（地球探测与信息技术专业论文）模拟冻融界面的冻土模型实验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘 冻卜在我国分粕广泛。随着青藏铁 多年冻土带米的 树问题必须予以重视。冻上对 柬自其活动层。小论币向衔接多年冻十还足垂向 不管是施r 期还足运营期， 路基和工程结构的影响主要 活动 层都存存个向下发展变化的冻融界面。冻融界面属r 舆州的同液州变界 雨i ，所以可以利j 日声电转换的与浊束确定其位黄。本丈验旨存构建个仑耻 的可模拟冻融界面的冻上模型，为探i - j - 币l 用声电转换的方法米检验冻十：冻融 界面的化置以及活动层的厚度的实验审研究奠定基础。 本文围绕设订行制作模拟冻融界面的冻j ：模型展j ：研究。主要包括：上 样分析、模邳设计。j 制作、观测甲台设计、模犁声电效应观测四个部分。 由十模型实验研究属于模拟方法，所以刈4 h 似模拟做了简，1 7 ，介绍。根据 建立模型遵循的二个原! j | _ j ，分析厂肯臧7 f , i 原冻十i 毳的地温状况及影呐圳素， 并对取自多年冻土区的冻十十样进行厂物理试验g l f j a 学伞分析。由卜l 样巾 既何土，义有岩，所以对t 和岩分别进行物理试验干n , f j a 学伞分析。对于十样， 测定其密度、含水量、比重、颗粒分析、液限、翅虬巾轴抗抓强度共七个 参数；对十# 样 论文的重点 模型和变化冻融 验征模型制作的 要考虑了模型的 测定其吸水率、饱和吸水率、：- 波速度。， 足探讨如何正确设计、制作两个模 界嘶的冻上模型，并利用温度监测 币确性，其判断标准足二者府具 结构、冻土体的尺、r 以及模型的温 型：嘲定冻融界而的冻土 和声电效应观测两种方法 致符合性。设计疗l f i i ， 度控带0 。箱j f l ：，j l f ，贝l 考 虑了一些技巧性问题，诸如冻十体表而甲擎、电极的打孔坶设等。 观测i f 台在模刑实验中起着重要作用。刈二温度监测，设汁 个可同步采集八个热电卧j 温度信息汁白动史时u 录的观测系统。声 利声电测量基于i 几j 一观测平台，只是所使用的接收传感器不柑 系统能进行高分辨率、高采样4 - 4 h 多渤：叠h 的数据采集。， 制作了 声测量 。该观测 建 要 m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 模型的实验结果表明，声电观测能很好的与温度临测卡h 符，也证明r 声电观测在确定冻土冻融界面方面具有实际意义。 关键词冻土模型，冻融界而，相似模拟，温度监测，声电转换 西南交通大学硕士研究生学位论文第| | l 页 a b s t r a c t f r o z e ns o i ld i s t r i b u t e sb r o a di nc h i n a a f t e rq i n g z a n gr a i l w a y b e i n g c o n s t r u c t e d ，e n g i n e e r i n gp r o b l e mr e s u l t i n gf r o mp e r m a f r o s tm u s tb et a k e ni n t o a c c o u n td u r i n gc o n s t r u c t i o np e r i o do r t r a n s p o r to p e r a t i o no n e 7 f h ei n f l u e n c e w h i c hf r o z e ns o i lb r i n g st or o a d b e d sa n de n g i n e e r i n gs t r u c t u r e sc o m em a i n l yf r o m a c t i v i t yl a y e r i nd e s p i t eo fv e r t i c a lc o n n e c t e dp e r m a f r o s to rv e r t i c a ld e t a c h m e n t o ff r o z e n s o i l ，a c t i v i t yl a y e r e x i s ta f r o s t t h a w i n g i n t e r f a c et h a t d e v e l o p s d o w n w a r d s a sf r o s t t h a w i n gi n t e r f a c eb e i n gt y p i c a ls o l i d - l i q u i dp h a s et r a n s i t i o n o n e ，t h ep o s i t i o nc a nb ea s c e r t a i n e du s i n ga c o u s t o e l e c t r i ct r a n s f e r r i n gm e t h o d t h i se x p e r i m e n ti sc o n d u c t e dt ob u i l dac o r r e c tf r o z e ns o i lm o d e lt h a ts i m u l a t e s f r o s t - t h a