蚀破坏 [14],方便回收再利用,进行 套管垂直埋设 [15]。地埋管目前在地源热泵领域应用较广 [16-17],而在冻土工程中,虽然相关地温和冻深
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测量的研究已有很多 [18-20],但是不同材质的埋管对其结果的影响研究较少,大多凭经验选取材质。
本文通过监测记录不同材质管材内不同深度处的地温值,利用线性内插和外延的方法,对各管 材计算得到的冻融过程进行差异性分析。即假定以冻融层面温度线性变化为前提,在土壤冻结过程 中,线性内插求解起始冻结温度点位置获得冻结锋面变化;融化过程中,利用温度梯度线性延伸的 方法获得上、下两融化锋面的变化。进而得到各管材计算冻融过程线,并与真实状况进行差异性分 析,筛选出与实际状况相接近的材质。最后利用 Stephen 公式对冻深测量结果进行验证分析,进一步 验证了修正后冻土器测量结果的准确性,对以后工程实践中冻深测量具有一定指导意义。
2
试验布置及试验方法 2.1试验区概况 试验区位于黑龙江省哈尔滨市东北农业大学试验基地 ()45°44′ 41″ N , 126°45′ 32″ E , 海拔 143m ,年平均气温为 4.5°C,年平均降水量 519.28mm ,年平均风速 3~4m/s,近十年平均冻融 指数分别为 1626.7°C×d和 3582.2°C×d,降水主要集中
在 7、 8月份,约占全年的 65%,属于中温带大陆性季风
气候。冬季寒冷漫长,春季多风干燥,夏季湿热降雨集
中,秋季降温快历时短,具有冷热悬殊、干湿不均、四
季分布变化较快等气候特点。经人工分层取样可知,试
验区 0~40cm 土层为黑色壤土, 40cm 以下为黑色粘土。
2.2试 验 方 案 本 次 试 验 场 地 选 取 试 验 区 中 地 势 平 整 ,
无杂草植被覆盖,周边无高大树木影响空气对流,并且
附近没有热源的露天空地,以减少对试验的干扰。考虑
到 不 同 管 材 传 热 特 性 会 对 温 度 传 感 器 数 据 采 集 产 生 影
响,为了探究不同材质管材对冻结深度测量的影响,选
取 铁 管 、 PVC 管 、 有 机 玻 璃 (PMMA ) 管 、 PPR 管 四 种 不
同的常用且易获得的材质管材进行观测。各管布置及参
数如图 1、表 1所示。
管材材质
铁
PPR PVC PMMA
密度 /(kg/m3) 7200
90013901180内径 /cm3.6043.4483.7164.168外径 /cm4.2484.0904.0224.404壁厚 /cm0.3220.3210.1530.118导热系数 /(w/m·k ) 80.000.240.150.14表 1
各管材物理性质参数 传统方法采用 0°C等温线所处深度作为冻结深度,但是考虑到土的冻结温度受到土颗粒的矿物 化学成分、分散度、水溶液的成分和浓度等因素的影响, 0°C不能作为判断土体冻结的标志 [2]。土体 温度随环境温度降低而逐渐降低,当温度降低至某一值时,土中部分水分子聚集形成细微的晶核, 随后更多的水分子围绕晶核排列,晶核稳定生长,水开始冻结并且温度迅速升高达到稳定即为起始 冻结温度 [21]。本次试验开始之前,钻取试验场区土样,参照 SL237-1999《土工试验规程》 的要求进行 起 始 冻 结 温 度 试 验 。 测 得 场 区 深 度 0~40cm 土 壤 起 始 冻 结 温 度 为 -0.10°C, 40cm 以 下 为 -0.15°C, 以此温度等温线来代替冻结锋面,而融化时以 0°C土壤温度来确定土壤消融状况。
因为较浅层土受气温、太阳辐射等因素影响剧烈,深层土壤温度变幅较小,浅层土壤测点布设 较为密集,深层则较为稀疏,测点深度分别为 5、 20、 40、 80、 120、 160和 200cm 。每个测点布置一 根校准后的 PT100型铂电阻温度传感器,利用人工便携式 XSL16温度巡检仪对地温进行测量,其测 量精度为 ±0.1°C,并且读数稳定,便于野外测量。同时,试验场地内布置一副冻土器 (最大测量深度 图 1不同材质管材平面布置图 N 2m 2m 1m 2m
2m 1. 7m — — 22
为 250cm ,测量精度 1cm ) 对冻深以日为单位连续观测。
为保持测管内干燥的测量环境,使温度传感器不受侵蚀导致测量精度下降,埋设前各个管材进 行封底处理。将温度传感器置入各管材中并保证不与管壁直接接触,对各管高出地面 (约 30cm ) 的顶 端进行封闭,隔绝与外界气体对流,免受雨雪的影响。冻土器内胶管灌水时,一般采用蒸馏水或者 自来水,本次试验选取试验场区原位土制备并经充分搅拌沉淀后得到的上清液灌制,此方法体现了 试 验 场 区 土 壤 盐 分 及 矿 物 水 平 , 增 加 了 软 管 内 水 中 冻 结 核 数 量 , 能 够 较 为 准 确 地 反 映 真 实 冻 结 状 况,减少试验误差。
2.3试验方法 试验过程中,通过 Apresys USB 温度记录仪对气温逐日逐时测量。每日清晨 8:00利用
XSL16温度巡检仪对所有温度传感器实测值进行收集,读取冻土器冻深和融深值,人工记录。随着 冻深的发展,不定期利用人工取土钻在试验区内钻取土样,测得其冻 (融) 深值,以此结果作为真实 冻深值,对冻土器测量结果进行调整。 3
土壤冻融状态分析 3.1气 温 状 况 分 析 本 次 试 验 气 温 测 量 时 段 为 2014年 11月 5日 ~2015年 4月 30日 , 利 用 Apresys USB 温度记录仪进行温度记录。依据测量结果,日平均气温状况如图 2所示。 由图 2可知,试验场区在测量时段内气温波动趋势可大致分为温度快速下降,持续低温和温度回 升三个阶段,分别以 12月中旬和 2月上旬为分界线。日平均气温最低值均出现在 2014年 12月 18日, 即 刚 进 入 持 续 低 温 段 , 温 度 为 -28.1°C。 其 中 日 平 均 气 温 0°C以 下 天 数 为 115d , 计 算 冻 结 指 数 为 1121.3°C×d。 3.2土壤冻结状态分析 本次试验利用冻土器和实地取样确定冻结期内试验区冻深发展状况,模拟 自然状况下监测野外冻深变化。由冻土器观测结果,试验场区土壤冻结期为 2014年 11月 3日至 2015年 4月 30日,持续时间 179d 。在试验区周边 5m 范围内进行钻挖,判断取出土柱的冻结状态,确定 冻结锋面位置,并测量冻结锋面距地面高度,将之作为真实冻深值。冻土器与人工钻挖结果比较见 表 2,最大误差为 8cm ,差异较为明显。因此,冻土器观测结果需要进行修正才能更为真实反映试验 场区土壤冻结状况。利用真实冻深值与冻土器观测值进行校正,绘制校正后土壤逐日冻结融化的冻 融过程线如图 3所示。
分析图 3可知,观测时段内土壤状态可大体分为两个时期:冻结期和融化期。冻结期,土壤自 日期
冻结 融化
观测值 /cm
校对值 /cm
观测值 /cm
校对值 /cm2014/11/28-45.2-43.5002014/12/10-65.8-68.0002015/12/26-96.2-91.0002015/3/26-137.9-134.0-28.0-20.02015/4/17-122.8-124.0-68.0-67.02015/4/27-114.8-120.0-95.7-98.5表 2冻土器冻深观测值与钻挖实测值比较 30
20
10
0-10-20-30气 温 /°C 11/511/2012/512/201/41/192/32/183/53/204/44/19日期
图 22014— 2015冬季气温历时曲线 日期 0-20-40-60-80-100-120-140-160冻 结 深 度 /c m 14/11/314/12/315/1/315/2/315/3/315/4/315/5/3图 3校正后土壤冻融过程线
日平均气温 冻结期 融化期 冻 结 锋 面 融 化 锋 面 融 化 锋 面 —
— 23
11月 3日出现冻结,因为表层土壤温度敏感性较强 [22],白天气温高于 0°C,夜晚温度低于 0°C,土壤 出现白天融化夜晚冻结现象。经过 10天不稳定冻结期, 11月 13日开始进入稳定冻结,一直持续至翌 年 2月 27日达到最大冻结深度 142.7cm ,日均冻结速率为 1.22cm ·d -1。融化期, 2月 28日土壤开始自 下向上融化, 3月 16日表层土壤自上而下融化,此时出现两个融化锋面,形成冰冻夹层。深层日均 融化速率为 0.42cm ·d -1,表层日均融化速率 2.6cm ·d -1,直至 4月 30日两融化锋面交汇,交汇深度约 为 111.8cm ,之后不再观测到冻深。
4各管材计算温度与冻深差异分析讨论
各管温度受到材质不同的影响,试验中所监测到的温度也并非相同。各深度温度变化趋势见图
4。其总体变化趋势为温度降低 → 持续低温 → 温度回升,与日平均气温变化趋势一致。不同管材,同 一深度温度差异随冻深发展呈现差异扩大 → 差异稳定 → 差异缩小三个阶段。
252015
1050-5-10-15-20温 度 /℃ 20151050-5-10-15-20温 度 /℃ 14/11/314/12/315/1/315/2/315/3/315/4/315/5/3日期 (a ) 5cm 14/11/314/12/315/1/315/2/315/3/315/4/315/5/3日期 (b ) 20cm PMMA 管 铁管 PPR 管 PVC 管 PMMA 管 铁管 PPR 管 PVC 管
201510
50-5-10-15温 度 /℃ 12840
-4
-8温 度 /℃ 14/11/314/12/315/1/315/2/315/3/315/4/315/5/3日期 (c ) 40cm 14/11/314/12/315/1/315/2/315/3/315/4/315/5/3日期 (d ) 80cm PMMA 管 铁管 PPR 管 PVC 管 PMMA 管 铁管 PPR 管 PVC 管 1510
5
-5温 度 /℃ 14/11/314/12/315/1/315/2/315/3/315/4/315/5/3日期 (e ) 120cm
15
1050温 度 /℃ 14/11/314/12/315/1/315/2/315/3/315/4/315/5/3日期 (f ) 160cm PMMA 管 铁管 PPR 管 PVC 管 PMMA 管 铁管 PPR 管 PVC 管 图 4各深度不公管材温度变化曲线
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根据各管不同深度地温插值得到管内 -0.10°C, -0.15°C和 0°C等温线所处深度。其中冻结期以 各管内温度降至起始冻结温度为开始冻结,融化期以管内温度升至 0°C为开始融化,绘制各管冻融 过程线,如图 5所示,可见不同材质管材插值得出的冻深变化趋势与冻土器测量结果基本保持一致, 但在数值和时间上仍与冻土器测量结果有所差异,冻结期差异较小,融化期差异增大。由于各管同 一深度温度变化的不同,导致其冻结深度呈现明显差异。在冻结前期差异较小,随着冻深发展逐渐 扩大,并在最大冻深附近基本保持稳定;融化期差异较大。
