冻结粉土的动静蠕变特征比较

通过动、静荷载作用下冻结粉土的蠕变试验,发现在初始蠕变阶段和稳定蠕变阶段,动蠕变的应变值小于静蠕变,而由于稳定蠕变阶段动蠕变的蠕变速率大,应变迅速增加,导致动蠕变的稳定蠕变阶段很短,迅速进入渐进流阶段,此时其应变值大于静蠕变;动、静蠕变的破坏特征与加载应力的变化趋势相同,但数值不同,动蠕变的破坏时间、破坏应变都小于静蠕变,最小蠕变速率值大于静蠕变,且加载应力越小,二者的差别越明显。     

水泥土杯型冻结加固盾构隧道端头温度场发展规律研究

盾构隧道端头冻结法施工的关键是形成稳定封闭的冻结壁。为掌握水泥改性土杯型冻结温度场的发展规律,以杭州地铁4号线某盾构隧道端头冻结工程为例,考虑地层温度与相变潜热,对水泥改性土冻结温度场进行了三维数值模拟。研究表明其中水泥土降温规律分为快速降温、相变阶段、降温、趋于平缓4个阶段;砂土水泥土、黏土水泥土、砂土、黏土这四种土体中砂土水泥土降温速度最快,研究结果为类似工程提供参考。     

基于Perzyna黏塑性分数阶导数蠕变模型

了解人工冻土的蠕变性质对安全建井是非常必要的。目前常用分数阶导数伯格斯蠕变模型来模拟人工冻土的稳定蠕变阶段。如果从内能角度分析发生蠕变的机制,基于应变能理论,采用Perzyna黏塑性理论与分数阶导数伯格斯模型相结合,可以建立一种能描述衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变3个阶段全过程的蠕变统一本构模型。通过建立模型比较发现,数值模拟结果与试验数据基本吻合,研究成果为人工冻土蠕变过程研究提供了一种新的思路。     

温度梯度冻土蠕变变形规律和非均质特征

采用K₀DCGF（K₀固结—保持荷载冻结—形成温度梯度—再试验）方法,开展不同温度梯度冻结饱和黏土三轴蠕变试验,研究冻土蠕变变形规律和温度梯度诱导的冻土非均质特征。结果表明：K₀DCGF模式中温度梯度冻结饱和黏土蠕变曲线由瞬时蠕变、衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变4个阶段组成;温度梯度冻土径向蠕变速率小于轴向蠕变速率;温度梯度冻土最小轴向蠕变速率与蠕变应力之间满足指数函数关系,而长期强度极限与蠕变破坏时间之间则满足对数函数关系;梯度温度冻结过程中的水分场重分布和试验后冻土变形的非均匀分布是K₀DCGF蠕变试验中“温度梯度诱导的冻土非均质性”的重要体现;蠕变试验后温度梯度冻土冷端含水量最高,密实度最大;蠕变试验后温度梯度冻土宏观径向变形/试样高度沿试样高度方向分布随蠕变应力增加由先增加后降低规律逐步演化为持续增加规律,这一现象与冻土初始瞬时蠕变速率密切相关。     

不同冻结温度下深部人工冻土单轴蠕变特征试验研究

本文进行了人工冻土不同温度下(-10、-15、-20、-25℃)单轴抗压强度和不同应力(σ=0.2σs,0.3σs,0.5σs,0.7σs)单轴蠕变试验。试验结果表明:冻土单轴抗压强度与冻结温度具有很好的线性规律;冻土的蠕变特性表现为两个阶段,当应力水平较低时,处在衰减型蠕变阶段;当应力水平较高时,则处在非衰减型蠕变阶段。     

基于分数阶导数下kelvin模型改进

通过Riemann-Liouville分数阶导数分析经典Kelvin模型,利用蚁群优化算法,结合温度对冻土蠕变的影响,进而改进经典kelvin模型。根据采集及分析不同温度下的人工冻结砂土试验数据及结果发现改进后的Kelvin模型不仅可以较准确地描述冻土蠕变过程中温度、应变及时间的关系,也可以更精准地描述出蠕变过程的三个阶段(初始蠕变、匀速蠕变及加速蠕变),使理论公式与实际工程更加贴近,为实际工程中冻结施工过程提供更准确地理论基础。     

锚–土界面剪切蠕变试验及其经验模型研究

为了研究土层灌浆锚杆锚–土界面剪切蠕变特性,提出了一种新颖的锚–土界面蠕变试验方法,并设计制作了相应的试验装置。通过分级加载蠕变试验,得到了锚–土界面剪切蠕变曲线,采用"陈氏加载法"将分级加载曲线转化为分别加载曲线。分析试验结果发现,锚–土界面衰减蠕变阶段的位移–应力关系采用幂函数、位移–时间关系采用改进双曲线函数拟合效果最好。由此建立了适合锚–土界面衰减蠕变阶段的经验蠕变模型,该模型可更好地拟合并预测衰减蠕变曲线。同时,在该衰减蠕变模型基础上,引入Kachanov损伤因子考虑加速蠕变损伤,建立了适合锚–土界面加速蠕变阶段的加速(损伤)蠕变模型。     

