间歇冻结控制人工冻土冻胀的试验研究

土体冻胀容易引起地表产生不均匀变形，因此控制冻胀的产生和发展始终是人工冻结技术的重要课题．通过试验比较了人工冻土在连续冻结模式、控制时间的间歇冻结模式和控制深度的间歇冻结模式下，土体冻胀的发展变化规律及冻胀控制与冻结模式之间的关系．结果表明：与连续冻结和控制时间的试验相比，在冻结锋面趋于稳定和温度梯度趋于恒定前，采用控制冻深的间歇冻结模式能够有效地抑制人工冻土冻胀的发展，冻胀量仅为连续冻结模式的19．8％；不同的变温起始时间对冻土冻胀控制的效果不同，在冻结过程刚刚进入拟稳定阶段时，迅速改变冷端温度，将使土样内的温度场不能达到稳定状态，从而推迟起始冻胀的时间，抑制冻胀的产生．     

基于紧密排列土柱模型的冻土热参数计算

为评估热参数对饱和冻土瞬态温度场的影响,分析冻土温度场的影响因素,提出一种最紧密排列的土柱几何模型,土柱外部被自由水充满.假定冻结在土柱围合区域的中心产生并呈柱状发展,根据任意时刻单元体内部土、水和冰的体积构成,依据Johansen的预估土体导热系数计算方法,建立未冻水含量与导热系数之间的计算关系.依据比热加权计算的原理,结合土体的相对密度及水和冰的密度,获取了土柱模型在不同冻结时刻各相的质量比,确定了未冻水含量与比热之间的计算关系.依据不同冻结时刻土柱模型中的未冻水含量,建立潜热随冻结时刻的变化关系.根据实测粉质黏土的导热系数,结合土柱模型获取其比热、潜热随温度的变化关系.将获取的不同温度下的导热系数、比热和潜热值代入数值计算软件ABAQUS,获取了冻土温度场的计算值.将该计算值与实测值进行对比,表明基于该模型获取的计算热参数值能够较好地预测冻土温度场.     

季节冻土层影响下冻土墙温度场模型试验研究

为了研究季节冻土层对冻土墙温度场的影响,基于相似理论开展了季节冻土层影响下冻土墙温度场模型试验.通过水平冻结管形成季节冻土层,竖向冻结管冻结基坑侧壁土体,进行了6种度条件下季节冻土层温的温度场试验.使用无量纲非线性回归公式对试验结果进行了分析,并推导了季节冻土层作用下冻土墙的厚度扩展速度公式和交圈时间公式.结果表明,季节冻土层温度为-12℃,-3℃和无季节冻土层时冻土墙交圈时间分别为10.2,17.5和21 h,而从交圈到达到设计冻土墙厚度的时间分别为12.8,14.3和24.1 h.说明季节冻土层对减少冻土墙的交圈时间和增加交圈后冻土墙的厚度扩展速度都起到了有利作用.回归系数与季节冻土层温度之间具有明显的规律性,能够合理反应和解释试验现象.     

考虑冻土相变的非稳定温度场-渗流场耦合有限元分析研究

对冻土相变时非稳定温度场-渗流场耦合的有限元计算方法进行改进,根据土壤冻结特征曲线计算和修正孔隙含冰量,同时提出了未冻土体积含水量对温度导数的修正方法和加速迭代收敛速度的新方法,消除了冻土温度场-渗流场耦合计算中出现的数值振荡现象,加快迭代收敛速度,使其能够适用复杂多变边界条件下土体的冻结、融化计算。最后通过两个数值算例用此方法与试验值进行对比分析,验证了本文方法的可靠性和有效性。     

青藏铁路通风路堤室内模型试验研究

正在建设中的青藏铁路即将穿越550km的多年冻土区，冻土问题是青藏铁路面临的首要工程问题，出于铁路建设中保护冻土的原则。对通风路堤这一新的，主动保护冻土的路堤结构形式进行了几何相似比为1：4的大型室内试验，试验所得的路堤土体温度场分布及土体温度的变化结果表明，通风路堤能够有效地降低路堤土体的温度，从而达到保护天然地基冻土的目的，但是，温度场的分布在通风路堤内并不对称。及沿路堤中轴线的两侧左右不对称。这样可能会影响到下伏冻土温度的差异。从而引起不均匀冻胀。沉降变形，另一方面，暖季较高的气温条件下。通风管两端的进出口需要堵塞或关闭，以免造成土体吸热量较多而引起较大的沉降，但由于青藏高明原很短的融化期，这一影响还有待现场试验工程的验证。     

人工冻结土体冻胀融沉的模型试验

在分析人工冻结土体与自然冻结土体的冻结差异、比较国内外土体冻融模型试验装置的基础上,介绍了所研制的人工冻结土体冻胀融沉模型试验装置及其应用情况．并利用该试验装置对徐州地区常见的粘土进行了冻结试验,检验了该试验装置的可靠性和实用性;得出了人工冻结土体在冻融过程中土体在垂直方向上的冻胀远小于它在该方向上的融沉等几点结论     