4.1各管不同深度温度差异分析 根据图 4可知,各管材所测量的温度值存在差异,在日平均气温 快速下降阶段温度差异较小;持续低温阶段差异逐渐扩大,呈现出温度稳定 “分层” 现象;升温阶段 差异缩小。日平均气温快速下降阶段 (11月 5日— 12月 21日) ,由于土壤表层发生相变,由未冻状态 转变为冻结状态,其导热系数增大,使地 -气系统热交换量大大加强 [23],土壤与管内空气的热交换显 著增加,各管平均温降速率分别为 PMMA 管 0.19°C·d -1、 PVC 管 0.24°C·d -1、 PPR 管 0.25°C·d -1、铁 管 0.23°C·d -1, PMMA 管降温偏慢,其余各管差异并不明显。进入持续低温阶段后,日平均气温趋于 稳 定 , 浅 层 冻 土 温 度 受 气 温 影 响 保 持 稳 定 , 深 层 融 土 热 量 持 续 稳 定 释 放 。 随 着 冻 土 层 厚 度 逐 渐 增 大,深层土壤受气温变化的影响越来越小,温降速率逐步降低 [24],管内空气与冻土的温差增大,热 量交换快速、稳定,此时管内气体热量不断经管壁向土壤释放,管壁材料间较大的导热系数差异对 传热的影响逐渐扩大,温度呈现稳定的差异。这一时期 (12月 21日— 2月 10日) 各管平均温度由高到 低依次为 PMMA 管 -2.0°C、 PVC 管 -3.3°C、 PPR 管 -4.2°C、铁管 -5.45°C,与其导热系数大小顺序相 反,可见在稳定传热过程中各管间导热系数的不同对地温的测量产生了较大的影响。升温阶段 (2月 10日— 4月 30日) ,日平均气温在此期间波动回升,跟第一阶段类似,土壤温度伴随着气温变化开始快 速上升,不存在一个稳定的传热环境,各管内温度随着土壤温度上升逐渐上升,其平均温升速率分
别为 PMMA 管 0.15°C·d -1、 PVC 管 0.15°C·d -1、 PPR 管 0.17°C·d -1、铁管 0.18°C·d -1,差异并不明显。 各 管 在 相 同 深 度 达 到 最 低 温 度 的 时 间 与 温 度 值 也 呈 现 较 大 差 异 。 冻 结 时 , 各 管 内 温 度 不 断 下 降, 5cm 处铁管和 PPR 管于 1月 12日温度达到最低值, PMMA 和 PVC 管于 2月 10日达到最低值, 20cm 处除铁管 1月 12日达到最低值外,其余各管均于 2月 10日达到最低值, 40cm 处除铁管 1月 12日达到 最低值外,其余各管于 2月 10日前后温度达到最低值,而 80cm 均于 2月 11日前后达到最低值, 120cm 处 PPR 管、 PMMA 管于 2月 16日达到最低温度 -0.9°C、 0.6°C,铁管、 PVC 管分别于 2月 12日、 2月 19日达到最低值 -1.9°C、 0°C,各管间开始出现较大的提前和滞后现象。 160cm 处差异更大,铁管 呈现出明显提前趋势,于 2月 26日达到最低温度,其余管于 3月 6日前后达到最低温度值。可见,相 比于其他管材,铁管在各深度达到最低温度的时间均有所提前,并且从图中可较为明显得出铁管测 得地温平均水平较其他管材低。由表 1可知,各管导热系数大小关系为铁管 >PPR管 >PVC管 >PMMA管。随着土壤的冻结,土壤的导热系数逐渐增大,其大小仍远小于铁管导热系数,大于其余三种非 金属管材的导热系数。由于日平均气温于 2014年 12月 18日即达到了最低值,随后气温保持在一个较 低的水平,同时大气与土壤间产生较为稳定的热传递。相同条件下,导热系数较大的铁管热量传递 迅速,对土壤温度变化敏感度高,温度较低,达到最低温度的时间短。导热系数较小的非金属材料 (PVC 管、 PPR 管、 PMMA 管) 对土壤温度变化敏感性差,达到最低温度的时间较为滞后。土壤初始融 化时 160cm 处温度仍缓慢下降,其余深度温度均不同程度的回升,温度升高速率随深度加深逐渐减 小,至 4月上旬各管材内负温全部升至正温。
4.2各管冻结深度分析 由图 5可以发现各管冻深变化与冻土器测量结果在时间尺度上存在一定差 异 , 冻 结 过 程 差 异 较 小 , 融 化 过 程 差 异 较 大 。 11月 3— 11日 各 管 表 层 出 现 了 不 同 深 度 的 短 时 冻 结 , 与 冻 土 器 测 量 结 果 基 本 一 致 。 铁 管 、 PVC 管 、 PPR 管 、 PMMA 管 于 11月 12日 前 后 开 始 出 现 稳 定 冻 结,相比冻土器测得开始稳定冻结时间提前了 1d 。随着气温、地温的降低,管内温度不断下降,各 管内插计算得到的冻结深度不断加大,于 2月 26日前后各管达到最大冻深,与冻土器达到最大深度时 间有一定偏差,其深度分别为:铁管 145.9cm 、 PVC 管 115.0cm 、 PPR 管 134.1cm 、 PMMA 管 110.0cm 。 随后各管 120cm 和 160cm 处温度开始回升,内插温度得到的冻结深度开始逐渐变小,即可认为各管 — — 25
由图 4(d ) -图 4(f ) 可见,较深处地层 (80~160cm ) 温度变幅小且较为平稳,呈现一个较为稳定的 温度场。这一时期 (4月) 深层温度场比较恒定,并且相邻层面间温度梯度较为恒定,假定深层融土温 度沿垂直方向线性变化。为了减轻分层较厚导致插值法直接计算冻融界面深度产生的数值振荡 [25], 利用线性外延地温温度场的方法,得到一系列介于 80~120cm 的融化深度新数值,与原数据进行合 并。合并后各直管冻结过程见图 6。冻结初期,由于各管间温降速率差异较小,内插得到冻结深度变 化也基本一致,差异较小。 12月上旬过后,各管地温差异逐渐扩大并逐步稳定,冻结深度也呈现明 显的 “分层” 现象,图中可以明显区分出这一时期各管深度大小依次为,铁管 >PPR管 >PVC管 >PMMA管,其冻结速率分别为 1.03、 0.93、 0.82和 0.64cm ·d -1,此时冻结速率差异明显。铁管的导热系数较 大,其内空气通过管壁与周边土壤发生了更快的热交换,而其余各管的导热系数要小于周边土壤, 因此冻结深度小于冻土器测量值,呈现出 “保温” 现象。铁管、 PPR 管、 PVC 管、 PMMA 管计算得到最 大冻结深度依次为 146.0、 136.8、 120.0和 110.0cm 。融化过程中,各管下融化锋面差异保持基本不 变,上融化锋面下降速率分别为 2.29、 2.43、 2.66和 1.99cm ·d -1,其融化过程相差不大。同时,修正 后铁管、 PPR 管、 PVC 管、 PMMA 管所观测到的冻结结束日期分别延后了 16d 、 20d 、 6d 、 9d ,融 化结束深度精确至 80~120cm 间,较修正前更接近于校正后冻土器测量结果,但是结束日期仍有所 提 前 。 这 是 因 为 融 化 初 期 冻 土 器 软 管 中 大 部 分 水 仍 处 于 冻 结 状 态 , 这 些 冰 的 融 化 需 要 大 量 的 相 变 热,而各管内温度传感器测量的是管内气体温度,气体从负温升至零温或者正温过程中并不存在相变 过程,并且空气的热容量较冰或水要小很多,因此所需热量较少。同时土壤在融化过程中冻融界面 温度较接近于 0°C,冻结层面温度日变幅均小于等于 0.1°C,可认为其温度梯度为零,即冻土处于临 界状态,易受干扰。管内空气的自然对流 [26]使温度产生小幅度正向偏移,对试验结果造成了一定干 扰,使各管融化时间出现不同程度的提前。
同时,各管冻结深度变化过程也存在较为明显不同,各直管计算的冻结 -融化过程与校正后冻土 器的观测数据差值 (冻土器测量深度减去各管温度场计算深度) 如图 7所示,各直管最大冻结深度和融 化点深度如表 3所示。可见,各管与冻土器测量结果差值在 2014年 11月至 12月期间波动较为剧烈, 随着土壤冻结逐步稳定,各非金属管的计算冻深偏差逐渐增大,铁管在达到最大冻深之前基本上都 较冻土器结果偏大。这是因为冻土与非金属管之间的传热存在一定的滞后,冻土在纵向冻结过程中 开始单向融化。随着日平均气温的回升,各管表层均于 3月 15日前后开始出现正温,与冻土器观测 到 结 果 相 差 不 到 1d , 自 此 开 始 双 向 融 化 。 但 是 融 化 结 束 时 间 有 所 差 异 , 铁 管 、 PVC 管 、 PPR 管 、 PMMA 管分别于 4月 8日、 4月 11日、 4月 1日、 4月 10日融化贯通。但是依据现场采样和冻土器观测 数据表明,此时仍有冻土存在,各直管监测结果与之相比提前了 19~29d 不等。此时各直管 80cm 和 120cm 处温度开始从负温升至正温,不能简单地认为 80~120cm 土层间已经完全融化,因而与实际状 况产生较大偏差。由于该土层跨度较大,为了精确测量结果,需要获取各管在该深度范围内的冻结 状况。
图 5各管测量冻融过程线 图 6修正各管冻融过程线
0-20-40
-60-80-100-120-140-160深 度 /c m 14/11/314/12/315/1/315/2/315/3/315/4/315/5/3日期 0-20-40-60-80-100-120-140-160深 度 /c m 14/11/314/12/315/1/315/2/315/3/315/4/315/5/3日期 铁管 PVC 管 PPR 管 PMMA 管 冻土器 铁管 PVC 管 PPR 管 PMMA 管 冻土器
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综上所述,在利用插值法来推求土壤冻结深度变化时,由于各管材同一深度地温的差异,其结 果与地温变化存在相似的规律。土壤冻结前期,同一深度各管温差和计算冻结深度差异不明显;随 着冻深发展,各管在温度和冻深测量结果上的差异逐渐扩大,随后保持稳定,其大小与各管的导热 系数大小相关;最后随着各管温度差异的逐渐缩小,冻结深度也呈现缩小的趋势。同时,与冻土器 观测结果相比,不同材质管材在推求冻深时在数值上均存在一定的差异,时间尺度上冻结期差异较 小,融化期均有所提前,其中铁管计算冻深结果与真实值最为接近,偏差较小,相关性较高。 5季节性冻深变化估算
季节性冻土地区冻结深度和融化深度的模拟有数值模拟和经验公式的方法,本文利用 Stephen 方 法对试验场区最大冻结深度和最大融化深度以及冻融过程的大致估算。该方法没有考虑外部热量交 换和冻结岩层与下卧融土层的热量交换并且假设岩土性质均匀,土壤表层的初始温度为 0°C。 Ste? phen 公式如下所示 [27-28]:
D f
=
(1) D t
=(2)
式中:D t 和 D f 分别为融化深度和冻结深度; FI 为冻结指数 (°C·d ) ;下标 t 、 f 分别代表融土与冻土; λ为岩土的导热系数 (w/m·k ) ; n 为地表参数,综合反映下垫面情况,无植被区为 2.55[29-30]; T a 为融化季 节平均气温 (°C) ; t 为融化季节持续时间; Q 为单位体积土冻结或融化时放出或吸收的热量 (kJ ·m -3) , Q=L·r d ·(W-W u ) ; L 为冰的融化热 (3.3×105J ·m -3) ; W 为土的总含水量 (%) ; W u 为冻土中的未冻水含 量 (%) , r d 为土的干容重 (kg ·m -3) 。未冻水量与温度的关系对于粘性土可近似地按下式计算:
W u =K ()q W p (3)
名称
最大冻结深度 /cm
日期
融化点深度 /cm
