一种新型冻土可视化试验系统及其在冻融试验中的应用EI北大核心CSCD

为了提高冻土试验系统的控温精度、实现分凝冰发育过程的实时监测,基于固态制冷技术和线阵CCD(Charge Coupled Device)扫描成像技术,研发一种新型冻土可视化试验系统。该系统的核心部件包括固态控温模块和CCD可视化模块。在固态控温模块中,引入人工神经网络对控温算法的控制参数进行优化选取,使得试验系统对控温对象的温度状态具备自适应调节能力。而在CCD可视化模块中,使用CCD感光元件构建了操作简便、成像精度高的线阵扫描结构,其最高分辨率可达4 800 dpi×4 800 dpi。性能测试结果显示系统的恒温控制精度为±0.002℃。在变温幅度为0.05℃的控温过程中,其温度过冲只有0.009℃;当变温幅度增加至0.5℃时,其温度过冲仅为0.089℃。而在线性降温过程中(降温速率-1.2℃/h),其控温误差未超过±0.01℃。在此基础上,开展正弦温度波动下的应用试验。从试验结果上看,该系统运行稳定、控温精度高,可视化模块可观测到0.5mm宽度的分凝冰发育过程。并且所得数据表明土体过冷过程和冻融历史对温度场、分凝冰发育状态存在显著影响。因此,当前冻胀试验中为了消除过冷影响而采取的预冻结处理方式会改变土样的初始状态,从而影响土体冻胀特性的评估结果;而且所采取的单次冻结的试验方式无法反应冻融历史对冻胀特性的影响,尤其是对于室内重塑土样。相关研究有待深入,而该试验系统为开展此类研究提供了条件。     

一种新型冻土可视化试验系统及其在冻融试验中的应用

为了提高冻土试验系统的控温精度、实现分凝冰发育过程的实时监测,基于固态制冷技术和线阵CCD(Charge Coupled Device)扫描成像技术,研发一种新型冻土可视化试验系统。该系统的核心部件包括固态控温模块和CCD可视化模块。在固态控温模块中,引入人工神经网络对控温算法的控制参数进行优化选取,使得试验系统对控温对象的温度状态具备自适应调节能力。而在CCD可视化模块中,使用CCD感光元件构建了操作简便、成像精度高的线阵扫描结构,其最高分辨率可达4 800 dpi×4 800 dpi。性能测试结果显示系统的恒温控制精度为±0.002℃。在变温幅度为0.05℃的控温过程中,其温度过冲只有0.009℃;当变温幅度增加至0.5℃时,其温度过冲仅为0.089℃。而在线性降温过程中(降温速率-1.2℃/h),其控温误差未超过±0.01℃。在此基础上,开展正弦温度波动下的应用试验。从试验结果上看,该系统运行稳定、控温精度高,可视化模块可观测到0.5mm宽度的分凝冰发育过程。并且所得数据表明土体过冷过程和冻融历史对温度场、分凝冰发育状态存在显著影响。因此,当前冻胀试验中为了消除过冷影响而采取的预冻结处理方式会改变土样的初始状态,从而影响土体冻胀特性的评估结果;而且所采取的单次冻结的试验方式无法反应冻融历史对冻胀特性的影响,尤其是对于室内重塑土样。相关研究有待深入,而该试验系统为开展此类研究提供了条件。     

青藏斜坡黏土冻融循环物理力学性质试验

 冻融过程使土体的结构、物理力学性质等发生变化,导致其工程性质恶化,影响线路稳定和列车的正常运行。为考察青藏铁路多年冻土区斜坡路基土体的长期稳定性,针对典型斜坡黏土在冻融循环条件下的主要物理力学性质,进行试验研究。试验结果表明：试样经历10次冻融后,其含水量、密度、黏聚力、内摩擦角等物理力学性质趋于稳定。土体冻融最终平衡状态与初始状态相关,其中初始干密度的影响尤为重要。随冻融循环过程增加,低密度土体的黏聚力有所提高,而高密度土体的黏聚力下降,内摩擦角变化较小。进行冻土斜坡路基稳定性分析时,建议取土体冻融平衡状态时的参数。     

人工冻结法地基处理及应用研究

本文介绍了冻结法进行地基处理的原理和特点，对于该技术中存在的如未冻水含量对冻结土强度的影响。冻结与解冻速度，冻胀融沉，冻融土的物理力学性质等问题进行了研究并给予了解答。可以通过增加负温来降低未冻水的含量以满足冻土的强度要求；通过控制冻结与解冻速度等措施，可以降低冻胀量与融沉量以及避免融陷的危险发生，采用注浆法可对冻融土体进行加固，提高其承载力。     