w i n gi n t e r f a c ea n dl o o kt b ru s i n ga c o u s t o e l e e t r i ct r a n s f e r r i n gm e t h o dt o c o n f i r mt h ep o s i t i o no ff r o s t - t h a w i n gi n t e r f a c ei na c t i v i t y l a y e ra n dt h et h i c ko f a c t i v i t yl a y e r t h i sw i l la l s oe s t a b l i s ht h ef o u n d a t i o no fl a b o r a t o r yr e s e a r c ho f a c o u s t o e l e c t r i ce f f e c t t h i st h e s i sc a r r y so nr e s e a r c hw o r ks u r r o u n d i n gd e s i g na n dm a k i n gf r o z e n s o i lm o d e lw i t has i m u l a t i v ef r o s t t h a w i n gi n t e r f a c e i ti n c l u d e sm a i n l yf o u rp a r t s ： t h ea n a l y s i ss o i ls a m p l e t h em o d e ld e s i g na n dm a k i n g ，t h ed e s i g no fo b s e r v a t i o n p l a t f o r ma n dt h eo b s e r v a t i o no fa c o u s t o e l e c t r i ce f f e c to nt h em o d e l b e c a u s eo fm o d e le x p e r i m e n tb e l o n g i n gt oa n a l o g u em e t h o d ，t h et h e s i sg i v e a no u t l i n eo fs i m i l a r i t ys i m u l a t i o n w i t hr e f e r e n c et ot h et h r e ep r i n c i p l eo fm o d e l f o r m a t i o n ，g r o u n dt e m p e r a t u r es t a t u sa n di n f l u e n c i n gf a c t o ro ff r o z e ns o i li n q i n g z a n ga l t i p l a n oa r ea n a l y z e d ，a n dg e o t e c h n i c a lt e s ta n dc h e m i c a la n a l y s i so f f r o z e ns o i l s a m p l ef r o mp e r m a f r o s tz o n ea r ed o n e b e c a u s et h es o i ls a m p l e c o m p r i s e ss o i la n dr o c k ，t h eg e o t e c h n i c a lt e s ta n dc h e m i c a la n a l y s i sb ec a r r i e d t h r o u g hi np a r t s f o rs o i ls a m p l e ，t h ed e t e r m i n e ds e v e np a r a m e t e ra r ed e n s i t y 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第l v 页 w a t e rc o m e n t 、s p e c i f i cg r a v i t y 、p a r t i c l ea n a l y s i s 、l i q u i dl i m i t 、p l a s t i cl i m i t a n ds i n g l ea x i sc o m p r e s s i v es t r e n g t h f o rr o c ks a m p l e 。