高温-高含冰量冻土压缩变形特性研究

高温-高含冰量冻土在外荷载作用下会产生较大的压缩变形,对路基稳定性产生极大影响.室内高温-高含冰量冻土恒载变温压缩试验表明:在较低温度-1.5 ℃,-1.0 ℃下,冻土的压缩量相对较小,而在较高温度-0.5 ℃,-0.3 ℃下,冻土的压缩量相对较大,且在-0.5 ℃、-0.3 ℃两级温度荷载下的压缩量占总压缩量的70%以上;温度是影响高温-高含冰量冻土压缩系数的主要因素,在高温区内,压缩系数随温度的升高显著增大,当温度为-1.5 ℃时,冻土压缩系数为0.04 MPa-1,而当温度升高到-0.3 ℃时,冻土压缩系数变为0.29 MPa-1.路基沉降变形计算表明:对于砂砾路面路基,当路堤高度大于临界高度时,在未来50 a内不会发生融沉变形,路基的最大沉降量约为20 cm,变形符合铁路稳定性要求;当路堤高度小于临界高度时,路基下冻土随着时间的延长会发生融化,产生融沉变形,导致路基变形急剧增大,造成路基失稳.     

基于平行板电容传感器的季节性冻土冰锋面识别方法

针对季节性冻土冰锋面结构非接触识别问题,在对季节性冻土结构变化规律及物理力学性质分析的基础上,提出一种基于平行板电容传感器的季节性冻土冰锋面识别方法。该方法通过模拟季节性冻土温度变化,可给出不同温度下季节性冻土电容变化规律,并基于Boltzmann函数建立了季节性冻土电容与温度变化的数学模型。不同温度下测试得出季节性冻土中电容随温度的升高而逐渐增大,最终趋于常值;温度在-4～4℃,季节性冻土的电容随温度变化速率较快;季节性冻土处于较低负温状态和完全处于正温状态时,电容基本稳定。针对冻土区、冰锋面处、融土区的试验可得出,该方法可以有效地识别和分析季节性冻土冰锋面结构及其变化规律,误差在10%以内。     

冻土石混合体、冰石混合物和冻土在压、拉作用下的破坏特征对比

在寒区工程建设中了解冻混杂岩土材料,如冻土石混合体的力学性质是保证工程建设安全的前提条件。采用单轴压缩和巴西劈裂试验探讨纯冰、冰石混合物、冻土和冻土石混合体在不同冻结温度(-10℃,-20℃,-30℃)下的变形以及强度性质,同时借助显微成像技术观察试样内部的冰石、土石、冰土界面形态和受力开裂特征。试验得到以下结论:(1)在单轴压应力或劈裂拉应力作用下纯冰和冻土的破裂面相对平直;而冰石混合物和冻土石混合体的破裂面相对弯曲。(2)受块石形状的影响(外凸和内凹、锯齿边界),冰石混合物中可见对应的沿准确的冰石界面开裂和在界面附近冰体一侧开裂的2种裂缝类型;冻土石混合体中裂缝主要在冻土中和土石界面间发育。(3)试样的抗压和抗拉强度随冻结温度的降低呈现线性增加的趋势。随温度的降低冻土和冻土石混合体的压、拉强度增长速率要大于纯冰和冰石混合物的强度增长速率;各试样的压、拉强度比约为5。(4)在冻结温度为-10℃时,各试样的抗压、抗拉强度大小依次为冰石混合物冻土石混合体冻土纯冰;然而在冻结温度为-30℃时,抗压强度大小依次为冻土冻土石混合体冰石混合物纯冰,抗拉强度大小依次为:冻土石混合体冻土冰石混合物纯冰。(5)冻土石混合体内部土石界面间除胶结冰的冻黏作用之外,还存在胶结冰的嵌入和互锁强化作用。在高含水量的冻土内部,土颗粒易溶于水中,在冰土界面土层一侧形成冰土混合交融层,该层强度大于纯冰强度,有效提高了冻土的强度。     

正交各向异性冻土与建筑物相互作用的非线性有限元分析

将冻土与扩大墙基作为一个整体结构,将各向弹性模量及泊松比随温度、水分、应力变化的冻土视为正交各向异性的非线性材料;将冻土冻胀系数作为负线膨胀系数,按结构温度应力的计算方法,应用结构非线性分析的有限元法,对冻土与扩大墙基之间的相互作用进行数值计算,获得其应力场、位移场及冻土与扩大墙基之间的各种作用力;理论分析结果与模型试验吻合,提出了一种求解冻土与基础相互作用的通用数值分析方法,供生产设计参考应用。     