日期 铁管 146.02015/2/2697.82015/4/24PVC 管 120.02015/2/27
83.22015/4/17PPR 管 136.82015/2/26
101.42015/4/22PMMA 管 110.02015/2/16
88.12015/4/19校正后 142.7
2015/2/27
111.82015/4/30表 3
各直管冻融过程特征深度比较 向 大 气 传 热 平 衡 过 程 要 快 于 管 内 空 气 与 冻 土 的 横 向
热 平 衡 过 程 , 导 致 非 金 属 管 测 的 冻 土 深 度 偏 小 。 而
冻土与金属管热交换较为迅速,管壁的纵向传热可能
导致金属管的冻结深度略微偏大。 PVC 和 PMMA 管观
测 结 果 偏 差 较 大 , 后 期 偏 差 稳 定 增 加 , 尤 其 是 在 自
下 而 上 融 化 阶 段 达 到 最 大 , 两 根 直 管 观 测 最 大 冻 深
分 别 偏 小 22.7cm 和 32.7cm , 观 测 的 融 化 过 程 仅 为
33d 和 36d , 相 比 冻 土 器 观 测 结 果 少 了 12d 和 9d , 相差较大。 PPR 管在冻结初期偏差较小; 12月 30日至
3月 27日冻结深度基本保持稳定,稳定偏小约 7.8cm ; 4月初偏差逐渐扩大。铁管在冻结期与真实值比较接 近,在 12月 1日— 2月 5日,即计算冻深在 50~140cm 间平均偏大 9cm ,但是最大冻结深度偏差不足 5cm ,整体偏差呈现先快速扩大、逐渐缩小、再扩大的变化,分别对应冻结初期、冻深发育期、自 下而上融化期。
50403020100-10-2014/11/314/12/315/1/315/2/315/3/315/4/315/5/3日期
图 7修正后各管冻深与校正后冻土器深差值历时曲线
铁管 PVC 管 PPR 管 PMMA 管 —
— 27
式中:W p 为塑限含水量; K 为温度修正系数。
土的总含水量和干容重取值根据野外实测数据
得 W 取 18.72%, r d 取 1490kg ·m -3,未冻水含量通过 (3) 式 计 算 得 7%, λf 和 λt 分 别 按 文 献 [27]查 表 得
1.13w/m·k 和 1.58w/m·k 。公式 (1) 中 FI 为地表冻结 指数,本次试验并未在 0cm 处布设温度传感器,利 用文献 [31]中回归公式和日平均气温值计算地面温度。
根 据 所 选 参 数 值 进 行 计 算 , 结 果 如 图 8所 示 。
利 用 Stephen 公 式 的 计 算 冻 深 普 遍 偏 浅 , 融 化 深 度
偏大。计算最大冻结深度为 137cm ,但是达到时间
比实际情况晚了半个月,在时间尺度上并不是十分
精确。土壤达到最大冻深后,虽然此时日平均气温 仍处于负温,底部已经开始稳定地缓慢融化,直至日平均气温转正,才开始双向融化。这与一般冰 冻度 -日法对静水冰生消过程预测结果相一致,练继建等 [32]对此现象进行了相关研究,提出利用辐射 冰冻度 -日法求解冰的生消过程,得到较好的模拟效果。在以后研究过程中可借鉴此法对土壤冻融过 程进行模拟,减小 Stephen 公式法在时间上的预报误差,提高预报精度。同时,公式计算的融化深度 与同时期融化深度相比明显偏大,计算融化点与冻土器观测结果比较接近,于 4月 28日两融化锋面 交汇于 110cm 。可见,利用公式法对本次试验场地冻深测量结果进行了验证,与校正后冻土器测量 结果基本吻合。
6结论
通过开展垂直埋管温度场测量试验,研究了不同材质管材在温度场变化过程中冻结 -融化深度拟 合情况的差异性。得出以下结论:
(1) 根据日平均气温变化状况,可将整个冻融周期划为温度快速下降、持续低温和温度快速升高 三个阶段。各管测得的地温温度场存在差异,温度快速下降阶段和快速回升阶段,各管同一深度间 温差较小,持续低温阶段不同深度地温呈现较大差异,出现分层现象,温度由低到高与各管的导热 系数大小顺序相反,但是并未发现有较明显数学关系。
(2) 利用各管地温温度场求解冻结深度时,冻结期对冻融层面间内插起始冻结温度得冻结锋面深 度,融化期通过线性外延融土层 0°C等温线确定融化深度的方法,相比于传统插值方法,减轻了传 感器间距过大造成的数值振荡,精确了融化点位置,能更加准确地反映真实冻结状况。
(3) 通过插值地温温度场的方法获得土壤冻深变化,发现不同材质的管材得到的冻深状况存在差 异。日平均气温快速下降阶段,各管计算冻结深度差异并不明显;持续低温阶段各管由于温度的分层 现象,导致冻结深度也出现了类似的明显分层现象,大小依次是铁管 >PPR管 >PVC管 >PMMA管;而在 温度快速回升阶段,各管下融化锋面之间差异保持恒定并有缩小的趋势,上融化锋面变化差异较小。
各管冻深计算值与冻土器测量结果相比,铁管在冻结期平均相对误差为 1.8%,最大冻结深度偏 大约为 3.3cm ,达到最大冻深日期相差仅 1d ,完全融化日期提前了 6d 。相比其他管材,其计算冻深 变化过程与真实状况最接近。因此,在以后冻深测量中可埋设铁管,利用其温度场数据推求冻深变 化,能够得到比较精准的结果。
(4) 利用 Stephen 公式对本地区土壤季节性冻融过程进行模拟。模拟冻融深度均小于实测冻结深 度值,并且在时间尺度上存在较大滞后,但是深度差异较小,接近真实冻深。模拟最大冻结深度为 137cm ,融化点深度为 110cm ,与真实值的相对误差分别为 3.9%和 1.6%。
14/11/314/12/315/1/315/2/315/3/315/4/315/5/30-20-40
-60-80-100-120-140-160深 度 /c m 冻土器 Stephen 公式 日期 图 8Stephen 计算冻深与冻土器校正冻深历时曲线 —
— 28
参 考 文 献:
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Variability analysis of freezing depth mode of vertical buried pipes
with different materials in cold area
WANG Enliang , ZHANG Anqi , BAO Tiane , LIU Xingchao
(School of Water Conservancy and Civil Engineering , Northeast Agricultural University , Harbin 150030, China )
Abstract :Denillin freezing meter was often used to monitor soil frozen depth in cold area , but manual measurement was easily influenced by the factors of weather , terrains , low temperature , human etc. Verti? cal buried pipes are always chosen to measure soil temperature field for confirming frozen depth indirectly. With the purpose of exploring the influence of different pipes (iron pipe , PVC pipe , PMMA pipe and PPR pipe ) on measuring soil temperature and frozen depth , diversity of measurement results is analyzed. (1) Differences exist among the measured ground temperatures of the different pipes :smaller in the early freezing and thawing stage , and enhanced in the stabilization freezing stage obviously. A steady difference of soil temperature , which leads to a variability in calculating freezing-thawing depth , is found in the 40~ 120cm layer. (2) The method , getting freezing front depth by interpolating -0.15℃ isothermal on the freez? ing and thawing layer in freezing period and obtaining thawing depth through linear extending 0℃ isother? mal on the thawing layer in thawing period , makes the calculation thawing point more accurate and reflects the real condition of the freezing-thawing process of soil preferably in comparison with traditional interpola? tion. (3) There is a little difference in measuring freezing-thawing depth by using the method mentioned above. The frozen depth of PVC , PPR and PMMA (thermal insulation material ) pipes are smaller than the actual condition , where the difference is remarkable. The thawing time of different pipes is 8~13days ahead of time in comparison with the revised freezing-thawing process. The iron pipe is a better pipe which has a high precise in reflecting the freezing condition through the difference analysis , the average deviation is 7.5cm in the freezing period. (4) The Stephen empirical formula is adopted in calculating the freezing-thaw? ing process of the test area , and the results verify the accuracy of the manual observation.