裂隙岩体冻融损伤研究进展与思考

 裂隙岩体具有不同于土体的结构和强度特征,现有冻土理论不能解决低温岩体裂隙冻胀开裂、扩展演化问题,冻融过程中水分迁移机制、冻胀力的量值与萌生消散机制以及裂隙冻融扩展演化机制等是研究裂隙岩体冻融损伤的关键问题。对裂隙岩体中的水分迁移机制研究应立足于微观尺度,从分凝冰理论入手,关注于未冻水膜的迁移机制。低温裂隙岩体冻融损伤程度受到裂隙中冻胀力大小控制,而冻胀力大小和裂隙冻融扩展机制与裂隙的空间位置形态、未冻水含量、冻结温度以及岩石的物理力学性质等因素有关。几十年来,对岩体冻融裂隙扩展的研究主要集中在理论模型探究、室内裂隙岩体冻融试验和现场监测分析3个方面,取得了丰硕的成果,但目前关于冻岩的研究还远未成熟,要深入揭示裂隙岩体冻融损伤演化机制,还应借助于室内试验从裂隙岩体冻融水分迁移机制入手,以探究冻胀力量值的求解方法为初步目标,进而结合岩体裂隙扩展准则研究冻胀力对岩体裂隙网络发展的影响。     

不同冻融模式下淤泥质土力学及微观结构特性研究

通过改进的温控三轴仪,考虑冻融围压、次数和冻结温度组合影响,对淤泥质土开展冻融后固结不排水剪切试验(FC模式)和固结后冻融不固结不排水剪切试验(CF模式),分析上述因素对淤泥质土力学特性的影响,并通过电镜扫描试验揭示冻融围压对其力学特性的影响机制。结果表明：FC模式中,冻融围压会减少冻融后土体内孔隙数量,进而降低冻融对土体强度和模量的弱化作用;而CF模式中,冻融围压使得冻融后土体内孔隙增多,土体融化时土体内超孔压增大且无消散过程,进而加剧了冻融对土体强度和模量的弱化作用;两种模式中,随着冻结温度越低和冻融次数越多,淤泥质土强度弱化效应越明显,土体破坏时的超孔隙水压力越高。淤泥质土力学指标劣化系数随冻融围压、次数和冻结温度的变化规律可用生长函数描述。     

冻土动态力学特性研究分析

指出冻土动态力学特性主要研究在各种动态荷载作用下冻土的变形和强度特征及土体稳定性，其研究成果对寒区工程设计有着重要的意义，主要从动力学参数、动应力应变关系及动强度、动蠕变等几个方面介绍目前冻土在动态荷载作用下的力学特性的研究状况并进行了分析。     

冻砂土损伤本构模型及应用研究

采用单轴压缩的试验方法对深部冻砂土的损伤特性进行系统的试验研究,得出深部冻土在受荷条件下的应力-应变曲线。应用损伤理论推导出冻土本构方程,并推导出考虑土体损伤的冻结壁应力场计算公式。从理论上更加完善,可以为深井冻结壁计算提供参考。     

一种大型桩土界面直剪试验装置的研制与应用

自主设计研制了一台大型恒刚度桩土界面直剪仪用于黏性土中桩土界面的力学特性测试。该试验装置采用理想弹簧组加载系统,法向可提供恒刚度边界条件;切向可按位移控制,能够实现上剪切盒静止,下剪切盒直线和往复运动的加载路径。试验结果表明:该试验装置再现了黏性土体与结构接触面在不同加载条件下的力学响应,能够很好地模拟桩土界面剪切过程,为黏性土中桩土界面力学特性的研究提供了基础;大型桩土界面直剪试验得到的不同法向应力下,随着接触面粗糙度、剪切速率和黏性土含水率变化而变化的剪应力–剪切位移关系曲线,与已有关于桩土界面剪切力学特性影响因素研究结论相符。     

大型多功能冻土-结构接触面循环直剪系统研制及应用

在天然冻土区和人工冻土工程中存在着大量冻土与结构物接触面问题,而目前尚无有关此类接触面剪切行为的试验研究手段。为此,研制了大型多功能冻土-结构接触面循环直剪系统DDJ—1,该系统性能优异：能实现0～-20℃范围内对接触面温度的精确控制;能精确施加常刚度、常位移、零法向应力和常应力4种法向边界条件;能够模拟多种粗糙度的接触面实现循环和单调两种剪切形式;能够观测接触带的破坏状态和厚度,同时可以测量接触带土体内部的剪切位移;应力施加、位移控制和温度调节精准。试验结果表明：该系统能准确地再现冻土与结构接触面的力学行为、变形行为,可为系统开展冻土-结构接触面的研究提供试验基础和重要思路。     