人工冻土单轴抗压强度与温度和含水率的关系

冻土在拉应力作用下,由于其气泡(空隙、缺陷)等导致的应力集中作用,使裂纹迅速扩展,并引起脆断,所以抗拉强度远比抗压强度低.由于冻土的力学性质与岩石的力学性质相差甚远,冻土的抗压强度通常以到试样被压坏为止算冻土的抗压强度.我们在基本物理性质的基础上,对温度为-1℃、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-24℃以及含水率为14%、17%、19%、20%、22%、23.15%、25%的单轴抗压强度进行测试.在含水率一定的情况下,在-7℃、-20℃的时候,是冻土单轴抗压强度的两个变化点,到了-20℃随温度继续降低,单轴抗压强度逐渐减小.而当温度一定的时候,单轴抗压强度随着含水率的增加反而降低,变化趋势接近线性.     

未冻水含量对含废弃轮胎碎屑冻土超声波速度的影响

本文介绍了用液浸式超声波循环法测定冻土中超声波速度的原理和过程 ,并在 - 0 .2℃～ - 1 0℃温度范围内测定了含有不同比例废弃轮胎碎屑的Tomakomai粉土的纵、横波速度。结果表明超声波在冻土中的纵、横波传播速度在冻土温度接近 0℃时随温度的升高而急剧降低。结合冻土的未冻水含量随温度的变化规律分析表明 ,冻土中超声波的传播速度与冻土未冻水含量呈良好的线形关系 ,且未冻水含量每增加 1 % ,纵波速度约降低 6 2m/s;横波速度降低约 35m/s。     

高温冻土抗拉强度试验研究

高温冻土抗拉强度是分凝冰形成准则中的重要参数,对于土体冻胀过程中的分凝冰形成判定具有重要意义。为研究高温冻土抗拉强度,采用径向压裂法对青藏高原高温冻土进行巴西劈裂试验,获得高温冻土抗拉强度随温度变化规律:0℃~-0.4℃,高温冻土抗拉强度随温度降低而增大,且增大幅度随温度降低而减小;-0.4℃~-2.0℃,抗拉强度随温度降低线性增大。将试验获取的高温冻土抗拉强度拟合函数代入分凝冰形成准则,利用冻胀模型进行冻胀量的计算,与同条件下的试验结果进行对比,验证了高温冻土抗拉强度试验方法和结果的可靠性,为土体冻胀模型的应用提供了重要参数。     

基于热参数和土水势变化的冻土冻结势研究

针对冻土热参数、土水势在不同温度条件下的变化趋势缺乏统一表述的问题,提出了冻土冻结势概念。为通过不同温度下的热参数和土水势变化率得到冻结势的表达式,首先,基于Johansen法反演不同温度下的冻土未冻水含量,根据未冻水含量计算出冻土热参数理论值,得出热参数在不同温度下的变化率;其次,通过土水特征曲线研究了冻土土水势随未冻水含量的变化关系,得出了冻土土水势在不同温度下的变化率;最后,根据以上计算结果拟合出了冻结势函数。研究结果表明:热参数及土水势在不同温度下产生不均匀变化的根本原因是未冻水含量的不均匀变化;随着土体温度的降低,未冻水含量、土水势、热参数先发生剧烈变化,随后变化趋势减缓并趋于某一数值;在温度为0～-5℃时,冻土冻结势急速发展,当温度低于-5℃时冻结势发展趋缓,由此得出0～-5℃是重塑冻土热参数和土水势性质的剧变区间。在此基础上,依据冻结势函数拟合出一种考虑温度变化的导热系数计算方法,该计算方法能较好地预测不同温度下冻土的导热系数。     

线热源法测量冻土热参数的适用性分析

提出了应用线热源法测量冻土热参数存在的问题,冻土中未冻水含量随温度的变化是导致线热源法测量误差产生的根本原因。对二维无限大——点热源热传导方程进行简化得到一维中心对称——热流边界热传导方程。采用双针法对不同温度的环刀土样进行了测试并对冻土传热过程进行数值试算,反演得到不同温度的相变热容和未冻水含量。结果表明:当温度大于-0.7℃时,相变热容值远远大于冻土体积热容并且随温度急剧变化,线热源法测量的结果严重失真;当温度介于-0.7~-4℃时,线热源法测量结果仍有较大的误差;当温度低于-4℃时,相变热容值很小且比较稳定,线热源法测量的热参数能满足一定的精度要求。     