w a t e ra b s o r p t i o nr a t e 、 s a t u r a t i o nw a t e ra b s o r p t i o nr a t ea n da c o u s t i cw a v ev e l o c i t ya r ed e t e r m i n e d t h ee m p h a s i so ft h et h e s i si sm a k i n gas t u d yo fd e s i g na n dm a k i n gr i g h t l y t w om o d e l s ：o n ew i t hf i x i n gf r o s t t h a w i n gi n t e r f a c ea n dt h eo t h e rw i t hc h a n g i n g o n e t ov e r i 匆t h ec o r r e c t n e s so fm o d e l s ，t e m p e r a t u r em o n i t o r i n ga n ds o u n d e l e c t r i c i t yt r a n s f e r r i n gm e t h o da r ed o n e t h ey a r d s t i c ki st h a tt h e ya r eu n i f o r m f o rd e s i g n t h es t r u c t u r eo f m o d e l 、s i z eo f m o d e lb o d ya n dt e m p e r a t u r ec o n t r o la r e m a i nc o n s i d e r e r s f o rm a k i n g ，m o s tc o n s i d e r e r sb el a i ds o m es k i l lp r o b l e m ss u c h t h es u r f a c eo fm o d e lb o d yc l e a n i n ga n dt h el a y i n go fe l e c t r o d ee t c t h eo b s e r v a i o np l a t f o r mi s v e r yi m p o r t a n t i nm o d e le x p e r i m e n t f o r t e m p e r a t u r em e a s u r i n g ，a o b s e r v a t i o n s y s t e m i sm a d et h a tc a l lc o l l e c ti n s y n c h r o n i s mt h et e m p e r a t u r ei n f o r m a t i o no fe i g h tr e s i s t a n c et h e r m o m e t e rs e n s o r a n dr e a l t i m er e c o r d i n ga u t o m a t i c a l l yt h e m t h eo b s e r v a t i o ns y s t e mo fu l t r a s o n i c m e a s m e m e n ti sb a s i c a l l ys a m ew i t ha c o u s t o e l e c t r i cm e a s u r e m e n t o n l yt h e yu s e d i f f e r e n tr e c e i v i n gs e n s o r s t h i ss y s t e mc a lc a r r yo u td a t aa c q u i s i t i o no fh i g h r e s o l u t i o n 、h i g hs a m p l i n gr a t ea n dm u l t i p l es t a c k i n g s a sar e s u l t ，a c o u s t o e l e c t r i c t r a n s f e r r i n g m e t h o dc a nm a t c hc a s ew i t h t e m p e r a t u r em o n i t o r i n g a n dt h i si saw i t n e s st ot h a ts o u n de l e c t r i c i t yt r a n s f e r r i n g m e t h o dh a sa c t u a lv a l u eo nc o n f i r m i n gf r o s t t h a w i n gi n t e r f a c eo ff r o z e ns o i l k e yw o r d s ：f r o z e ns o i lm o d e l ，f r o s t - t h a w i n gi n t e r f a c e ，s i m i l a r i t ys i m u l a t i o n ， t e m p e r a t u r em o n i t o r i n g s o u n de l e c t r i c i t yt r a n s f e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1选题意义 第1 章绪论 冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。