渗流–侵蚀–应力耦合管涌试验装置的研制及初步应用

管涌是涉及孔隙水渗流,可动细颗粒侵蚀、运移,多孔介质变形等众多复杂力学行为的多相、多场耦合现象。为真实模拟管涌发展过程、探究管涌机制,研制渗流–侵蚀–应力耦合管涌试验装置。该装置包括流失细颗粒收集系统、围压系统、轴向压力系统、渗透压力系统及数据采集系统。流失细颗粒收集系统可以实时收集管涌发展过程中流出土体的细颗粒及渗流量;围压及轴向压力系统模拟土体承受的三向应力状态,最高围压可达2.0 MPa,最大轴向压力可达30 kN(试样直径101 mm);渗透压力系统模拟土体承受的渗流作用,具有高水头(200 m)与低水头(低于2 m) 2种模式;数据采集系统能够实时监测土体沉降、体积及渗流进、出端水头的变化等。无围压、等向受压、三轴受压3组管涌试验表明：应力状态对管涌发展过程影响显著。等向受压状态下管涌临界坡降远高于无围压时的结果,略高于三轴受压状态下的临界坡降。新型管涌试验装置能够真实模拟土体管涌发展过程,实时监测管涌发展过程中土体细观结构、几何、水力、力学特性的演变,将成为深入研究管涌机制的可靠技术工具。     

中国冻土力学研究50a回顾与展望

中国多年冻土和季节冻土面积分别占国土面积的 21.5% 和 53.5% 。在这些地区,地表层都被一层冬冻夏融的冻结–融化层覆盖,作为地基的冻结–融化层,在其冻融过程中土体性质受气温的变化直接影响着上部建筑物的稳定与安全,因此,在冻土地区进行水利工程、工业与民用建筑及交通运输工程的建设,就必须对冻土及其与工程建筑物相互作用的一系列工程冻土学理论和实践问题做出解答,以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性、耐久性及经济合理性。简要回顾了中国冻土力学的创始和发展过程,阐述了冻土力学在强度与变形、本构模型研究、水热过程研究、冻土与结构物相互作用研究及冻土力学测试技术的发展等 5 个方面的成就,并根据冻土力学学科特点、工程建设对冻土力学发展的要求以及相关学科的发展趋势,展望了冻土力学未来的发展方向。     

双联动软岩渗流–应力耦合流变仪的研制

 为研究软岩的长期力学特性,研制双联动软岩渗流–应力耦合三轴流变仪。该仪器特别适用于软岩、硬土在不同应力条件下的流变特性。仪器采用先进的伺服控制、滚珠丝杠和液压等技术组合,能自动稳压、自动记录应力–位移曲线、温度历时曲线。设备除了能够实现普通三轴试验机的功能,由于其独特的设计形式,还可以同时对2个试样实现相同轴压、不同围压、相同水压的力学试验;可以进行围压控制、孔隙水压力控制,同时可以测量孔隙水压力等等。使用情况表明,该试验装置结构简单,稳定性好,精度高,是一套功能齐全、使用方便的试验装置。     

基于ANSYS系统的冻结凿井冻胀力数值分析

在总结冻结理论的基础上,结合冻土与未冻土的物理力学特性,利用ANSYS有限元软件对冻结施工过程的土体冻胀进行了数值分析,得到了冻胀位移场、应力场的发生、发展规律以及土体刚度与冻胀系数对其的影响规律。为今后进一步研究冻胀机理和作用以及工程设计提供了一定的理论依据。     

准饱和正冻土水热力耦合模型的扩展有限元程序研发

针对冻土冻融过程中存在移动相变界面及材料分区不断变化的特点,基于已建立的能全面地描述冻土的水、热、力与变形实际状态的准饱和冻土耦合模型,推导土颗粒、水和冰颗粒的温度场、变形场及水分场的扩展有限元解析格式,构建水热力相互作用在程序中实现的具体方法,开发一款能够为实际冻土工程服务的耦合分析平台3GEXFEM,利用程序对Fukuda系列试验进行数值模拟,分析得到的温度场、水分场与变形场与试验结果较一致,验证了程序的合理性和先进性。此外,基于程序系统地研究不同环境条件:上覆压力、温度梯度、变温模式、温变速率对冻土冻结过程中水热力耦合的影响,为模型及程序的工程应用奠定了基础。     