Key words :cold area ; frozen depth measurement ; temperature ; interpolation ; variability analysis
(责任编辑:祁 伟) —
— 30
范文二:黑龙江省土壤最大冻结深度表(修)
站点名称漠河塔河新林呼玛加格达奇黑河嫩江孙吴逊克讷河德都北安克山克东嘉荫乌伊岭龙江甘南富裕齐齐哈尔林甸依安拜泉海伦明水绥棱
建站时间
1957年4月1日1960年12月1日1972年1月1日1954年1月1日1966年7月1日1959年1月1日1949年8月1日1954年1月1日1959年9月1日1954年1月1日1966年8月1日1958年1月1日1948年10月2日1959年1月1日1958年10月1日1974年1月1日1958年1月1日1954年11月11日1956年10月6日1949年6月1日1956年12月1日1956年12月1日1956年12月1日1952年6月13日1953年1月1日1961年1月1日
地理位置及海拔高程
52o58′N,122o31′E,433.0m52o21′N,124o43′E,361.9m51o42′N,124o20′E,494.6m51o43′N,126o39′E,177.4m50o24′N,124o07′E,371.7m50o15′N,127o27′E,166.4m49o10′N,125o14′E,242.2m49o26′N,127o21′E,234.5m49o35′N,128o27′E,111.9m48o29′N,124o51′E,202.8m48o30′N,126o11′E,271.8m48o17′N,126o31′E,269.7m48o03′N,125o53′E,234.6m47o26′N,126o58′E,239.2m48o53′N,130o24′E,90.4m48o34′N,129o26′E,404.5m47o20′N,123o11′E,190.0m47o56′N,123o30′E,185.2m47o48′N,124o29′E,162.7m47o23′N,123o55′E,145.9m47o11′N,124o50′E,154.0m47o43′N,125o18′E,218.4m47o36′N,126o06′E,230.7m47o26′N,126o58′E,239.2m47o10′N,125o54′E,247.2m47o14′N,127o06′E,202.7m
数值(cm)
>350256329281309298252239221288247250282297210278251264230225230272238231207230
统计年限/出现时间
1991年10月至1997年9月/1997年5月31天
多年冻土区
多年冻土区
1973年9月至2007年12月/2003年6月16天、7月31天、8月23天1974年10月至2007年12月/1977年6月4天
多年冻土区
1954年11月至2007年12月/1969年4月14天、5月18天1968年11月至2007年12月/1970年4月11日1959年1月至2007年12月/1960年7月8日
多年冻土区
沿河条带状多年冻土<>
1954年11月至2007年12月/1973年3月3天、4月28天1964年1月至2007年12月/2001年4月5天、5月14天1960年10月至1980年6月/1965年5月21天、6月18天1959年11月至1981年5月/1966年6月4天
1966年10月至1979年12月/1969年5月4天、6月12天
1962年10月至2007年12月/1969年5月22天、6月30天、7月5天1954年11月至2007年12月/1977年5月19、21日1960年12月至1980年7月/1966年6月3天,7月1、2日1960年10月至1981年5月/1969年3月30、31日,4月12天1975年10月至1981年5月/1977年4月29日、5月2天1958年12月至1980年5月/1969年4月17天、5月3天1961年4月至1980年4月/1969年3月3天、4月7天
1959年10月至2007年12月/1966年4月3天、5月25天、6月30天、7月8天1954年12月至2007年12月/1966年4月10天
1959年10月至1980年6月/1966年5月6天、6月19天1960年1月至1980年6月/1969年7月30、31日,8月3天1960年1月至1980年7月/1969年4月3天
1959年1月至2007年12月/1969年4月4天、5月19天1959年11月至2007年12月/1969年4月23天
1964年10月至1980年6月/1969年4月16天、5月29天
第1页(共3页)
站点名称
伊春鹤岗萝北同江抚远绥滨富锦杜尔伯特泰来青冈望奎绥化安达肇东兰西庆安铁力巴彦汤原佳木斯依兰桦川集贤宝清饶河
建站时间
1955年10月1日1955年11月1日1956年12月1日1967年1月1日1968年1月1日1956年12月1日1952年8月1日1959年1月1日1958年1月1日1956年12月1日1956年12月1日1952年6月25日1952年7月1日1959年1月1日1956年11月1日1956年12月1日1957年12月1日1960年1月1日1958年10月1日1949年6月1日1959年1月1日1967年1月1日1956年12月1日1956年10月1日1958年10月1日1957年10月1日
地理位置及海拔高程
47o44′N,128o55′E,240.9m47o22′N,130o20′E,227.9m47o34′N,130o50′E,83.3m47o38′N,132o30′E,53.6m48o22′N,134o17′E,66.6m47o18′N,131o55′E,61.8m45o17′N,131o59′E,64.2m46o52′N,124o26′E,151.0m46o24′N,123o25′E,149.5m46o41′N,126o06′E,204.8m46o52′N,126o29′E,169.1m46o37′N,126o58′E,179.6m46o23′N,125o19′E,149.3m46o04′N,125o58′E,147.2m46o18′N,126o18′E,163.3m46o53′N,127o29′E,184.8m46o59′N,128o01′E,210.5m46o05′N,127o21′E,134.1m46o44′N,129o53′E,95.1m46o49′N,130o17′E,81.2m46o18′N,129o35′E,100.1m47o01′N,130o43′E,78.2m46o44′N,131o07′E,102.3m46o19′N,132o11′E,83.0m46o48′N,134o00′E,54.4m48o07′N,129o15′E,296.5m
数值(cm)
290238239217212208228281222199213221214199197206173195231220204220222260197254
统计年限/出现时间
1958年12月至2007年12月/1960年4月13、15日1961年1月至2007年12月/1966年4月4天1966年10月至1979年12月/1977年3月9天
1967年1月至1980年6月/1967年3月31日、4月13天1968年10月至1980年6月/1969年4月12天
230cm
240cm(-2003年)
1967年11月至2007年12月/1977年3月7天、4月9天1954年11月至2007年12月/1970年4月19天、5月3天1960年10月至1980年5月/1965年4月6天
1959年11月至1981年5月/1970年3月3天、4月19天1960年10月至1980年6月/1978年3月7天、4月7天1959年10月至1980年6月/1975年4月18、19日1962年10月至2007年12月/1969年4月19天、5月10天1959年1月至2007年12月/1977年3月6天、4月28天1960年11月至1980年5月/1969年5月22天、6月5天
1963年11月至1980年6月/1967年3月13天,4月30天,5月30天,6月1、2日1960年1月至1980年6月/1971年4月19、20日1959年11月至2007年12月/1987年2月26日1962年10月至1979年12月/1967年4月11天1962年1月至1979年12月/1977年4月21天
1955年1月至2007年12月/1977年4月21天、5月4天
1958年12月至2007年12月/1979年6月8日,1985年3月4天、4月8天1967年1月至1979年12月/1967年4月3天、5月26天、6月7天1971年12月至1979年12月/1977年4月25天、5月15天1959年11月至2007年12月/1987年3月9天、4月7天
1961年10月至1980年6月/1967年4月15天,1977年4月13天、5月9天1960年10月至1981年5月/1976年4月5天、5月29天第2页(共3页)
存疑
存疑
五营
站点名称
哈尔滨肇源双城呼兰阿城宾县木兰通河方正延寿尚志勃利鸡西林口虎林密山鸡东五常海林穆棱牡丹江绥芬河宁安东宁大庆肇州
建站时间
1949年1月1日1956年12月1日1956年12月1日1955年1月1日1959年5月1日1958年1月1日1956年12月1日1952年8月1日1962年1月1日1958年10月1日1952年8月1日1958年9月7日1949年1月1日1956年11月1日1956年12月1日1959年4月1日1966年8月1日1957年12月1日1957年12月1日1956年12月1日1949年1月1日1952年8月1日1959年1月1日1957年11月1日1956年11月1日1956年12月1日
地理位置及海拔高程
45o45′N,126o46′E,142.3m45o30′N,125o05′E,127.5m45o23′N,126o18′E,166.4m46o00′N,126o36′E,123.2m45o31′N,126o57′E,174.3m45o47′N,127o27′E,192.2m45o57′N,128o02′E,112.1m45o58′N,128o44′E,108.6m45o50′N,128o48′E,119.3m45o27′N,128o18′E,155.1m45o13′N,127o58′E,189.7m45o45′N,130o33′E,217.2m45o18′N,130o56′E,280.6m45o16′N,130o14′E,274.7m45o46′N,132o58′E,100.2m45o33′N,131o52′E,151.7m45o15′N,131o08′E,176.0m44o54′N,127o09′E,194.6m44o54′N,127o09′E,194.6m44o56′N,130o33′E,266.3m44o34′N,129o36′E,241.4m44o23′N,131o09′E,496.7m44o20′N,129o28′E,267.9m44o06′N,131o11′E,116.6m46o34′N,125o08′E,147.2m45o42′N,125o15′E,148.7m
数值(cm)
205182185197199193175197186183179195255212187243182187202168191241186180209187
统计年限/出现时间
1954年12月至2007年12月/1981年3月4天、4月5天
1959年10月至1979年12月/1970年4月13天,1977年3月11天、4月4天1963年10月至1979年12月/1969年3月3天、4月19天1962年10月至1979年12月/1967年3月3天、4月25天
1963年11月至1979年12月/1969年3月31日、4月19天,1975年3月8天、4月8天1964年11月至1979年12月/1969年4月12天1960年10月至1979年12月/1975年4月3天
250cm存疑
1958年11月至2007年12月/1982年3月8天、4月1日1964年11月至1980年5月/1966年4月14天
1962年11月至1980年6月/1971年3月10天、4月7天1958年12月至2007年12月/1967年4月12天1960年11月至1974年6月/1969年4月17、18日1954年10月至2007年12月/1970年4月5天1964年9月至1979年12月/1971年4月10、11日1960年11月至2007年12月/1969年4月12天1965年10月至1980年6月/1977年4月12天
1967年1月至1979年12月/1977年3月6天、4月23天
存疑
存疑
按200cm按200cm存疑2.55
1959年11月至1979年12月/1969年3月30、31日,4月27天,5月6天1966年10月至1979年12月/1967年3月4天、4月15天,1969年4月10天1960年1月至1979年12月/1960年4月2、3日,1969年4月14天1954年11月至2007年12月/1975年4月3天1961年10月至2007年12月/1977年4月17日
1960年11月至1981年2月/1969年3月3天、4月21天1960年1月至1979年12月/1977年3月12天
1965年1月至2007年12月/1969年3月4天、4月6天1960年1月至2007年12月/1975年3月14天、4月6天第3页(共3页)
按180cm/200cm
第4页(共3页)
范文三:季节性冻土地区土壤冻结深度的研究.doc
季节性冻土地区土壤冻结深度的研究
* 李超 刘建军 程建军
(石河子大学,新疆石河子,832000)
: 季节性冻土在新疆分布广泛,冰冻期长达3,6个月之久。因此,抗冻设计是工程建设中必须重视的问题。其中冻摘要
土深度的合理确定是季节冻土区防冻设计的主要内容之一。本文通过调查研究和理论分析,对影响土壤冻结深度的气温、地下水位、土质和含水量等因素进行了分析探讨,提出了冻土深度合理的取值方法,为工程建设提供有益的参考。 关键词:季节性冻土、冻胀破坏、冻土深度
Research of ground frozen depth in seasonally frozen areas
1*LI Chao,LIU Jian-jun,CHENG Jian-jun
(1. Shihezi University, Xinjiang Shihezi, 832000 )
Abstract: Seasonally frozen ground are widely distributed in Xinjiang with froze-up lasting three to s-
ix months. So anti-freeze design must be paid high attention to in engineering constructions. Reson-
ably determining freezing depth is one of the main design contents in seasonally frozen regions. Th- rough the investigation study and theoretical analysis, each impact of temperature, water table, soil
Reasonable deter- and water content and other factors on freezing depth is discussed in this article.
mination method of freezing depth is put forward, which may provide some beneficial reference for
engineering construction.