冻结砂土三轴试验中颗粒破碎研究

压力作用下颗粒发生破碎是引起砂土力学特性变化的重要因素之一,冻结砂土也是如此。对冻结砂土进行了不同温度和围压下的三轴剪切试验,并筛分得到三轴试验前后的颗粒大小分布曲线。通过引入Hardin定义的颗粒破碎率Br,分析了围压与颗粒破碎的关系及颗粒破碎对冻土抗剪强度的影响。结果表明:在温度为-0.5℃,-1℃,-2℃,-5℃和围压为0.5,2,5,10 MPa的条件下,三轴剪切过程中会产生较为可观的颗粒破碎;颗粒破碎率Br随围压增大,到达一定围压后Br不再随着围压的增大发生明显变化,即存在一个颗粒不再发生明显破碎的临界围压σr。结合前人研究发现,-5℃下一般工程关心的围压范围内压融对冻土力学特性没有显著影响,而颗粒破碎起控制性作用。分析表明:-5℃条件下在不同的围压范围颗粒破碎对抗剪强度具有不同的影响。试验所采用的围压范围内,随着围压的增大,颗粒破碎率增大使得冻土的抗剪强度降低;破碎率达到极限以后,由于破碎的颗粒重排列又导致抗剪强度有所提高。     

复杂应力路径下人工冻砂土非线性流变本构模型与应用研究

采用应力路径试验方法,模拟人工冻结法凿井井架地基施工变化过程,得到了冻砂土地基的变形规律:冻砂土轴向加载过程具有明显的剪胀性,且体积应变不能忽略。为了全面反映冻砂土在应力路径下的变形,以元件模型为基础,通过推导获得冻砂土非线性流变本构力学模型。利用有限元程序的二次开发技术,将该模型嵌入到FEPG有限元程序平台中,对冻砂土三轴蠕变试验和冻结法凿井井架地基受力过程进行了数值模拟。模型能够较好地反映冻砂土的变形随时间的变化规律,数值模拟、室内试验和实测值吻合较好,可为冻结法凿井设计和施工提供指导。     

冻土断裂力学破坏准则及其在工程中的应用

考虑冻土自身存在的各种缺陷及冻胀力的作用和影响,应用断裂力学理论与方法,研究冻土破坏的机理,建立了冻土断裂力学破坏准则。该准则适用于脆性破坏并在小范围屈服条件下的冻土。对于冻土地基临塑荷载的确定以及在较低负温下的地基基础的破坏问题,该准则也是适用的。通过实际冻土工程问题的应用表明,冻土断裂破坏准则符合冻土的实际和特点,是有效的。     

地铁联络通道冻结法施工中涌水成因及防治

以某富水砂卵石地层联络通道人工冻结法施工为依托,就地层热力学参数、冻结参数和施工工艺等对冻结壁的厚度、交圈时间及平均温度等影响进行了研究,分析表明:AGF冻结效果关于热传导系数的敏感度最大,关于比热容和含水率的敏感度次之;冷冻管间距对冻结效果的影响非常显著,冻结法施工时,应加强冻结管开孔位置及倾斜度的控制;冷冻管直径变大,盐水与地层间对流系数减小,会抵消冻结管直径增大的影响;保温层设置不当以及冻结管远端定位缺陷直接影响联络通道与盾构隧道交叉区域的冻结效果,甚至出现冻结壁厚度不足和冻结壁交圈困难等问题,易导致管片开挖时涌水事故的发生。     

湿地多年冻土路基EPS板应用试验

通过调查 30 1国道博～牙段的湿地冻土环境 ,对湿地多年冻土路段 ,提出了 6种加强和改良地基路基的处理方案 ,测试了地温、地表沉降、孔隙水压力和土层分层沉降及EPS材料的特性 ,研究了铺设EPS板对地温的影响。结果表明EPS板可以减少地表向深层的热流量、减少地下多年冻土层上限的下移、减缓多年冻土层的消融 ,保持道路的稳定     

基于BP神经网络的冻土路基沉降预测

通过采用BP神经网络对铁路建设期间冻土温度变化及冻土路基沉降进行了评价和预测,该方法减少了人为因素的干扰,有很强大的非线性映射能力,可以相对精确进行较长时间、较大范围的冻土路基沉降预测,弥补了现场实测数据的不足,可推广应用。     

Effect of Freezing Conditions on the Shear Strength of Soils Frozen Together with Materials

The relationship between the strength of soils frozen together with materials on the roughness of their surface is analyzed under different temperature conditions. The formation of an ice interlayer at the contact between the frozen soil and material, and its effect on the adfreezing strength are investigated.     