冻土是一种对 温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性， 其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征，在冻土区修筑工程构 筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉，它会造成结构物破坏，因此一直 备受科研院校和工程单位的关注。冻土按存在时间的长短，可分为季节冻 土和多年冻土。二者都会对工程结构造成影响甚至破坏，但破坏的机理不 同。大量的工程实践表明，在季节性冻土区主要的工程地质问题是冻胀， 在多年冻土区主要的工程地质问题是融沉1 2 】。比较而言，多年冻土由于影响 因素多，情况复杂，而研究又相对较少之故，其工程问题尤为突出。 我国是冻土分布广泛的国家之一。在青藏高原，因受高海拔的近代大 陆性气候的影响，分布着大面积多年冻土。随着青藏铁路的修建，不管是 施工期还是营运期，多年冻土带来的工程问题都必须予以重视，目前学术 界和工程界正对其展开研究。 事实上，冻土对路基和工程结构的主要影响来自其活动层。活动层的 含义系指地表到季节融化深度之间的冻土层。活动层的典型特征是夏融冬 冻。对于垂向衔接多年冻土，当温度上升时，冻土从地表开始逐层解冻， 融化土与冻土之间存在一个上融下冻的冻融界面，该界面逐渐下降至年最 大融化深度；当气温降低时，解冻土从地表开始向下和从永久冻土上限向 上双向冻结。这样在地表和年最大融化深度之间存在两个冻融界面：上面 的为上冻下融，发展方向向下，发展速度较快：下面的为上融下冻，发展 方向向上，发展速度很慢。由此可见，解冻或冻结过程中，在地表和年最 大融化深度之间，都会出现一个向下发展变化的冻融界面，如图1 1 及图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 所示。对于垂向不衔接多年冻土，活动层中冻融界面情况类似。 目前确定冻融界面的方法坑探和插钎法等。坑探是挖一个探坑，可直 接量出冻融界面的位嚣，但活动层较厚时该方法很不经济。插钎法主要在 夏季应用，其利用的是冻土比融土的阻力大很多这一原理，将一钢钎插入 地下，判断标准是钢钎到达冻土后其阻力会突然增加，但缺点是如遇钢钎 插到较大的石块等，会造成测量结果错误。 由于冻融界面实际上是一个固液交界面，而目前国内外比较活跃和前 沿的方法是通过震电转换或声电转换的方法确定圃液界面。很有必要建立 一个正确的模拟冻融界面的冻土模型，通过利用声电转换的方法确定活动 层中冻融界面的位置。当确定了冻融界面深度的最大值时，也就确定活动 层深度，因此，本文进行模拟冻融界面的冻土模型研究，既有其工程应用 价值和现实意义，也有其理论意义。 。ljli二；li：一 啦 融化士冻融界面 墓可；瓦，眵- 襄! i 翼黎：善一。二，：年最大融化深度 ( 多午冻土上限) 冻土 多年冻土下限 未冻土 冻土 ( 多年冻土上限) z 二多年冻土下限 未冻土 图1 - 2 垂向衔接多年冻七，冬季气温降低，冻融界面下降。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 国内外研究历史和现状 1 2 1 国外冻土及模型研究历史和现状 冻土模型研究属于模型实验研究的范畴，其研究对象是冻土。早期冻 土学的研究往往是随着冻土区经济开发的需要发展起来的，考虑的范围也 限制在对工程实践的影响。俄罗斯由于冻土分布广泛，对冻土的模型实验 研究和工程性质研究，都发展比较早。在1 9 世纪前半期，俄罗斯通过简单 的室内模型研究和野外实际勘探相结合的方法，获 ：导了西伯利亚冻土区的 温度、厚度等方面的资料。1 9 世纪后半期，随着西伯利亚铁路干线的修建， 俄国地理协会在大量的冻土室内模型实验的基础上，结合工程实践，制定 了西伯利亚冻土指南。 有了冻土工程实践提供的大量室内和野外基本资料，冻土研究进入了 系统的发展时期并形成一门独立学科，其标志是1 9 2 7 年 i i 苏联科学家苏姆 金苏联境内永久冻结土壤一书问世。其后冻土研究在俄罗斯发展更为 迅速，几十年来在普通冻土学、工程冻土学、冻土物理力学、冻土物理化 学方面取得了不少成果，形成较为完整的研究体系。 北美重视对冻土的研究始于第二次世界大战中，6 0 年代未随着北极海 石油的大量发现，及其以后贯穿阿拉斯加石油管线的建成，北美的冻土研 究得到了迅速发展。 在冻土的研究与发展过程中，理论研究和模型实验研究总是相互促进， 共同发展。美国的明尼苏达州交通部设计的冻土模型实验，为模型实验研 究推动理论研究提供了很好的例子。该部门在研究用多段时域反射探测仪 ( t d r ) 测量道路系统的冻结深度时，经过精心设计，制作了一个能正确 模拟道路一定深度范围内的温度梯度的冻土模型，它用一根长9 1 c m ，直径 1 5 c m 的p v c 管制成一个能盛装土壤的外壳，中间放置一个直径稍小的同 心圆p v c 管，发热器放置在模型底部，其核心部位被插入两个铜镍合会的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 热电偶，温度测量由c a m p b e l ls c i e n t i f i cl n c c r l 0 收集完成。模型顶部用潮 湿的纸巾和塑料盖子防止表面蒸发。整个模型放置在一个冻结室中，在冻 融循环期间，由于外部绝热导致一层一层的冻结，最后到达表面的一个逐 步的渗透性冻结过程。模型测试时日j 共为1 2 6 天，其模型制作的思想与过 程值得借鉴1 2 1 1 。 