Key words: seasonally frozen ground, frost heaving damage, freezing depth
1.引言
冻土是在温度下降到0?或以下时, 含有水分的土壤呈冻结状态的一种现象。一般可分为短时冻土、季节冻土和多年冻土。在我国,冻土也有广泛的分布,季节性冻土和多年冻土影响的面积约占中国陆地总
,1,面积的70,,如果算上短时冻土其面积则要占到90,左右,其中多年冻土约占22.3,,新疆地处亚洲中部的中纬度地区,地貌轮廓是三大山系包围两大盆地,北边是阿尔泰山,南边为昆仑山系,横穿新疆中部的是天山山脉;位于天山和阿尔泰山之间的是准噶尔盆地,天山与昆仑山之间是塔里木盆地。由于冬季寒冷,除了在阿尔泰山、天山、昆仑山的年平均气温?-3?的高寒山区,有多年冻土存在外,广大地区分布着3,6个月季节性冻土。季节性冻土层土体中的水分在冰冻过程中体积增大, 产生冻胀力, 迫使土粒发生相对位移, 到了春夏, 冰层融化, 地基沉陷, 即融陷。过大的冻融变形, 势必造成混凝土衬砌破坏或有关水工建筑物的损坏,不仅直接影响渠道的正常使用,而且增加了运行管理难度和工程修复费用;再者,在季节性冻土中敷设的埋地管道最常见问题是冻害破坏。当气温降至冰点以下时,土壤中水分的冻结伴随着水分向冻结前锋迁移,产生不均匀冻胀,加之周期性不可逆冻融循环,成为管道发生严重破坏的重要因素。地下排水管道通过周围的土壤介质不断散热,当管内水温度降至冰点以下时(管内壁就要挂冰,缩小通流断面(逐渐使管道形成冰塞构成冻害。寒区道路,水利,工业、民用建筑等所有将冻土作为基础的工程都与土壤冻结深度息息相关。
2 土壤冻结深度影响因素分析 ,2,3,4,5,目前已有的许多研究表明,气温、基土土质、地下水埋深、表面接受的日照和遮阴程度和表面积雪等对最大冻土深度均有不同程度的影响。
2.1气温
冻土是一种对温度极为敏感的土体介质, 因而气候是对冻土有重要影响的因素, 气候变化将影响冻土的地区分布和冰冻渗透深度。季节性冻结和融化层处在温度年变化层的上部, 更接近地表, 对气候变化
作者简介:李超,男,(1982-),汉族,硕士研究生。研究方向:水工结构。e-mail:lichehuo@21cn.com
*通讯作者:刘建军,男,(1958-),教授,研究方向:水工结构。电话:0993-2397033,e-mail:ljjda0601@163.com 基金项目,建设部专项《建设系统抗御暴风雪灾害对策研究》
更为敏感, 反应更为迅速。土体的冻结过程, 实际上是土体中温度的变化过程, 气温是衬砌渠道及建筑物产生冻胀破坏的先决条件, 在冻土地区是不可抗拒的。新疆最大冻土深度对冬季气温变化的响应十分明显。新疆多数地区属干旱气候区,降水稀少,一般在150mm以下,尤其是入冬前的秋季降水十分稀少,土壤湿度多年变化很小,这与年降水相对较多的东北和青藏高原有很大不同。因此,在气候要素对新疆冻土变化的影响中,气温变化的作用更显得突出。以下是新疆气象资料档案馆提供,资料时段为1961年入冬至
,3,2002年开春41个冬季天山以北10个站点冻土和气象资料。
表1 天山以北各站1961,1990年冬季与1991,2000年冬季平均气温比较(?) 年代 阿勒泰 塔城 博乐 乌苏 石河子 莫索湾 昌吉 奇台 淖毛湖 平均 1961-1990 -14.6 -9.7 -14.1 -12.7 -13.1 -15.8 -14.0 -15.1 -9.2 -12.5 1991-2000 -13.1 -8.1 -12.7 -11.5 -12.5 -15.3 -10.9 -14.8 -7.3 -11.2 90年代与+1.5 +1.6 +1.4 +1.2 +0.6 +0.5 +3.1 +0.3 +1.9 +1.3 30a之差
表2 天山以北地区各年代最大冻土深度以及平均最大冻土深度(cm) 年代 阿勒泰 塔城 博乐 乌苏 石河子 莫索湾 昌吉 奇台 淖毛湖 1961-1970 最大深度 >146 146 172 >150 140 156 150 141 133
平均最大 102 101 125 128 106 128 126 111 100 1971-1980 最大深度 139 124 168 >146 135 138 138 123 116
平均最大 90 92 129 127 114 109 124 114 100 1981-1990 最大深度 117 108 127 150 122 139 138 118 103
平均最大 89 67 110 122 95 119 115 106 72 1991-2000 最大深度 103 92 125 134 106 129 112 112 76
平均最大 87 56 109 116 88 92 92 102 68 1961-1990 最大深度 >146 146 172 >150 140 156 150 141 133
平均最大 94 87 121 126 105 118 122 110 90 90年代与最大深度 -33 -54 -47 -16 -34 -27 -38 -29 -57 30a之差 平均最大 -7 -31 -12 -10 -17 -37 -20 -8 -23
随着全疆气候变暖,尤其是冬季气候的变暖,使全疆各地的土壤的封冻期推后,解冻期提前,冬季冻土平均深度变簿,最大冻土深度减小. 特别是进入90年代以来气候显著变暖,使土壤解封冻期、冻土深度的变化更显著。
2.2 地下水位
虽然从总体上说地下水对冻深的影响力度没有气温那样大,但是在有地下水,尤其是浅埋地下水时,对冻深的大小有至关重要的作用。通过多年观测得出的冻深值可以看出在无雪覆盖, 对同一地区的土质和温度可认为基本相同时, 可以把地下水位的高低作为控制冻深大小的主要因素, 其表现为地下水位越浅(指距地表的深度),冻深越小;地下水位越深,冻深越大。据吉林某试验场地得到的观测数据及有关实测资
,6,料经统计回归分析后,得出冻胀率与地下水位呈线性关系:
,,26.552,0.137Z (1) W
式中:
η—冻胀率(cm);
Z—冻前地下水位; w
2.3 土质和含水量
基土对冻深的影响有两方面,一是土质,二是含水量。
不同的土质具有不同的导热系数。一般而言,黏土导热系数小,沙土的导热系数大。用导热系数大的土
质作为路基填土,其冻深必然大,反之,用导热系数小的材料作为路基填土,其冻深必然小。另外,热容也是影响冻深的重要因素。热容大,单位重量的材料每降低一度所放出的热量大。因此,热容大的材料不利于冻深的增加。水的热容大,相变成冰放热多,加上土体中水分的迁移作用,因此在同等条件下,含水量大的路基土冻结深度小。
2.3.1 土粒组成
冻土地区水利工程衬砌渠道及建筑物是否产生冻胀主要取决于土颗粒的大小, 不同的土颗粒组成对衬砌渠道及建筑物冻胀的影响程度也不同, 一般壤土地基较轻, 黏土地基较重, 按粒径组成可划分为非冻胀性土和冻胀性土。对于渠系工程而言,非冻胀性土:粒径小于0.075mm含量不大于10%的粗颗粒土;冻
,7,胀性土:细粒土及粒径小于0.075mm的含量大于10%的粗颗粒土。非冻胀土之所以不产生冻胀是因为土颗粒间隙大, 存在网体, 水易渗透, 土体中无停留水, 冻胀性土之所以冻胀是因为土颗粒间隙小, 表面积大, 不存在渗水网体, 与水相互作用的能量也相对增大, 使土体中的毛细水不易渗透, 停留在土体中, 低温下结冰膨胀而产生冻胀。
2.3.2 基土含水率
土体中水份的多少是引起土体冻胀的主要因素之一。土颗粒不管粒径多大,总有一个与它的比表面成比例的水分吸附着,这部分水分因分子间具有较大的吸引力,在一般负温下不冻结。这个与土粒比表面成正比,有较强分子束缚力的水,就是每一种土质特定的未冻含水量。如果某种土质中的含水量大于未冻含水量,那么多余的这部分水量在负温下冻结,由水成冰,体积膨胀。如果未冻含水量与成冰的体积之和小于土壤孔隙体积,则该土在这个含水量下不发生冻胀;如果大于土壤孔隙体积,则该土在这个含水量下发生冻胀。这个冻胀界限含水量称为该土壤的起始冻胀含水量。中国科学院冰川冻土研究所室内测定了各类土的起始冻胀含水量,见表3 。
表3 室内测定的各类土的起始冻胀含水量(%)
类型 粘土 亚砂土 砂土 砂砾石土 草
亚粘土 炭 细砂 中粗砂 砂砾 含粉粘粒
起始冻胀含水量 12,17 10,14 8,12 6,8 8,10 54
,8,某引水渠沙漠试验段沙层地基,天然含水状态下、模拟渠道产生渗漏后仍保留含水率18%以及饱和状态三种条件下的冻胀性实验结果如下:
表4 渠基沙土的冻胀实验结果
干密度 冻胀率(%) 冻胀力(kpa) 冻胀量?h(mm)
=2% =18% S=100% =2% =18% =2% =18% ,,,,,,
1.58 0.05 0.14 --- 0 12.0 6.0 ---
1.61 0.05 0.17 4.3 0 17.0 7.3 184.3
1.64 0.05 0.24 3.3 3.0 17.2 10.3 141.4
1.68 0.20 0.47 2.3 5.0 28.0 20.1 98.0
1.70 0.24 0.46 2.0 5.5 19.7 19.7 85.7
从上表可以看出,含水率相等情况下,粒径细的沙冻胀率稍高于粗粒径沙的冻胀率;当沙样到达饱和状态时,其密度小的冻胀率大于密度大的冻胀率,冻胀率为2%-4%;含水率增大到18%时,冻胀力随密度增大而增大。干密度与冻胀率关系如下图:
ρ-η关系曲线d
0.5
0.45
0.4
0.35 ω=2%0.3 ω=18%0.25
0.2
冻胀率η(%)0.15
0.1
0.05
0
1.61.611.641.681.7
3(g/cm)干密度ρd
图1 沙的干密度—冻胀率关系曲线
ρη关系曲线(S=100%)d —
5
4
(%)3η
2
冻胀率
1
0
1.611.641.681.7
3干密度ρ(g/cm)d
图2 沙的干密度—冻胀率关系曲线 2.4.积雪覆盖
季节性冻土在中国段天山山地分布广泛,其大部分在冬季被较为深厚的季节性积雪覆盖(因为积雪的
存在改变了冻土的边界条件。因而导致积雪覆盖下的冻土的热状况也随之发生改变。季节性积雪对其覆盖
下的冻土的热状况的影响是显著的(特别是比较深厚的积雪(如雪层厚度大于30cm,和无积雪覆盖的冻土
层相比,积雪层的存在,上移了和大气进行能量交换的层面,保持雪层底部的温度梯度稳定,加之积雪的
弱导热性和大热容量,很大程度地阻隔了地层热能的散失。 3.冻深的基本方程及近似解
在不考虑土中水分迁移,且假定土的冻结和融化温度为0,则土中最大冻结深度计算,可简化为有内
,9,热源的一维热传导问题。
3.1基本方程
2,,ttff冻土区, (2) ,f2,,x,
2,,ttuu未冻区 (3) ,,u2,,x,
ttx,()初始条件=0 >0 (4) ttx,(),xffuu
边界条件未冻区x,0 ,,0 (5) tf,(),
,t,t,dfu冻结界面上 (6) ,,Q,,fu0,,xxd,,,x,,x
t,,式中:t,分别为未冻区和冻结区的温度;,,分别为未冻区和冻结区土壤的导温系数;,,fffuuu
分别为未冻区和冻结区的导热系数;为冻深;为单位土体积中水相变放出的热量。 Q,0
3.2 Stephen冻深近似解析解
简化假定:未冻区温度呈直线分布,其上边界温度为;未冻区温度恒等于t,即t()t。可以得到 t,xs0u0
2()tt,,,ffs (7) ,,Q0
如果考虑空气放热及表面有保温材料时,修正后得如下公式
2()tt,,,ffs2 (8) ,,,SS,Q0
1,式中:S为空气热阻和表面保温材料热阻之和。 S,,()a,I
2,式中:a为空气放热系数,kJ/(,?);为保温材料的厚度,m; 为保温材料的导热系数,mh,,I
mh,,kJ/(?)