单排管冻土帷幕平均温度控制参数敏感性分析

在冻土帷幕平均温度计算中,控制参数的变化直接影响到计算结果。以单排管冻土帷幕温度场的巴霍尔金解析解为基础,使用近似积分和有限元模拟方法计算直线形单排管冻土帷幕的整体平均温度。针对基于巴霍尔金模型的平均温度计算公式中的冻结管外表面温度、冻结管间距及冻土帷幕边界到冻结管中心的距离与冻结管间距的比值3个参数对冻土帷幕整体平均温度影响的敏感性进行分析。得到以下结论:(1)冻土帷幕整体平均温度与冻结管外表面温度成正比;(2)在相同的偏差下,冻结管间距越小,对整体平均温度影响越大;(3)随着冻结发展,冻土帷幕厚度逐渐增大,其误差对整体平均温度计算的影响逐渐降低。     

基于分数阶导数的冻土蠕变本构模型

冻土的蠕变特性与所受应力水平及蠕变应变有关,在高应力水平下会表现出加速蠕变特性。本文在分数阶的非线性黏壶基础上提出了可以描述加速蠕变特性的应力-应变双控元件。传统Nishihara模型难以描述加速蠕变,通过将Nishihara模型中的黏弹性体替换为分数阶的Abel黏壶,将黏塑性体替换为提出的应力-应变双控元件,得到了冻土的一维蠕变本构模型,并将其推广到三维应力状态。提出的模型对冻土的单轴和三轴蠕变试验数据进行了预测分析,和传统Nishihara模型相比,该模型只增加了一个参数,不仅能够反映冻土在低应力水平下冻土衰减蠕变和稳定蠕变特性,而且还可以较好地反映冻土在高应力水平下加速蠕变规律。说明了该模型对于描述冻土在不同应力条件下不同蠕变状态的适用性。     

海底盾构修复冻结加固技术

在海底故障盾构修复施工中,在盾构切口前方采用双排冻结管和盾构两侧的辅助冻结管进行垂直局部冻结加固土体,使盾构前方形成罩形冻土帷幕,将切口端的漏水通道冻结封闭,为隧道清泥排水和盾构修复提供保障。考虑到海水含盐具有冻土帷幕厚度减小、冻土强度下降等对冻结的不利影响,对冻结方案进行了专门设计与冻结及施工过程的实测研究。通过对冻土温度监测数据的计算和分析,表明罩形冻土帷幕在海底盾构修复中取得了良好效果,验证了该冻结方案在海底盾构隧道修复中的可行性。     

青藏直流输电工程粗粒冻土地基温度监测与分析

为分析青藏直流输电线路工程冻土地基的冻结情况及其对基础安全稳定性的影响,在青藏高原五道梁地区对装配式原型基础冻土地基进行1个冻融过程的地温监测,结合该地区气温资料,分析粗粒冻土地温随时间变化特点和沿深度分布情况。监测结果显示：地温呈周期性波动,振幅随深度增加而减小,原状和回填冻土地基上部均存在冻融状态交替的冻融活动层;监测期内基础底部冻土处于冻结状态,基础安全稳定;原状和回填冻土最大融化深度分别为3.0和3.2 m,通过建立地温估算公式,并利用地温变化幅值、均值等结果,得到原状多年冻土上限为3.1 m,与工程勘测和监测结果一致;建立冬季时高孔隙率回填冻土地基传热方程,分析地基传热性能和与孔隙率直接相关的地基中空气自然对流速度对地基回冻的影响。研究表明：冻土回填扰动加剧地温波动的振幅和增大冻土融化深度,但影响程度和范围有限;输电线路冻土装配式基础冬季施工,在冻融活动层深度内保持地基适当孔隙率,既可在冬季加速地基回冻,又可利用土体自然固结和融沉,提高压实度,从而在暖季减弱热量向地基深部扩散,有利于地基保持冻结。