盾构出洞水平冻结加固杯形冻土壁温度场监测分析

依托于某地铁车站盾构出洞水平冻结加固工程,通过实时监测对杯型冻土壁温度场,分析了盐水温度、冻结区不同区域土体温度的发展特征,并计算了冻结区不同区域冻土壁交圈时间和发展速度.监测结果分析表明,同一测温孔内埋深较深的测点与埋深较浅的测点相比,板块加固体区的冻土交圈时间较长,发展速度较慢,而圆柱体加固区的冻土交圈时间与发展速度变化并不明显;冻土与地下连续墙间界面处,板块加固区的冻土平均发展速度明显比圆柱体加固区快,圆柱体加固区冻土壁交圈时间为31 d,其平均发展速度为20.9 mm/d,而板块加固区不同区域冻土壁平均发展速度差异明显,最快发展速度为60.5 mm/d,最慢发展速度为35.3 mm/d.     

水平地层冻结法在上海地铁修复工程中的应用

上海地铁四号线修复工程中采用水平冻结法进行修复段隧道和已建完好隧道之间的暗挖贯通施工,取得圆满成功。利用基于“一线总线”的冻结法温度监测系统进行现场实时监测。并依据监测数据,判别了冻结管是否漏盐水以及完好隧道段冻土壁的封水效果,得出了冻土壁温度场形成规律,计算出积极冻结期结束时间,分析了各施工工序对冻土墙温度影响。分析结果表明,温度是判断冻土壁特征的重要指标。通过合理布置温度监测点,采用信息化温度监测手段,掌握冻结壁发展的规律,可确保冻结法施工安全。     

冻结方式影响试样内部结构变化的CT研究

利用CT技术可以在不破坏土体结构的情况下,连续不间断的观测到土体试样内各局部区域参数的变化.研究了两种粉质黏土试样分别以不同冻结方式进行冻结,并对试样进行了无损CT扫描,比较了冻结前后的CT数变化,由此定量得到试样内部各区域含水量和干密度的变化程度.结果表明:对于初始均匀的试样而言,不同冻结方式,对试样冻结后其内部含水量和干密度的变化的影响程度及趋势是不同的,比较而言,轴向冻结方式对冻土试样内部含水量的变化影响要小于径向冻结方式.     

定向渗流诱导的非对称冻结帷幕稳态温度场解析解

受水流对流传热以及冻结管热传导叠加影响,渗流场作用下人工冻结帷幕的形状具有明显的非对称性。为解决冻结帷幕形状不规则给冻结温度场计算带来的困难,以直线排布的三管冻结温度场为研究对象,采用分段等效的方法,对该类冻结帷幕的形状进行简化,基于稳态温度场的求解理论,推导得出定向渗流作用下非对称冻结帷幕稳态温度场解析解以及冻结帷幕厚度、平均温度的计算公式。为了对公式的合理性进行验证,自主构建水热耦合物理模型试验系统,并开展不同流速条件下三管冻结温度场演化规律的模型试验。研究结果表明：关键轴线上冻结温度的计算值与试验结果的吻合程度较高,解析解的合理性得到模型试验的验证。冻结帷幕的交圈时间以及非对称系数随着流速的增加急剧增大。当地层中存在渗流场时,冻结温度场变化过程较为复杂,但冻结帷幕的平均温度整体仍然表现出随着冻结帷幕厚度的增加而降低的规律。本文得出的解析解能够实现对渗流场作用下人工冻结温度场较为准确的数学描述,将为大流速渗透地层人工冻结温度场的计算提供参考。     

人工冻土冻胀及其抑制研究述评

人工冻结法施工技术是岩土工程尤其是特殊地质和工程条件下地下工程施工的重要方法之一,但冻胀现象制约了该方法的推广应用。从人工冻土冻胀的影响因素、物理模拟概况、数值模拟现状及冻胀抑制等方面总结归纳了国内外在冻胀及其抑制上的研究成果。     

淮南顾桥矿东风井人工冻土力学性能试验分析

淮南顾桥煤矿东风井采用冻结法施工,为了提供表土层冻结参数以进行矿井设计,本文对风井井筒孔检查孔所取土样进行了人工冻结的单轴抗压强度、冻胀性能以及结冰温度试验研究,得到了其应力-应变、冻胀力和结冰温度等参数,试验结果为淮南类似矿井建设提供了设计基础.     