3.3 列本庄冻深近似解析解
简化假定:冻结区温度为直线分布,土表面负温保持常数t,未冻区的温度初始状态为多年平均气温t,sm
温度分布按半无穷大平面求解。可以得到冻深解为:
2()tt,,ffs2 (9) ,,(1A-A),Q0
t,t,Cmfuu (10) A,0.399Q,tt,0ffs
3.4 Neuman近似解析解
t简化假定:初始状态下的未冻区温度及冻结开始后未冻区的无穷深处温度均为,冻结开始时,表面温度m
t突然降低为。可以得到 s
(11) ,,,m
其中m为超越方程的解,即
22mm,,4,4,fu,,()()ttette,,Qm,ffsumf0 (12) ,,mm2erferf()[1()],,,fu22,,fu
3.5 鲁基扬诺夫近似解析解
,未冻区流向冻结区之热流q取平均值,冻结区温度分布取直线。简化假定:在冻结期表面温度取平均值ts
可解得
CttqS,,,,,,fff (13) [()][ln],,,,Qtt,0fu22()qtqSq,,,,,f
,,,ttt式中: fs
4 结语
(1)气候是对冻土的影响相对最大。在全球变暖背景下,近几十年来,中国地区的冻土总体表现为最大冻土深度减小,冻结时间推迟,融化时间提前,冻结持续日缩短,多年冻土面积萎缩,以及冻土下界上升的总体退化趋势。
(2)土质和温度基本相同时,地下水位越浅,冻深越小;地下水位越深,冻深越大。
(3)对于导热系数较大的沙土而言,含水率相等情况下,粒径细的沙冻胀率稍高于粗粒径沙的冻胀率;当沙样到达饱和状态时,其密度小的冻胀率大于密度大的冻胀率。
(4)季节性冻土在中国段天山山地分布广泛,其大部分在冬季被较为深厚的季节性积雪覆盖(季节性积雪对其覆盖下的冻土的热状况的影响是显著的,有待进一步研究。
参考文献
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范文四:季节性冻土地区土壤冻结深度的研究
冻土与地基基础??
季节性冻土地区土壤冻结深度的研究
李 超 , 刘建军 , 程建军 , 徐 峰
( ) 石河子大学 , 新疆 石河子 832000
【摘 要】 季节性冻土在新疆分布广泛 ,冰冻期长达 3,6 个月之久 。因此 ,抗冻设计是工程建设中必须重视 的问题 。其中冻土深度的合理确定是季节冻土区防冻设计的主要内容之一 。本文通过调查研究和理论分析 ,对
影响土壤冻结深度的气温 、地下水位 、土质和含水量等因素进行了分析探讨 ,提出了冻土深度合理的取值方法 ,为
工程建设提供有益的参考 。
【关键词】 季节性冻土 ;冻胀破坏 ;冻土深度
() 【中图分类号】 TU47512 【文献标识码】 A 【文章编号】 1001 - 6864 200910 - 0081 - 03
RESEARC H OF GRO UND FROZEN D EPTH IN SEASO NALLY FROZEN AREAS
L I Chao , L IU J ian2jun , CHENG J ian2jun , XU Feng
( )Shihezi University , Xinjiang Shihezi 832000 , China
Abstract :Seasonally frozen ground are widely distributed in Xinjiang with froze2up lasting three to s2 ix
months. So anti2freeze design must be paid high attention to in engineering constructions. Reson2 ably deter2
mining freezing depth is one of the main design contents in seasonally frozen regions. Th2 rough the investiga2
tion study and theoretical analysis , each impact of temperature , water table , soil and water content and other
factors on freezing depth is discussed in this article . Reasonable deter2 mination method of freezing depth is
put forward , which may provide some beneficial reference for engineering construction.
Key words : seasonally frozen ground ; frost heaving damage ;freezing depth
冻土是在温度下降到 0 ?或以下时 , 含有水分的土壤呈 , 因而气候是 冻土是一种对温度极为敏感的土体介质 冻结状态的一种现象 。一般可分为短时冻土 、季节冻土和多 对冻土有重要影响的因素 , 气候变化将影响冻土的地区分 年冻土 。在我国 ,冻土也有广泛的分布 ,季节性冻土和多年 布和冰冻渗透深度 。季节性冻结和融化层处在温度年变化 冻土影响的面积约占中国陆地总面积的 70 % ,其中多年冻 层的上部 , 更接近地表 , 对气候变化更为敏感 , 反应更为迅 1 速 。土体的冻结过程 , 实际上是土体中温度的变化过程 , 土约占 22. 3 %。新疆地处亚洲中部的中纬度地区 ,由于冬
季寒冷 , 除了在阿尔泰山 、天山 、昆仑山的年平均气温 ? 气温是衬砌渠道及建筑物产生冻胀破坏的先决条件 , 在冻 - 3 ?的高寒山区 ,有多年冻土存在外 ,广大地区分布着 3, 土地区是不可抗拒的 。新疆最大冻土深度对冬季气温变化 6 个月季节性冻土 。季节性冻土层土体中的水分在冰冻过 的响应十分明显 。新疆多数地区属干旱气候区 ,降水稀少 , 程中体积增大 , 产生冻胀力 , 迫使土粒发生相对位移 , 到了 一般在 150mm 以下 ,尤其是入冬前的秋季降水十分稀少 ,土
壤湿度多年变化很小 ,因此 ,在气候要素对新疆冻土变化的 春夏 , 冰层融化 , 地基沉陷 , 即融陷 。过大的冻融变形 , 势
影响中 ,气温变化的作用更显得突出 。据新疆气象资料档案 必造成有关水工建筑物的损坏 。再者 ,在季节性冻土中敷设
馆 1961 年入冬至 2002 年开春 41 个冬季天山以北 10 个站点 的埋地管道最常见问题是冻害破坏 。当气温降至冰点以下 3 时 ,土壤中水分的冻结伴随着水分向冻结前锋迁移 ,产生不 冻土和气象资料显示 ,随着全疆气候变暖 ,尤其是冬季气 均匀冻胀 ,加之周期性不可逆冻融循环 ,成为管道发生严重 候的变暖 ,使全疆各地土壤的封冻期推后 ,解冻期提前 ,冬季 破坏的重要因素 。可以说寒区道路 ,水利 ,工业 、民用建筑等 冻土平均深度变簿 ,最大冻土深度减小 。特别是进入 90 年 所有将冻土作为路基的工程都与土壤冻结深度息息相关 。 代以来气候显著变暖 ,使土壤解封冻期 、冻土深度的变化更
显著 。 1 土壤冻结深度影响因素分析 2 ,3 ,4 ,5 目前已有的许多研究表明,气温 、基土土质 、地下 1 . 2 地下水位 虽然从总体上说地下水对冻深的影响力度水埋深 、表面接受的日照和遮阴程度和表面积雪等对最大冻 没有气温那
土深度均有不同程度的影响 。 样大 ,但是在有地下水 ,尤其是浅埋地下水时 ,却对冻深的大
小有至关重要的作用 。通过多年观测得出的冻深值可以看 1 . 1 气温
[ 基金项目 ] 建设部专项《建设系统抗御暴风雪灾害对策研究》;石河子大学科技发展基金项目( RCZX200822)
82 低 温 建 筑 技 术 2009 年第 10 期( 总第 136 期) 出在无雪覆盖 , 对同一地区的土质和温度可认为基本相同 时 , 可以把地下水位的高低作为控制冻深大小的主要因素 ,
( ) 其表现为地下水位越浅 指距地表的深度,冻深越小 ; 地下
水位越深 ,冻深越大 。据吉林某试验场地得到的观测数据及 有关实测资料经统计回归分析后 ,得出冻胀率与地下水位呈 6 线性关系:
η()= 261552 - 01137 Z1 wη() 式中 , 为冻胀率 cm; Z为冻前地下水位 。 w
1 . 3 土质和含水量
基土对冻深影响一是 ,土质 ,二是 ,含水量 。
() 1土粒组成 。冻土地区水利工程衬砌渠道及建筑物
是否产生冻胀主要取决于土颗粒的大小 , 不同的土颗粒组
成对衬砌渠道及建筑物冻胀的影响程度也不同 , 一般壤土
地基较轻 , 黏土地基较重 , 按粒径组成可划分为非冻胀性
土和冻胀性土 。非冻胀土之所以不产生冻胀是因为土颗粒
间隙大 , 存在网体 , 水易渗透 , 土体中无停留水 。冻胀性土
之所以冻胀是因为土颗粒间隙小 , 表面积大 , 不存在渗水
网体 , 与水相互作用的能量也相对增大 , 使土体中的毛细
水不易渗透 , 停留在土体中 , 低温下结冰膨胀而产生冻胀 。
() 2基土含水率 。土体中水份的多少是引起土体冻胀 的主
要因素之一 。土颗粒不管粒径多大 ,总有一个与它的比 表面
成比例的水分吸附着 ,这部分水分因分子间具有较大的 吸引
力 ,在一般负温下不冻结 。这个与土粒比表面成正比 , 有较
强分子束缚力的水 , 就是每一种土质特定的未冻含水 量 。
如果某种土质中的含水量大于未冻含水量 ,那么多余的 这部
分水量在负温下冻结 ,由水成冰 ,体积膨胀 。如果未冻 含水的冻土的热状况的影响是显著的 。中国科学院新疆地理研 8 量与成冰的体积之和大于土壤孔隙体积 ,则该土在这个 含水究所马虹取了两个相距 5m 左右测点 ,除了积雪覆盖条件 量下发生冻胀 ,该冻胀界限含水量称为该土壤的起始冻 以外 ,两个测点处在相同的气象条件之下 。在有积雪覆盖的 胀含水量 。 测点 ,冻土深度要比无积雪覆盖测点处的冻土深度浅得多 , 7 某引水渠沙漠试验段沙层地基,天然含水状态下 、模 而且对外界气象条件的响应敏感性要弱得多 ,由此可以看 , 拟渠道产生渗漏后仍保留含水率 18 %以及饱和状态三种条 出积雪的存在对冻土热状况的影响 。 件下的冻胀性实验结果见表 1 。 2 冻深的基本方程及近似解
在不考虑土中水分迁移 ,且假定土的冻结和融化温度为
0 ,则土中最大冻结深度计算 ,可简化为有内热源的一维热传 9 导问题。