1 2 2 国内冻土及模型研究历史和现状 我国由于冻土分布广泛，冻土研究的深度和广度，仅次于俄罗斯。其 历史可大致分为三个阶段： 奠基阶段( 1 9 7 8 年以前) ：主要是冻土普查工作，并积累大量的资料。 这一时期的研究手段是现场勘探为主，室内模型实验为辅。在进行了丈量 冻土调查和观测后，1 9 6 6 年兰州冰川冻土研究所建成了国内第一个冻土低 温实验室，标志着国内冻土模型实验研究走入j 下轨。自此，冻土模型实验 研究、现场调查、野外观测三者相互结合，共同推进国内冻土研究的蓬勃 发展，并发表和出版一系列论文和文献。在综合和总结冻土区工程问题的 基础上，1 9 7 2 年铁道部第一设计院、铁道部西北科研所和中国兰州冰川冻 土研究所共同主编发行了青藏高原多年冻土地区铁路勘探设计细则。 系统研究阶段( 1 9 7 8 年到2 0 0 1 年) ：冻土研究开始规范化和系统化，并 且具有相当的深度和广度。该阶段研究的方法是冻土野外观测和模型实验 研究并重。野外调查与观测方面，其具有罩程碑意义的综合性研究成果是1 ： 3 0 0 万的青藏高原冻土图( 李树德等，1 9 9 6 ) 的编制。在模型实验研究 方面，1 9 9 1 年中国科学院寒区旱区环境与工程研究所的冻土工程国家重点 实验室向国内外开放。作为国内唯一的专门冻土研究机构，中国科学院寒 区旱区环境与工程研究所为冻土科学的深入发展、研究和培养高素质的人 才提供了良好的实验条件。在大量的模型实验研究的基础上，该实验室取 得了一系列的前沿性课题研究成果，体现在冻土中水分迁移的实验研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 徐学组等，1 9 9 1 ) 、冻土强度与蠕变( 吴紫毕等，1 9 9 4 ) 、冻融土中的 水热运输问题( 李述训等，1 9 9 5 ) 、土的冻胀和盐胀机理( 徐学组等， 1 9 9 5 ) 等书中。先进的实验技术条件也引入到冻土的模型实验研究中来。 例如，八十年代末以来，土工离心机模拟试验技术迅猛发展，清华大学的 陈湘生利用土工离心机模型试验模拟土壤中热传递过程及冻胀融沉，在加 大的模型加速度下，可在数小时内摸拟原型在几年或更长时间温度的变化 ( 变温场) 所引起的冻胀和融沉现象。 ( 3 ) 深化阶段( 2 0 0 1 年以后) ：这一时期以室内实验模型研究和数值模拟 研究为主导，并在现场接受工程实践的检验。围绕青藏铁路工程建设，多 年冻土区铁路路基实验全面展开。工程冻土的研究方法和实验手段有了很 大改进，研究层次也达到空前的深度和广度。长安大学在进行水、热、 力耦合效应与路基路面温度场变化规律的研究课题研究中，构建了水热 耦合以及应力变形的计算模型，编制了计算程序；并通过模拟多年冻土地 区路基真实环境条件下的大型模型试验，验证了理论分析的币确性。中科 院开展介质特性以及应力场、温度场和水分场三场耦合机理研究中，采用 现场调查、典型路段试验监测、室内试验与数值模拟相结合系统研究方法。 即使是在季节性冻土区，冻土研究也在向纵深发展。例如黑龙江省水利科 学研究院围绕季节性冻土区水工建筑物抗冻技术的研究，j 下在建设专门从 事水工建筑物抗冻技术研究的重点实验室，目的是实现模型试验与数学模 拟计算的耦合，使实验室成为”模型试验、模拟试验、原形实验”联动的综合 试验基地。 1 2 3 国内外冻融界面研究历史和现状 对于冻融界面的研究首先是要考虑冻结深度的问题，冻结深度指的是 裸露地面情况下寒土的地表至土体内温度为零摄氏度的冻结面的距离。冻 土一般分为两层，上层为夏融冬冻的活动层，下层才是常年( 多年) 不化 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 的永冻层。活动层在夏季融化后称为季融层，而在冬季再冻结后称为季冻 层。因此，季融层和季冻层实际上是活动层的两种状态。如果某年冬季气 温较高，冻结深度小于夏季融化厚度时，那么在季冻层下面就会出现一个 未冻结的融区；反之，如果冬季较冷而夏季较凉的话，则夏季的融化深度 可能小于冬季冻结层的厚度，结果便在季融层的下面留下一层未融化的隔 年冻结层。隔年层很薄，在来年夏季气温转暖时就可能消失。活动层每年 冻结时均由上层开始，上层土的冻结膨胀，就会对下面还未冻结的含水土 层( 融区) 施加压力，使未冻结层在刚性的永冻层上面发生塑性流动而产 生揉皱变形，这种现象称为冻融扰搅动构造。在冻土地区，由于水分在土 层中分布不均，在水份多的地方冻结速度快，冻结深度大，由于冻结而产 生向下的膨胀压力也大；在水分少的地方则出现相反的现象。因此，下部 未冻结的岩土和地下水就会从冻结压力大的地方向压力小的地方集中，结 果就会在冻结深度小的地方把地面鼓起来形成冻胀丘1 1 8 。 影响冻结深度的因素有很多，首先是海拔高度，随着海拔增高年平均 低温降低，地表年平均温度较差减小，因此，在其它条件同等的情况下， 随海拔增高季节融化深度减小，而季节冻结深度变化不会很大。其次是坡 向和坡度的影响。南坡地温高、温差大，季节融深随之要比北坡大，但坡 向对季节冻深影响较小。雪盖的升温作用对季节融化深度影响不大，而减 小季节冻结深度的作用是明显的。植被层减小地面温度较差和降低地面温 度的结果，使季节融化深度大大减小，而对季节冻结深度影响较小。河流 融区内的季节冻结深度则是越接近河床越小。季节冻结和融化层与冻结层 上水之间有着密切的动力关系。 