辽西地区风积土冻融特性与冻融过程结构性演变规律试验研究

 介绍新型冻融试验装置及其应用情况,并利用该试验装置对辽西地区典型风积试样在不同温度梯度、荷载和水分补给条件下进行冻融试验,从而揭示风积土冻胀与融沉规律。试验结果表明：随着温度梯度的增大,最大冻胀量和融沉值有不同程度的减小;无论在封闭系统还是在开敞系统中,外力的存在都对冻胀起到抑制作用,融沉值也会随着荷载的增大而减小;外界水分的补给会使最终冻胀量和融沉值都显著增加。风积土在冻融作用下产生冻胀融沉变形,宏观力学性质和微观结构也发生相应的变化,主要是由于土的结构性得以改变,也就是冻融作用破坏了土颗粒间的连接力,同时使土颗粒得以重新排列。将冰率作为结构性参数,针对不同水分场和应力场对辽西地区风积土冻融过程结构性演变规律进行研究。     

青藏输电工程回填细粒冻土性质和铁塔基础载荷试验研究

为分析青藏直流输电工程回填冻土地基和铁塔基础承载性能,在浅部冻土处于冻结和融化两种状态时,分别进行回填细粒冻土性质试验和在三向荷载共同作用下锥柱式扩展基础的载荷试验。基于土工试验结果分析了冻融过程中回填地基的工程性质,得到一个冻融周期后地表沉降量为0.23 m,与实际情况一致。通过对基础承载特性及荷载与位移双曲线关系模型的分析,得到了基于地基基础相互作用极限状态条件下基础的极限承载力。针对季节活动层融化和冻结状态,应用试验结果验证了上拔工况下铁塔扩展基础稳定性分析模型和方法,获得了冻结状态时细粒冻土的上拔角。试验研究表明：当浅部活动层处于冻结状态时,地基强度及基础承载性能优于融化状态;冻土融化可缩小细粒土的孔隙比、提高密实度,并增加含水率和饱和度;土体冻结与否对地基的抗剪、上拔角等力学指标有显著影响,因此,保持深部回填地基的冻结状态对基础安全承载至关重要。     

基于SEM和MIP的冻融循环对粉质黏土强度影响机制研究

冻融作用会影响土体的强度特性,以青藏铁路沿线粉质黏土为研究对象,对经历不同冻融次数的土样进行单轴抗压强度试验、扫描电子显微镜(SEM)试验和压汞(MIP)试验,通过数字图像处理技术对土样的微结构图像进行定量分析来揭示冻融循环对土体强度影响的微观机制。结果表明:随冻融循环次数的增加,土体的单轴抗压强度呈指数型降低趋势,并在冻融30次后逐渐趋于稳定;冻融作用中土体的面孔隙度、各类孔隙所占比例和孔隙分形维数都经历了波动调整期和动态稳定期2个阶段,其中面孔隙度的变化和单轴抗压强度之间呈负相关关系;冻融循环改变土体的孔隙分布,孔隙大小及孔隙密度都呈增大趋势;冻融作用过程中,土体产生贯穿的孔隙和裂隙使土颗粒骨架与颗粒特征发生改变,导致土骨架的结构性转移,受力体系发生改变,从而改变土体强度。SEM试验和MIP试验相互对比、补充,使土体微观孔隙结构研究更加准确有效。     

粗粒堆积土土水特征分析及预测方法研究

非饱和状态是影响土体力学性质的重要因素。针对粗粒堆积土土水特性研究的不足，首先介绍了一种大型非饱和粗粒堆积土三轴试验系统，在试验研究的基础上，总结了粗粒堆积土土水特征试验的方法和控制标准；然后，总结了不同细粒土含量下粗粒堆积土的SWCC变化规律；最后，在AP模型的基础上，系统分析了关键参数α的确定方法，给出了利用AP模型预测粗粒堆积土SWCC的优化方法。     

高原冻土地区典型冻土工程特性概述

对高原冻土地区典型冻土工程特性予以研究,从冻土各组分作用机制、冻土内的物质迁移特性、温度造成冻土的融沉与冻胀及冻土主要强度指标及其影响因素等方面进行论述,对测定冻土土动力学参数的常用温控动三轴仪系统及其操作方法予以介绍,以期为高原冻土地区的冻土研究及建筑物设计施工提供理论基础。