基本方程 2 . 1 表 1 渠基砂土的冻胀实验结果 2 9t 9 t ffα()冻土区 : = 2 f2冻胀率/ % 冻胀力/ kPa 冻胀量 ?h/ mm τ 99x 干密度 2 ω= 2 %ω= 18 %S = 100 %ω= 2 %ω= 18 %ω= 2 %ω= 18 % 9t 9 t uuα()未冻区 : = 3 u2 τ 99x 1 . 58 0 . 05 0 . 14 - 0 12 . 0 6 . 0 - τ ()初始条件 := 0 , x > 0 , t ( ) ( )4 u= t x, t= tx u f f 1 . 61 0 . 05 0 . 17 4 . 3 0 17 . 0 7 . 3 184 . 3 (τ)()边界条件未冻区 : x = 0 τ > 0 t = f 5 1 . 64 0 . 05 0 . 24 3 . 3 3 . 0 17 . 2 10 . 3 141 . 4 ζ 9td f 9t uλ冻结界面上 :() fλ+ Q6 =0 ζx=u 1 . 68 0 . 20 0 . 47 2 . 3 5 . 0 28 . 0 20 . 1 98 . 0 τ d9x ζ9x x = 1 . 70 0 . 24 0 . 46 2 . 0 5 . 5 19 . 7 19 . 7 85 . 7 αα式中 , t , t分别为未冻区和冻结区的温度 ;,分别 u f u f
λλ为未冻区和冻结区土壤的导温系数 ;,分别为未冻区和 u f 不同含水状态下干密度与冻胀率关系分别如图 1 ,图 2 ;ζ为冻深 ; Q 为单位土体积中水相变放 冻结区的导热系数 0 所示 。从图中可以看出 ,同一干密度的砂 ,含水率越大冻胀
出的热量 。 越强 ;含水率相等情况下 ,粒径细的砂冻胀率稍高于粗粒径 2 . 2 Steph en 冻深近似解析解 砂的冻胀率 ;当砂样到达饱和状态时 ,其密度小的冻胀率大 简化假定 :未冻区温度呈直线分布 ,其上边界温度为 t ; s 于密度大的冻胀率 ,冻胀率为 2 %,4 % ;含水率增大到 18 %
时 ,冻胀力随密度增大而增大 。 ( )未冻区温度恒等于 t,即 t x = t。可以得到 : 0 u 0 1 . 4 积雪覆盖 λ( )τ2t- t 季节性冻土在中国段天山山地分布广泛 ,其大部分在冬 f f s ζ = ()7 季被较为深厚的季节性积雪覆盖 。季节性积雪对其覆盖下 Q 0
如果考虑空气放热及表面有保温材料时 ,修正后得如下
83 李 超等 :季节性冻土地区土壤冻结深度的研究
公式 : 区而言 ,地下水位较深 ,因而不作为冻深主要影响因素 ,但冬 季积雪覆盖对冻深的影响是不容忽视的 。在有积雪的条件 λ( t- )τ 2 f f t s 2ζ = ()+ S - S8 下 ,由于雪的低导热性和比较大的热容量 ,阻隔了地中热能 Q 0的向外散失 ,从而起到了保持和提高地温的作用 。因此可以 1在以往无雪覆盖冻深基础上 ,考虑雪的覆盖厚度对于冻深的 ( 式中 , S 为空气热阻和表面保温材料热阻之和 。S = a 折减 , 比较真实地反映了实际情况 , 可供工程参考 。其计算 δ 2 式为 : + ) ; a 为空气放热系数 ,kJΠ(m ?h ??) ;δ为保温材料的 λ I λ() 厚度 ,m ;为保温材料的导热系数 ,kJΠm ?h ??。 I ()12 - k h′ h = h0 2 . 3 列本庄冻深近似解析解
简化假定 :冻结区温度为直线分布 , 土表面负温保持常 式中 , h为无覆盖条件下的冻深 ; h为覆盖雪厚′度 cm ; 0
数 t ,未冻区的温度初始状态为多年平均气温 t,温度分布 s m k 为系数 ,对松雪取 3 ,堆雪和散雪取 2 ,初融雪为 1. 5 。 按半无穷大平面求解 。可以得到冻深解为 :
参考文献
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高春香 ,苏立娟 ,宋进化 ,等. 内蒙古东北部冻土分布与地温关 简化假定 :初始状态下的未冻区温度及冻结开始后未冻 区的无穷深处温度均为 t,冻结开始时 ,表面温度突然降低 () m 系J . 内蒙古气象 ,2004 , 1:19 - 22. 4 高荣 ,韦志刚 ,董文杰 ,等. 20 世纪后期青藏高原积雪和冻土变 为 t 。可以得到 : s ( ) 化及其与气候变化的关系 J . 高原气象 , 2003 ,2 2 2 : 191 - 5 ζ τ= m ()10 196 . 江丽艳 ,刘迎春 ,杨柏松. 地下水位与冻深及冻胀的关系J . 吉 式中 , m 为超越方程的解 ,即 : () 林水利 ,2001 , 1:1 - 21 2 2 m m - - 6 4α4 a πλ( ) λ ( ) Qm t- t e t - t e 0 f f s f u m f u 张立德. 沙漠明渠工程设计施工关键技术研究与实践M . 北 = - m m 2 α ) 京 :中国水利水电出版社 ,20051 () (] erf a1 - erf f u 7 2 2 aa fu马虹 ,胡汝骥积雪对冻土热状况的影响J . 干旱区地理 ,1995 , 2 . 5 鲁基扬诺夫近似解析解 () 3:23 - 27 . 简化假定 :在冻结期表面温度取平均值 t, 未冻区流向 8 s 徐学祖 ,王家澄 ,张立新. 冻土物理学M . 北京 : 科学出版社 ,冻结区之热流 q 取平均值 ,冻结区温度分布取直线 。可解得 20011 9 张展羽 ,吴玉柏. 渠系改造M . 北京 : 中国水利水电出版社 , λΔ λΔ t t - qS f f ζ C fτ ) ( = [ Q+ t- t ] [ 0 f u ln-]2 2 λΔζ () t - q + S q 20041 qf 10 ()11
Δ其中 :t = t- t f s
3 结语 [ 收稿日期 ] 2009 - 07 - 16 冻土深度的合理确定对基础工程的冬季施工具有极为 () 李 超1982 - ,男 ,四川隆昌人 ,硕士研究生 ,研 [ 作者简介 ] 重要的意义 , 应当引起重视 。在工程应用中采用标准冻深 , 究方向 :水工结构。 其参数的取得较为方便 , 但取值一般较大 , 不太符合工程 () 编辑 王亚清的实际运行情况 , 使工程投资增大 , 造成浪费 。对于新疆地
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范文五:季节性冻土地区土壤冻结深度的研究
季节性冻土地区土壤冻结深度的研究
李超 刘建军* 程建军
(石河子大学,新疆石河子,832000)
摘要: 季节性冻土在新疆分布广泛,冰冻期长达3~6个月之久。因此,抗冻设计是工程建设中必须重视的问题。其中冻
土深度的合理确定是季节冻土区防冻设计的主要内容之一。本文通过调查研究和理论分析,对影响土壤冻结深度的气温、地下水位、土质和含水量等因素进行了分析探讨,提出了冻土深度合理的取值方法,为工程建设提供有益的参考。
关键词:季节性冻土、冻胀破坏、冻土深度
Research of ground frozen depth in seasonally frozen areas
LI Chao1,LIU Jian-jun*,CHENG Jian-jun
(1. Shihezi University, Xinjiang Shihezi, 832000 )
Abstract: Seasonally frozen ground are widely distributed in Xinjiang with froze-up lasting three to s-
ix months. So anti-freeze design must be paid high attention to in engineering constructions. Reson- ably determining freezing depth is one of the main design contents in seasonally frozen regions. Th- rough the investigation study and theoretical analysis, each impact of temperature, water table, soil and water content and other factors on freezing depth is discussed in this article. Reasonable deter- mination method of freezing depth is put forward, which may provide some beneficial reference for engineering construction.
Key words: seasonally frozen ground, frost heaving damage, freezing depth 1. 引言
冻土是在温度下降到0℃或以下时, 含有水分的土壤呈冻结状态的一种现象。一般可分为短时冻土、季节冻土和多年冻土。在我国,冻土也有广泛的分布,季节性冻土和多年冻土影响的面积约占中国陆地总面积的70%,如果算上短时冻土其面积则要占到90%左右,其中多年冻土约占22.3%[1],新疆地处亚洲中部的中纬度地区,地貌轮廓是三大山系包围两大盆地,北边是阿尔泰山,南边为昆仑山系,横穿新疆中部的是天山山脉;位于天山和阿尔泰山之间的是准噶尔盆地,天山与昆仑山之间是塔里木盆地。由于冬季寒冷,除了在阿尔泰山、天山、昆仑山的年平均气温≤-3℃的高寒山区,有多年冻土存在外,广大地区分布着3~6个月季节性冻土。季节性冻土层土体中的水分在冰冻过程中体积增大, 产生冻胀力, 迫使土粒发生相对位移, 到了春夏, 冰层融化, 地基沉陷, 即融陷。过大的冻融变形, 势必造成混凝土衬砌破坏或有关水工建筑物的损坏,不仅直接影响渠道的正常使用,而且增加了运行管理难度和工程修复费用;再者,在季节性冻土中敷设的埋地管道最常见问题是冻害破坏。当气温降至冰点以下时, 土壤中水分的冻结伴随着水分向冻结前锋迁移, 产生不均匀冻胀, 加之周期性不可逆冻融循环, 成为管道发生严重破坏的重要因素。地下排水管道通过周围的土壤介质不断散热,当管内水温度降至冰点以下时.管内壁就要挂冰,缩小通流断面.逐渐使管道形成冰塞构成冻害。寒区道路,水利,工业、民用建筑等所有将冻土作为基础的工程都与土壤冻结深度息息相关。
2 土壤冻结深度影响因素分析
目前已有的许多研究表明[2,3,4,5],气温、基土土质、地下水埋深、表面接受的日照和遮阴程度和表面积雪等对最大冻土深度均有不同程度的影响。 2.1气温
冻土是一种对温度极为敏感的土体介质, 因而气候是对冻土有重要影响的因素, 气候变化将影响冻土的地区分布和冰冻渗透深度。季节性冻结和融化层处在温度年变化层的上部, 更接近地表, 对气候变化
作者简介:李超,男,(1982-),汉族,硕士研究生。研究方向:水工结构。e-mail :lichehuo@21cn.com
通讯作者:刘建军*,男,(1958-),教授,研究方向:水工结构。电话:0993-2397033,e-mail :ljjda0601@163.com 基金项目,建设部专项《建设系统抗御暴风雪灾害对策研究》