冻融界面上的温度乃是确定土体冻胀和冻融区之间水分交换程度的基 本量。 冻融循环对土体性质的表观影响：土体在冻结过程中，由于水分迁移， 使冻结锋面土体的含水率增大，加剧了冻结时的体积膨胀，增大土体的孔 隙体积。同时，在水结成冰体积膨胀的过程中，破坏了土颗粒的原状结构， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 土颗粒重新排列。当冻土融化后，土体孔隙中的水再向土层表面汇集，向 四周流失，孔隙体积增大，土体强度降低，压缩性增大，将产生较大沉降。 当土体冻结后，土样表面出现一些冰晶。土体融化后，土样表面出现不同 程度的积水。据此可以推测，在冻融过程中，由于水分向冻结锋面迁移， 由初始阶段的含水率平均分布，发展到土样下部含水率减小，而上部含水 率增大 2 0 l 。 冻结深度直接决定了冻融界面，风火山冻土定位观测站自1 9 6 1 年建站 以来，峰持了4 5 年不问断的观测和研究，是我困乃至世界上海拔最高、全 年值守的高原冻土定位观测站。根掘青藏铁路的建设需要，针对高原多年 冻土问题，以该站为科研试验基地，辐射丌展了筑路技术难题的攻关研究， 取得了丰富的科研成果。在风火山地区首先开展了冻融界面的抗剪强度试 验，解决了冻土边坡稳定性检算中抗剪强度指标的选取问题。 另外铁道部科学研究院西北研究所等单位都对冻融界面处的抗剪强度 以及热融滑塌进行了大量研究。 1 2 4 国内外震电效应研究历史和现状 广义地讲，机械运动和电磁场相互转换的现象，就是动电耦合现象。 动电现象之一是压电效应，另一种动电现象是岩石破碎过程中产生声 发射的同时，会产生电磁辐射。 但是，还有一种动电现象与孔隙流体息息相关。1 9 3 6 年，t h o m p s o n r 等人发现了第一类震电现象，即地震波导致7 l 隙体积发生变化，因而孔隙 地层电阻发生变化。1 9 3 9 年，i v a n o v 发现了第二类震电现象，即由于地震 波导致的电磁场。在室内实验时，地震波由超声波所取代，因此也称声电 现象。 第二类震电现象的产生，是由于孔隙流体中含有净剩电荷。这种净剩 电荷的存在，则是由于骨架流体界面附近存在双电层( m o r g a n 等， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 9 8 9 ) 。在解释泥质砂岩电导率时，就常常利用双电层模型。双电层模型的 示意图见图l 一3 。 1 9 4 4 年，f r e n k e 建立了固相运动和孔隙流体流动相耦合的波动理论。 1 9 9 4 年，p r i d e 导出了宏观声电耦合控制方程组。 今年来，震电效应实际野外测量的报道较多。t h o m p s o n h 和g i s t ( 1 9 9 3 ) ， b u t l e r 等( 1 9 9 4 ) ，m i k h a i l o v 和h a a r t s e n ( 1 9 9 6 ) 都作了现场测量，但探测 深度均小于3 0 0 m 。1 9 9 7 年，h a a r t s e n 和p r i d e 提出了垂直震电剖面设想。 1 9 9 年，z h u 、h a a r t s e n 和t o k s o z t - e 式发表了在模型井中进行声一电测量的 文章。 在国内，1 9 9 7 年蒋勇刚等测量了岩样动电耦合系数，1 9 9 9 年严洪瑞、 刘洪、李幼铭等开展了震电现场实验研究。2 0 0 0 年吉林大学的胡恒山发表 了声电效应测井的理论、数值与实验研究。 关于震电效应或声电效应的研究方兴未艾，在今后的数十年，动电耦 合现象无论在理论上还是实践上都将有更深入的研究。 本文正是研究如何制作一个合理的模拟冻融界面的冻土模型，为实验 室的冻融界面声电现象观测奠定基础。 骨架流体 电势 hshs 幽l - 3i i i i i 液界面舣电层模删 h 是扩散层的边界面，h 面上的电势为帅：s 是枯滞流动的边界面，s 面上的电势为 离 距 ： ir 一i i i 一 ， -l，一，一， m + + + ，+ ，+ 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 3 论文的主要内容 本文围绕设计并制作模拟冻融界面的冻土模型展开研究，共分为三个 部分。第一部分概述了相似模拟的基本原理、模型选择的条件和模型实验 的基本流程。第二部分分析了青藏高原冻土的地温状况及影响因素，并对 取自多年冻土区的冻土土样进行了物理实验和化学分析。第三部分探讨了 如何合理制作两个模型：固定冻融界面的冻土模型和变化冻融界面的冻土 模型的设计，并利用温度监测和声电观测两种方法验证模型制作的币确性， 其判断标准是二者应具一致符合性。文章的组织方式是： ( 1 ) 本实验属于模型实验的范畴，所以文章第二章对模型实验作了简 单概述，这是文章后续章节的宏观理论基础。 ( 2 ) 对于冻土模型的制作，有其基本的要求，即要根据实验目的，与 原型在某些参数上进行相似模拟。本文依托的背景是青藏铁路，所以对青 藏铁路有代表性的土样进行物理实验和化学分析必不可少。冻土本身也是 一个系统，所以存在地温场的空自j 和时间变化。本文第三章对这三方面的 实验或分析，是作为第四、五章模型的设计、制作和实验的基础。 ( 3 ) 冻土冻融界面的模型模拟可以从静态和动态两方面来进行。