人工地层冻结应用研究进展和展望

随着地下工程的不断增加,国内外对人工土冻结应用研究日益重视。对国际人工土冻结应用研究的发展进行了回顾,分析了目前人工土冻结研究面临的任务和要解决的主要问题,对进一步提高国内人工土冻结应用研究水平阐述了看法     

上海软土深埋盾构施工引起的土压时效规律分析

针对上海软土地区深埋盾构开挖所引起的土压力时效性发展规律,选取4倍直径埋深盾构,布设土压力全断面长期监测点,获取盾构开挖阶段及后期固结蠕变阶段的土压力数据,以得到深部地层的土压时效变化规律。通过现场试验可得,盾构开挖所采取的土仓压力按照理论静止土压力取值时,刀盘周围会形成半径为1~1.5D的被动土拱效应作用区域,土拱范围内会产生20%的被动土压力增幅,土拱以外的范围不受开挖扰动影响。盾构掘进所产生的被动土拱挤压效应在盾尾注浆浆液硬化后开始逐渐衰减,衰减主要作用阶段为开挖后1~3年,深层土体衰减后进入长期蠕变阶段。试验表明,软土深部地层盾构开挖会产生一定程度的土拱效应,且土拱效应在后期固结蠕变过程中逐步衰减,可为今后软土深部地层盾构隧道设计及施工的土压力取值提供一定参考依据。     

人工冻土遗传分数阶导数加速伯格斯蠕变模型

了解人工冻土的蠕变性质对安全建井是非常必要的。目前常用的人工冻土蠕变整数阶模型存在元件多的不足,通过将伯格斯模型串联黏壶替换为分数阶导数黏壶,建立分数阶导数伯格斯蠕变模型来模拟稳定蠕变阶段;在分数阶导数伯格斯模型中串联加速元件,建立分数阶导数加速伯格斯蠕变模型来模拟加速蠕变阶段。通过对比分析分数阶伯格斯蠕变模型计算结果与试验值,表明所建立的蠕变模型可较好地反映人工冻土的各阶段蠕变过程,可为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。     

冻融过程中未冻水含量对非饱和粉土抗剪强度的影响

对含水率为18.3%的非饱和粉土进行了冻融过程中不同温度下的直剪试验,用核磁共振测定了冻融过程中孔隙水的相变过程,并分析了未冻水、孔隙冰对其力学性质的影响机制。试验结果表明:(1)非饱和粉土冻结可分为过冷段(-1.15℃)、快速冻结阶段(-1.15℃～-2℃)和稳定冻结阶段(-2℃),快速冻结阶段76%的孔隙水冻结,而稳定冻结阶段未冻水含量只减少7%;(2)冻融过程中黏聚力随温度发生显著变化,内摩擦角变化幅度很小;(3)冻结过程中抗剪强度的变化主要发生在稳定冻结阶段,快速冻结阶段黏聚力仅增大38.5%,内摩擦角基本无变化,而稳定冻结阶段黏聚力增大123.5%,内摩擦角降低12%。得到以下结论:(1)快速冻结阶段黏聚力增大主要是由于孔隙水冻结导致基质吸力增大,毛细黏聚作用增强;稳定冻结阶段黏聚力增大主要是由于冰对土颗粒胶结强度增大;(2)含冰量变化不大时,冻土抗剪强度主要受冰对土颗粒胶结强度的控制,而此胶结强度决定于未冻水膜的厚度;(3)稳定冻结阶段内摩擦角降低主要由孔隙中水冰相变发生体积膨胀时对土颗粒骨架的作用力导致。     

冻结法在广州地铁3号线施工中的应用

在富水性地基土中暗挖法施工地铁工程,采用人工冻结地层开挖及结构施工,阐述了冻结法加固地基土机理及施工工艺,通过测温和沉降监测,分析冻结法隧道施工过程中土层温度、荷载与沉降的关系。     

水泥土加固法冻胀抑制效应数值模拟

水泥土与人工冻结联合加固法在盾构隧道端头加固中效果明显。本文以南京地铁十号线过江隧道端头联合加固工程为背景,分别进行了水泥土及原状土体冻结温度场和冻胀位移场耦合数值模拟研究,并通过对比实测与数值模拟结果,验证了计算方法的正确性。研究结果表明:冻结管间、冻结管与围护结构间区域降温速度较快,后排冻结管后方受加固体影响,是冻结壁发展最不利部位;冻结管和围护结构的约束作用会抑制周围土体的冻胀,两排冻结管间冻胀位移最大;水泥加固后地层冻胀敏感性明显减弱,地表最大冻胀量为对应原状土的14.3%,1 mm以上冻胀量地层在深度方向上为对应原状土的30.6%。研究结果对进一步探索水泥土与人工冻结联合加固工法有指导作用。     