更为敏感, 反应更为迅速。土体的冻结过程, 实际上是土体中温度的变化过程, 气温是衬砌渠道及建筑物产生冻胀破坏的先决条件, 在冻土地区是不可抗拒的。新疆最大冻土深度对冬季气温变化的响应十分明显。新疆多数地区属干旱气候区,降水稀少,一般在150mm 以下,尤其是入冬前的秋季降水十分稀少,土壤湿度多年变化很小,这与年降水相对较多的东北和青藏高原有很大不同。因此, 在气候要素对新疆冻土变化的影响中,气温变化的作用更显得突出。以下是新疆气象资料档案馆提供, 资料时段为1961年入冬至2002年开春41个冬季天山以北10个站点冻土和气象资料[3]。
表1 天山以北各站1961~1990年冬季与1991~2000年冬季平均气温比较(℃) 年代 1961-1990 1991-2000 90年代与30a 之差
阿勒泰 -14.6 -13.1 +1.5
塔城 -9.7 -8.1 +1.6
博乐 -14.1 -12.7 +1.4
乌苏 -12.7 -11.5 +1.2
石河子 莫索湾 -13.1 -12.5 +0.6
-15.8 -15.3 +0.5
昌吉 -14.0 -10.9 +3.1
奇台 -15.1 -14.8 +0.3
淖毛湖 -9.2 -7.3 +1.9
平均 -12.5 -11.2 +1.3
表2 天山以北地区各年代最大冻土深度以及平均最大冻土深度(cm )
年代
阿勒泰 塔城 博乐 >146 102 139 90 117 89 103 87 >146 94 -33 -7
146 101 124 92 108 67 92 56 146 87 -54 -31
172 125 168 129 127 110 125 109 172 121 -47 -12
乌苏 >150 128 >146 127 150 122 134 116 >150 126 -16 -10
石河子 莫索湾 140 106 135 114 122 95 106 88 140 105 -34 -17
156 128 138 109 139 119 129 92 156 118 -27 -37
昌吉 150 126 138 124 138 115 112 92 150 122 -38 -20
奇台 141 111 123 114 118 106 112 102 141 110 -29 -8
淖毛湖 133 100 116 100 103 72 76 68 133 90 -57 -23
1961-1970 最大深度
平均最大 1971-1980 最大深度
平均最大
1981-1990 最大深度 平均最大
1991-2000 最大深度
平均最大 1961-1990 最大深度
平均最大 90年代与30a 之差
最大深度 平均最大
随着全疆气候变暖, 尤其是冬季气候的变暖, 使全疆各地的土壤的封冻期推后, 解冻期提前, 冬季冻土平均深度变簿, 最大冻土深度减小. 特别是进入90年代以来气候显著变暖, 使土壤解封冻期、冻土深度的变化更显著。
2.2 地下水位
虽然从总体上说地下水对冻深的影响力度没有气温那样大, 但是在有地下水, 尤其是浅埋地下水时, 对冻深的大小有至关重要的作用。通过多年观测得出的冻深值可以看出在无雪覆盖, 对同一地区的土质和温度可认为基本相同时, 可以把地下水位的高低作为控制冻深大小的主要因素, 其表现为地下水位越浅(指距地表的深度),冻深越小;地下水位越深,冻深越大。据吉林某试验场地得到的观测数据及有关实测资料经统计回归分析后, 得出冻胀率与地下水位呈线性关系
[6]
:
η=26. 552-0. 137Z W (1) 式中:
η—冻胀率(cm );
Z w —冻前地下水位;
2.3 土质和含水量
基土对冻深的影响有两方面, 一是土质, 二是含水量。
不同的土质具有不同的导热系数。一般而言, 黏土导热系数小, 沙土的导热系数大。用导热系数大的土
质作为路基填土, 其冻深必然大, 反之, 用导热系数小的材料作为路基填土, 其冻深必然小。另外, 热容也是影响冻深的重要因素。热容大, 单位重量的材料每降低一度所放出的热量大。因此, 热容大的材料不利于冻深的增加。水的热容大, 相变成冰放热多, 加上土体中水分的迁移作用, 因此在同等条件下, 含水量大的路基土冻结深度小。 2.3.1 土粒组成
冻土地区水利工程衬砌渠道及建筑物是否产生冻胀主要取决于土颗粒的大小, 不同的土颗粒组成对衬砌渠道及建筑物冻胀的影响程度也不同, 一般壤土地基较轻, 黏土地基较重, 按粒径组成可划分为非冻胀性土和冻胀性土。对于渠系工程而言,非冻胀性土:粒径小于0.075mm 含量不大于10%的粗颗粒土;冻胀性土:细粒土及粒径小于0.075mm 的含量大于10%的粗颗粒土[7]。非冻胀土之所以不产生冻胀是因为土颗粒间隙大, 存在网体, 水易渗透, 土体中无停留水, 冻胀性土之所以冻胀是因为土颗粒间隙小, 表面积大, 不存在渗水网体, 与水相互作用的能量也相对增大, 使土体中的毛细水不易渗透, 停留在土体中, 低温下结冰膨胀而产生冻胀。
2.3.2 基土含水率
土体中水份的多少是引起土体冻胀的主要因素之一。土颗粒不管粒径多大, 总有一个与它的比表面成比例的水分吸附着, 这部分水分因分子间具有较大的吸引力, 在一般负温下不冻结。这个与土粒比表面成正比, 有较强分子束缚力的水, 就是每一种土质特定的未冻含水量。如果某种土质中的含水量大于未冻含水量, 那么多余的这部分水量在负温下冻结, 由水成冰, 体积膨胀。如果未冻含水量与成冰的体积之和小于土壤孔隙体积, 则该土在这个含水量下不发生冻胀;如果大于土壤孔隙体积, 则该土在这个含水量下发生冻胀。这个冻胀界限含水量称为该土壤的起始冻胀含水量。中国科学院冰川冻土研究所室内测定了各类土的起始冻胀含水量, 见表3 。
表3 室内测定的各类土的起始冻胀含水量(%)
类型 起始冻胀含水量
粘土 亚粘土 12~17
亚砂土
细砂
10~14
砂土
中粗砂 8~12
草
砂砾 含粉粘粒 炭 6~8
8~10
54
砂砾石土
某引水渠沙漠试验段沙层地基[8],天然含水状态下、模拟渠道产生渗漏后仍保留含水率18%以及饱和状态三种条件下的冻胀性实验结果如下:
表4 渠基沙土的冻胀实验结果
干密度 1.58 1.61 1.64 1.68 1.70
冻胀率(%)
冻胀力(kpa )
S=100% --- 4.3 3.3 2.3 2.0
冻胀量△h(mm)
ω=2% 0.05 0.05 0.05 0.20 0.24 ω=18% 0.14 0.17 0.24 0.47 0.46 ω=2% 0 0 3.0 5.0 5.5 ω=18% 12.0 17.0 17.2 28.0 19.7 ω=2% 6.0 7.3 10.3 20.1 19.7 ω=18% --- 184.3 141.4 98.0 85.7
从上表可以看出,含水率相等情况下,粒径细的沙冻胀率稍高于粗粒径沙的冻胀率;当沙样到达饱和状态时,其密度小的冻胀率大于密度大的冻胀率,冻胀率为2%-4%;含水率增大到18%时,冻胀力随密度增大而增大。干密度与冻胀率关系如下图:
图1 沙的干密度—冻胀率关系曲线
ρ
54
d —η关系曲线(S=100%)
冻胀率η(%)
3210
1.61
1.64
1.68
1.7
干密度ρd (g/cm3)
图2 沙的干密度—冻胀率关系曲线
2.4. 积雪覆盖
季节性冻土在中国段天山山地分布广泛,其大部分在冬季被较为深厚的季节性积雪覆盖.因为积雪的存在改变了冻土的边界条件。因而导致积雪覆盖下的冻土的热状况也随之发生改变。季节性积雪对其覆盖下的冻土的热状况的影响是显著的.特别是比较深厚的积雪.如雪层厚度大于30cm ,和无积雪覆盖的冻土层相比,积雪层的存在,上移了和大气进行能量交换的层面,保持雪层底部的温度梯度稳定,加之积雪的弱导热性和大热容量,很大程度地阻隔了地层热能的散失。
3. 冻深的基本方程及近似解
在不考虑土中水分迁移,且假定土的冻结和融化温度为0,则土中最大冻结深度计算,可简化为有内热源的一维热传导问题3.1基本方程 冻土区
?t f ?τ
=α
?t f
f
2
[9]
。
?x
2
(2)
未冻区
?t u ?τ
=αu
?t u ?x
2
2
(3)
初始条件τ=0 x >0 t u =t u (x ) t f =t f (x ) (4) 边界条件未冻区x =0 τ>0 t =f (τ) (5)
?t f ?x
x =ξ
冻结界面上λf =λu
?t u ?x
x =ξ
+Q 0
d ξd τ
(6)
式中:t u ,t f 分别为未冻区和冻结区的温度;αu ,αf 分别为未冻区和冻结区土壤的导温系数;λu ,λf 分别为未冻区和冻结区的导热系数;ξ为冻深;Q 0为单位土体积中水相变放出的热量。 3.2 Stephen冻深近似解析解
简化假定:未冻区温度呈直线分布,其上边界温度为t s ;未冻区温度恒等于t 0,即t u (x ) ≡t 0。可以得到
ξ=
(7)
如果考虑空气放热及表面有保温材料时,修正后得如下公式
ξ=
S (8)
式中:S 为空气热阻和表面保温材料热阻之和。S =(
1a
+
δλI
)
式中:a 为空气放热系数,kJ/(m ?h ?℃) ;δ为保温材料的厚度,m ; λI 为保温材料的导热系数,kJ/(m ?h ?℃)
3.3 列本庄冻深近似解析解
简化假定:冻结区温度为直线分布,土表面负温保持常数t s ,未冻区的温度初始状态为多年平均气温t m ,温度分布按半无穷大平面求解。可以得到冻深解为:
2
ξ=
) (9)
A =0.399
(10)
3.4 Neuman近似解析解
简化假定:初始状态下的未冻区温度及冻结开始后未冻区的无穷深处温度均为t m ,冻结开始时,表面温度突然降低为t s 。可以得到
(11) ξ=其中m 为超越方程的解,即
-m 4α
2
-
f
m
2
Q 2
=
λf (t f -t s ) e -λu (t m -t f ) e -erf 4αu
(12) 3.5 鲁基扬诺夫近似解析解
简化假定:在冻结期表面温度取平均值t s ,未冻区流向冻结区之热流q 取平均值,冻结区温度分布取直线。可解得
τ=[Q 0+
C f 2
(t f -t u )][
λf ?t q
2
ln
λf ?t -qS λf ?t -q (ξ+S )
-
ξq
(13) ]
式中:?t =t f -t s
4 结语
(1)气候是对冻土的影响相对最大。在全球变暖背景下,近几十年来,中国地区的冻土总体表现为最大冻土深度减小,冻结时间推迟,融化时间提前,冻结持续日缩短,多年冻土面积萎缩,以及冻土下界上升的总体退化趋势。
(2)土质和温度基本相同时,地下水位越浅,冻深越小;地下水位越深,冻深越大。 (3)对于导热系数较大的沙土而言,含水率相等情况下,粒径细的沙冻胀率稍高于粗粒径沙的冻胀率;当沙样到达饱和状态时,其密度小的冻胀率大于密度大的冻胀率。
(4)季节性冻土在中国段天山山地分布广泛,其大部分在冬季被较为深厚的季节性积雪覆盖.季节性积雪对其覆盖下的冻土的热状况的影响是显著的,有待进一步研究。
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