从静 态方面来看，可以认为某一时问点该冻融界面是不变的、稳定的；从动态 方面来看，在年度冻融循环中，该界面位置或者升高、或者降低，因此是 变化的、不稳定的。反映到冻土模型的制作上，设计两个不同的模型，一 个具有固定冻融界面，另一个具有变化冻融界面。固定冻融界面的模型， 如何确定其冻融界面深度；变化冻融界面的模型，其界面如何变化，都依 赖于必要的观测手段对其进行测量。所以文章的第四、五分别介绍了这两 种模型的设计、制作和实验方法或流程。温度监测和声电观测从不同侧面 反映了冻融界面的位置或变化。当两者具有一致符合性时，可以认为模型 制作成功。所以文章的第六章分别介绍了这两种模型温度监测和声电观测 结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 1 模拟方法 第2 章模型实验概述 目前研究自然现象或过程的实验研究方法有直接实验法和模拟实验 法。直接实验法有很大的局限性，其实验结果只能推广到与实验条件完全 相同的实际问题中去，这种实验方法常常只能得出个别量的表面规律性关 系，难以抓住现象的内在本质。而模拟实验法不是直接研究原型本身，而 是根据原型的本质和特性，人为地建立或选择一种与原型相似的模型，然 后在模型上进行实验研究，并将研究的结果类推到原型中去，从而达到认 识原型内在规律的目的。正是这一特点，使模拟实验方法具有独特的优点， 在科学技术的研究中得到广泛的应用，起着重要的作用。 在科学技术研究中，常常有一些研究对象很难或者简直不可能对它进 行直接的实验研究。例如，有的由于时过境迁( 如天体演化、生命起源) 或尚 未出现( 如预期要建立的巨大工程) 而无法在现场进行考察；有的由于空间范 i 围特别广大( 如地球上空数月米的大气层运动) 或延续时日j 特别长久( 如长寿 命生物的遗传性的变异) 而难于直接观察和实验。借助于模拟方法，却可以 克服上述时间和空间上的限制，取得有关研究对象的具体而丰富的感性材 料。还有一些研究对象，由于本身特点，不宜进行直接的实验研究，只应 通过模型实验来进行。例如，直接对电力系统进行短路、振荡、失步试验， 不但浪费，而且危险。通过建立电力系统的动态模型进行模拟实验，则可 趋利而避害。再如，致癌病因的研究，药物毒性的研究，因为人命关天， 只能用动物作为人体模型。总之，由于模拟方法，是通过人为地建立或选 择适当的模型，来代替或再现真证的研究客体，再加以实验和研究，从而 克服了一般实验方法的局限性，扩大了对客体进行观察实验的范围。 模拟方法包括物理模拟( 模型实验法) 和数学模拟。所谓模型实验法， 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 就是应用方程分析或因次分析的方法导出相似准则，并在根掘相似原理建 立的模型上进行试验，把得到的数据按相似准则整理，求出相似准则之间 的函数关系式，再将此函数关系推广到原型上，从而近似地认识原型内在 规律的一种研究方法。 数学模拟是把某一过程或现象用数学方程式或一组微分方程组来描 述，然后进行简化，忽略次要因素，抓住主要关键，确定边界条件求解， 阐明主要过程的实质或规律。数学模拟是以模型与原型之间在数学形式相 似基础之上进行的一种模拟方法。它根据数学形式的同一性束导出相似标 准，而不是根据共同的物理规律，模型在物理本性上不同于原型。然而， 经过数学模型或数值求解的结果是否符合实际，有时还必须通过模型实验 的方法来验证，有些系数的确定和使用范围也必须通过模型实验来确定。 可见，模型实验研究是很重要的手段。 一般来说，有两种方法来求相似准则，即求有关模型的设计、制作和 实验的准则，一种方法是根据支配现象的微分方程求出因次数，然后找出 相似准则。还有一种新的方法是首先找出支配现象的物理法则，然后根据 这些法则直接导出相似准数，后者比i i i 者简单得多，而且容易理解现象的 物理意义，另外，还可解决如何放宽相似准则的条件，这也是模型实验中 最困难的问题之一。 2 2 模型实验的相似三定理 模型实验方法作为一种重要的模拟方法，它要求精确地定量地用模型 模拟研究客体，并保证能定量地、合理地将研究结果外推到原型客体上去。 其理论指导是相似理论，必须满足相似三定理： ( 1 ) 相似第一定理：两现象相似，其单值条件相似，其相似准数的 数值必然相同，彼此相似的现象，同名准则数必定相等。相似第一定理也 叫相似正定理。例如判定两个流动是否相似，应该满足相似第一定理。即 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 所有对应的同名准则数应该相等。换句话说，除包括几何相似与运动相似 之外，还应包括作用于流体上的所有外力相似。但实际上同时满足所有的 外力相似是不可能的。对于某个具体的流动来说，虽然同时作用着各种不 同性质的外力，但总有一种或两种外力起主要作用，它们决定着流体的运 动状态。因此，在模型实验中，只要使主要外力满足相似条件，或主要的 相似准则相等，这个实验就可进行下去i 。 ( 2 )相似第二定理：凡是同一类现象( 即都被同一完整方程式所描 述的现象) ，当其单值条件相似，而且由单值条件的物理量所组成的相似准 数在数值上相等，则这些现象必定相似。相似第二定理也叫相似逆定理【”j 。 ( 3 )相似第三定理：描述各现象的各个物理量之间的关系可表示为 相似准数n l ，兀2 ，兀。