冰碛土现场大尺寸蠕变试验研究

雅康高速公路兴康特大桥康定岸为巨厚层冰碛土，为研究冰碛土蠕变特性，采用自主研发的电气液伺服联控野外岩土力学试验装置开展现场米级大尺寸蠕变试验，实现了全过程的荷载伺服与数据自动采集。通过在现场开展常规直剪试验和直剪蠕变试验，获得了冰碛土的峰值强度参数和长期强度参数。根据现场压缩蠕变试验结果，分析了每级荷载下沉降变形的蠕变变形规律并获得了冰碛土压缩蠕变模型。研究表明：冰碛土瞬态蠕变持续时间不超过5 min，且具有加载后延迟变形的现象；减速蠕变阶段蠕变速率呈波动性下降；稳态蠕变阶段往往表现波动增长和收敛特征，反映了土体骨架颗粒的变形调整作用。     

冻结原状砂土分数阶Burgers蠕变模型

为了更好的描述人工冻结砂土的蠕变特性,在Burgers模型的基础上,将分数代数理论与Burgers模型相结合建立了分数阶导数Burgers蠕变模型,对内蒙古地区原状冻土在不同温度和不同加载应力下的单轴蠕变曲线进行模拟,模型参数均由遗传算法全局优化而得。通过对比Burgers模型模拟的结果可以看出分数阶导数Burgers模型能与试验数据严密相关,且所需参数较少,物理意义明确,说明了分数阶导数Burgers蠕变模型能够很好的反映人工冻结砂土的蠕变特性,具有更高的精确性。     

南通地区冻结黏土蠕变特性试验研究

冻结法施工是地铁开挖的常用手段,因此典型土层的冻土蠕变特性可为工程提供安全资料。针对南通地区地铁开挖过程中典型土层人工冻结黏土在不同温度水平下进行单轴抗压和蠕变试验,获得在-5℃,-10℃,-15℃温度下冻土应力应变和蠕变的特性规律。在此基础上,引入模糊数优化传统的蠕变模型,利用大量实验数据回归改进后的模型,优化后的蠕变模型能更好的拟合试验值,更能反映实际地下工程的不确定性。     

冻结凿井中冻结孔作埋地换热器的可行性分析

冻结法凿井是利用人工制冷技术暂时冻结加固井筒周围不稳定地层并隔绝地下水后再进行开凿井筒的特殊施工方法。采用冻结法施工的井筒,完成后地层中留有大量的冻结孔。本文基于某工程实例,主要通过数值计算温度场分析利用冻结孔作为地源热泵埋地换热器的可行性,以实现浅部或深部地层冷量和热量的利用。     

主应力轴旋转条件下冻结黏土累积塑性应变与临界动应力特性研究

冻土作为寒区工程的基础和人工冻结工程的支护壁，经常承受动荷载的扰动，研究其在动荷载作用下累积塑性应变和临界动应力特性，可为寒区工程和人工冻结工程变形控制和稳定评价提供重要参考。为揭示主应力轴旋转对冻结黏土累积塑性应变和临界动应力特性影响，采用冻土空心圆柱仪进行了一系列考虑围压影响的动三轴试验和纯主应力轴旋转试验，分析了冻结黏土累积塑性应变、累积塑性应变率和临界动应力特征变化。研究表明，冻结黏土试样轴向累积塑性应变随着循环次数的增多而增大，围压的增大则会抑制冻结黏土轴向累积塑性应变发展速度，而主应力轴旋转效应会加快冻结黏土轴向累积塑性应变发展速度。冻结黏土轴向累积塑性应变率呈现3种不同变化趋势，提出了基于累积塑性应变速率判别的冻结黏土塑性变形行为划分准则，并建立了冻结黏土塑性安定和塑性蠕变临界动应力表达式，证实了主应力轴旋转条件下冻结黏土临界动应力显著降低。研究结果对冻土工程的设计、施工、稳定评价和寒区资源开发都具有重要的指导意义。     

水泥改良土地层联络通道冻结温度场分析

地铁工程联络通道施工中,人工冻结加固土层的温度场研究目前大部分还是集中在天然土层方面,对水泥改良土地层中冻结温度场的发展与特性研究较少。文章系统研究水泥改良对联络通道地层冻结温度场的影响,建立联络通道冻结开挖三维数值模型,考虑导热系数、比热容、相变潜热等影响因素,综合实测数据以及试验,对天然土层以及水泥改良土层中冻结温度场的发展和分布规律进行分析,研究结果表明：相比于天然淤泥质土地层,水泥改良土冻结温度场发展速度更快,但冻结效应稍差,积极冻结期的前33d,冻结温度场发展较为迅速,相邻冻结锋面相交后,温度场发展速度开始下降。水泥改良后,土层冻结温度场的发展对导热系数的变化最为敏感,比热容的变化次之,相变潜热变化的影响十分微小。研究成果表明：人工冻结配合水泥改良对淤泥质土地层具有显著的加固效果。     

人工冻结技术应用进展

通过对冻结法的基本原理和施工方法的介绍，研究了冻土温度场的发展，以及温度场与冻结壁发展的关系，分析了目前人工土冻结研究中亟待解决的主要问题，对进一步提高国内人工土冻结应用研究水平阐述了看法。