正冻土中的水热耦合模型

根据温度梯度诱导薄膜水迁移的冻胀机理,建立了模拟标准样品无盐土冻胀过程的水热耦合模型。模型需要输入的参数包括：干密度、含水量、孔隙度、未冻水含量（－1℃)、导 热系数、渗透系数及边界温度条件、冻结周期和时间步长等。计算结果包括：冻胀量、冻结深度、冰分凝温度、冻结缘厚度。通过与实际冻胀实验结果比较,模型所预测的冻胀量和浆深与实测值相差分别为1.12%-15.77%和5.38%-10.35%,冻结缘的厚度变化在时间上有三种方式：即持续增大、 增大后逐渐减小、增大后相对稳定。     

土体冻胀试验系统的研制与应用

为了研究土体在不同环境下的冻胀特性,自主设计研制了土体冻胀试验系统.该系统模拟自然条件下路基土的工作状态,从温度荷载的加载方式、上覆荷载的加载方式、水分补给方式、侧向约束条件等方面严格控制试验环境.基于温度控制盘、滑动绝热装置的创新设计,在实验室内实现了对路基土冻胀过程的真实模拟,并实现了冻结过程中温度分布、上覆压力和冻胀变形的实时监测.最后,通过饱和粉质黏土冻胀试验的测试结果,验证了该系统的可靠性和有效性,明确了土体冻结过程中的温度分布特征和冻胀变形规律.     

道面结构不均匀冻胀模型试验及数值模拟

为更好地揭示道面结构内部温度场、水分场和冻胀量的基本规律,为防治道面结构不均匀冻胀病害提供有效的理论依据,自主设计了道面结构不均匀冻胀模型试验箱,开展了外部水分入渗道肩和道面结构不均匀冻胀模型试验,基于ABAQUS的二次开发实现了道面结构内部水热力三场耦合数值模拟,并将数值模拟结果与模型试验结果进行了对比分析.结果表明:模型试验直观地模拟了跑道与道肩冻胀错台现象,并阐明了错台的原因是跑道与道肩的不均匀冻胀;客观地揭示了道面结构内部温度场、水分场及冻胀量的发展规律;水分通过道肩渗入道面结构引发水分场的重分布;道面结构不均匀冻胀是水热耦合作用的产物,温度梯度和降温速率影响着冻结过程中水分的迁移和积聚,水分场的重分布反过来也影响着温度的传递.数值模拟结果与模型试验结果吻合良好,且符合实际,数值模型的正确性和适用性得到了验证.结合模型试验的客观性优势和数值模拟的全面性优势有助于深入研究更多寒区构筑物地基的不均匀冻胀病害问题.     

重塑粘质黄土冻胀敏感性试验分析

以沈哈高速铁路沿线具有代表性的粘质黄土为研究对象,在室内冻胀试验条件下,研究了非饱和含水量、冷端温度、冻结速率、补水条件以及冻融循环对土体冻胀特性的影响。试验表明,在封闭系统下,非饱和土体冻胀系数随含水量增大而增大,且最终趋于一个稳定数值;封闭系统下,随着冷端温度的降低,含水量较大土样的冻胀系数逐渐减小,含水量较小土样的冻胀系数逐渐增大;开放系统下,土样冻胀系数随冻结速率的减小逐渐增大,且增幅越来越大;外界补水条件下,土体冻胀量增加显著,但随含水量的增大,其影响逐渐减弱;干密度较小土样的冻胀总变形随冻融循环次数的增加呈指数递减的趋势,干密度较大土样则呈指数增加的趋势。     

季节性冻土区能量桩位移变化规律

能量桩是一种既可以与土体进行能量交换，又可以承担上部荷载的桩基形式。上部土层冻结，下部土层未冻结，由温度变化引起的桩体自身变形及土体的冻胀融沉引发的桩体位移是能量桩在季节性冻土地区推广中亟待解决的主要问题。针对季节性冻土地区土体温度分布特点，将土体分为冻结层和非冻结层分别开展模型试验，测得冻结层和非冻结层中能量桩多次温度循环后的桩—土温度分布、桩周土体孔隙水压力及桩体位移的变化规律。结果表明：在非冻结土层中，多次循环取热后桩顶会产生不可逆的沉降位移，5次取热循环后，桩顶沉降达到0.95%D（D为桩体直径），且桩体沉降未达到稳定；在冻结层，放热过程中能量桩会发生桩体融沉现象，恢复过程中会发生桩体冻胀现象，融沉导致的沉降位移随着循环次数的增加逐渐减小，在第3轮放热循环后消失。第1、2、3轮的融沉位移分别为5.9%D、0.93%D、0.11%D。每轮循环过程中，冻胀引起的上升位移虽逐轮减小，但在5轮循环之后依旧存在，且冻胀引发的总位移呈阶梯状上升，桩体最终产生上升位移，达到3.8%D。     

不同人工冻结方向条件下土的冻胀试验研究

为了解决人工冻结施工中的冻胀问题,从工程实际出发,进行不同人工冻结方向以及不同冻结温度模式(恒温和正弦变温)的冻胀试验研究,并对试样的温度场、冻胀量、含水率及干密度等进行对比分析.试验结果表明:在相同试验条件下,正弦变温冻结试样的冻胀量值最小,自下而上恒温冻结试样的冻胀量最大;自上而下恒温冻结、正弦变温冻结和自下而上恒温冻结试样的含水率和干密度变化趋势相同,可知在相同试验条件下,冷端输出的冷能一定时,人工冻结试样内部水分迁移规律将相同.