之间的函数关系式，写成方程式的形式： f ( n l ，f i l ，”，兀。) = 0 ( 2 - 1 ) 这种关系式称为“准数关系式”或“准数方程式”。相似第三定理也称为“n 定 理”。 相似理论是进行模型实验研究的理论基础，相似第一定理指出了进行 实验时必须测量出各相似准数中所包含的一切量，因为实验所得的结果要 整理成相似准数的关系式。相似第二定理指出了进行模型实验时必须遵循 单值条件相似，而且由单值条件的物理量组成的定性准数在数值上要相等。 相似第三定理指出了必须把实验结果整理成相似准数之间的关系式。 2 3 模型选择的条件和原则 运用模拟方法一般具有三个基本步骤： ( 1 )从原型客体过渡到模型，选择或建立关于研究对象( 原型) 的物 质模型； ( 2 )对模型进行实验研究； ( 3 )从模型再过渡到原型：将对模型研究的结果外推到被模拟的研 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 究客体上。 从上述步骤中可以看出，模拟方法在科学技术研究中之所以能发挥种 种独特功能，全在于模拟方法的j 日j 接性，即用模型代替真萨的研究客体， 通过模型来认识原型。模型具有特殊重要的地位，它是认识主体把握客观 现实的中介。模型在模拟中既是实验的对象，又是认识原型客体的手段， 在研究中行使着特殊的功能。模型的好坏，直接影响到研究工作的成效。 因此建立模型是运用模拟方法的最仞的也是最关键的一步，往往也是最困 难的一步。根据模型在模拟方法中的功能，模型必须满足如下三个条件： ( 1 )反映条件：模型必须与原型相似： ( 2 )代表性条件：模型在科学认识过程中要能代替真正的研究客体； ( 3 )外推条件：要能够从对模型的研究中得到关于原型的信息。 以上三条缺一不可，否则，就失去模型的性质。除此以外，在从事科学技 术研究时，建立或选择模型还必须遵循如下三条原则： ( 1 )简明清晰性：如果模型与原型一样或比原型更加复杂，那么模拟 也就毫无意义。 ( 2 )切题性：模型只应当包括与研究目的有关的方面，而不是一切方 面，对于同一研究客体，由于研究目的不同，模型也应有所不同。 ( 3 )精密性：同一研究客体的模型，精密度可以分成许多等级，对于 不同的研究课题，精密度要求也不一样，精密度必须选择适当。 2 4 模型实验的基本流程 通常来讲，室内模型实验都包含三方面的工作：模型设计、模型制作 和模型试验。三者在时间是顺序的，虽具相对独立性，但相互影响、相互 作用。不合理的设计固然影响制作和试验，但没有制作和试验信息的反馈， 也根本无从验证设计的合理性。 ( 1 ) 模型设计；是根据已有的知识或对原型进行分析以后，确定出模 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 型的结构及尺寸，这一阶段重要的成果是画出相应的模型图作为模型制作 的依据； ( 2 ) 模型制作：应严格遵循模型图，如果模型制作确有难度( 如小尺 寸模型的制作) ，在不影响实验结果的丽提下，酌情修改设计； ( 3 ) 模型试验：对模型进行实验，事实上是对模型的验证并反馈信息， 实验不成功要检查设计时所考虑的因素是否合理，经过分析后修改模型设 计，并重新进行制作与实验。大多数情况下，一个实验往往要经过多次反 复才能最终取得满意的实验结果。 图2 一i 模喇实验的基本流稃 从图2 1 可以看出，模型设计自始至终影响着模型的制作和试验，一个 好的模型设计能最大程度的减少模型制作难度，也能最大程度的保证模型 试验取得预期结果，所以模型设计是整个模型实验研究的关键一步。模型 设计是以相似模拟为指导，根掘相似原理设计模型。但在现在研究越来越 微观化、专业化的今天，对原型的分析已经相当细化，例如高原冻土，已 经分析出其地温场的影响因素既多且复杂，如果要求模型与原型在全部条 件上相似，分析与制作难度都很大，所以模型设计一定要遵循简明清晰性， 即模型应当比原型更简单，不宜跟模型一样甚至更复杂。况且，人们进行 模型实验更多的是认识对象客体的某一特定规律，不可能也不必要通过一 个实验把握客体的所有规律，所以应根掘实验目的，选择模型和原型在对 认识该规律有重大影响的条件上进行相似模拟，这也体现了模型设计的切 题性。另外，模型设计体现在精密性上，要遵循模型设计由易到难，精密 性逐渐提高的顺序，即先从简单模型入手，在简单模型试验成功的条件下， 再考虑更复杂的条件，这样逐层深入方能最终完成模型实验的整个过程。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章冻土的物理、化学及地温场分析 3 1物理、化学及地温场分析的必要性 前己占之，模型实验作为一种重要的模拟方法，关键是模型的选择和 建立。模型必须满足三个条件：反映条件、代表性条件、外推条件。只有 满足了三个条件，爿能通过对模型的实验f 确认识原型的内在规律。而应 用模拟方法的第一步，就是从原型客体过渡到模型，选择或建立关于研究 对象( 原型) 的物质模型。所以对原型客体的分析，是j 下确建立模型的基础。 本文依托的背景是青藏铁路，模型实验的原型是影晌青藏铁路建设和 运营的高原冻土。对于高原冻土，通过国内外无数学者和工程技术人员的 努力，已认识了其内在的很多规律，如冻土结构、温度场分布、力学特征 等等。正是认识到冻土活动层对工程结构有重大影响，确定活动层深度方 法尚有缺陷，所以人们一直在寻求新的方法来