冻融循环对冻土-混凝土界面冻结强度影响的试验研究

为研究冻融循环作用对冻土-混凝土界面冻结强度的影响,对不同冻融循环次数、法向应力、试验温度及土体初始含水率条件下的冻结界面进行了系列直剪试验,研究经历冻融循环后界面峰值剪切强度、残余剪切强度及强度参数的变化规律。试验结果表明:冻融循环对界面剪切应力与水平位移曲线形态影响很小,经历20次循环后曲线仍是应变软化型。冻融循环对峰值剪切应力的影响强于对残余剪切应力的影响,表明其对界面胶结冰含量产生影响。当土体初始含水率较低且温度较高时,冻融循环使界面峰值剪切强度增加,但变化量较小。然而在含水率较高(20.8%)及试验温度较低时(-5℃),峰值剪切强度随着冻融循环增加而降低。因此在土体含水率较高且冻结温度较低时,对于发生小变形的冻结界面需要重视冻融循环对峰值剪切应力的影响。不同初始含水率、试验温度下冻融循环对残余剪切强度的影响较小且变化规律不明显。在试验温度为-1℃,-3℃,-5℃时,峰值黏聚力随冻融循环增加分别表现为增加、波动和下降,推测是由于界面胶结冰含量不同而引起。峰值摩擦角和残余摩擦角随冻融循环次数增加略有变化。     

石油污染土体导热系数变化规律和变化机制

室内测试了不同含水量、污染强度、油水相含量的石油污染土体的导热系数。研究结果表明:干密度和污染强度一定时,其导热系数随含水量的增加而增大;干密度和含水量一定时,随污染强度的增加呈现先减小后增加最后又减小的变化趋势;温度对其导热系数的影响主要取决于各温度区间土体水相的赋存状态。内在的变化机制是:土体内部油、水的赋存位置、相状态、含量以及土体自身的导热性能共同决定了其导热系数的大小。研究成果为定量研究、评价和预测石油污染物扩散、迁移等环境问题以及石油污染土体传热、传质和热稳定性问题研究提供了重要参数;为冻土区环境恶化、冻土退化、冻害形成过程等机理性解释提供依据。     

热管及保温材料在青藏直流联网工程中的应用研究

针对青藏直流联网工程塔基热管措施应用效果,通过现场实测资料确定了热管年内工作周期及混凝土桩基表面热效应,考虑无绝热段热管传热过程组成,建立空气-热管-土体耦合传热数学模型,利用有限元方法系统模拟不同年平均地温分区锥柱式塔基传热过程及气候变暖背景下基础周围多年冻土热状况发展变化趋势。结果表明：冷季热管工作期间,其对周围土体冷却降温效果显著,同时由于混凝土塔基为热的良导体,热管产生的“冷量”通过基础及其底座快速向基础周围传递,使得基础下形成大范围低温冻土。暖季,热管停止工作期间,由于基础埋设较浅,混凝土塔基良好的导热性能使得其周围浅层土体温度升温较快,量值基本与天然地表下同一深度接近,而基础下部深层地温则主要受热管作用控制,温度较低。在单一塔腿4根热管及50 a气温升高2.6℃背景下,-1.0℃、-1.5℃两种年平均地温条件下,桩基础下部多年冻土仍保持冻结状态,满足工程对于冻土地基热状况的要求。-0.5℃年平均地温条件下,运营后期桩基础周围土体季节融化深度已大于桩基埋深。在该地温条件下,通过热管-保温板复合措施的采用,可有效发挥热管的“冷却降温”及保温板的“隔热保冷”效能,在大幅减小基础周围土体的最大季节融化深度的同时降低锥柱式基础底部深层地温,进而满足工程需求。     

冻土空心圆柱仪的研发与应用

为研究复杂应力路径条件下冻土的力学特性,中国科学院冻土工程国家重点实验室与美国GCTS公司合作研发了新型冻土力学试验设备——冻土空心圆柱仪(FHCA-300),该设备通过独立施加内围压、外围压、轴向荷载和扭矩来改变3个主应力的大小和方向,从而更为真实地模拟冻土在地震荷载、交通荷载等多向应力和主应力轴旋转等复杂应力路径下的应力-应变行为.详细介绍了该仪器各部分的组成、传感器和动荷载频率的选取过程以及目前可实现的具体试验类型.此外,着重介绍了冻土空心圆柱仪温度控制系统的设计原理,并且对其控温能力进行了验证,结果证明该系统可以达到预期的降温能力和控温要求.最后利用冻土空心圆柱仪进行了主应力轴静态旋转和循环旋转测试试验,验证了仪器实现包括主应力轴旋转在内的复杂应力路径的能力,初步试验结果表明该设备能够准确再现冻土在复杂应力路径条件下的力学行为和变形行为,可为系统开展冻土在复杂应力条件下的强度、变形特性和本构关系等研究提供技术手段.     

局部超低温制冷治理多年冻土路基融沉的数值模拟研究

青藏铁路路基在全球升温和人为施工热扰动等不利因素的影响下会出现融沉现象,针对多年冻土地区升温引发的路基融沉问题,提出了采用超低温短时制冷进行工程抢险和维护冻土路基稳定的方法。主要分析短时超低温制冷方法在不同的布管位置(路基和坡脚地层)、布管角度(水平管和倾斜管)、管长度(5 m、7 m)和制冷时间等因素影响下路基温度场、冻土上限和融化盘的变化。研究表明:超低温制冷方法是一种高效治理融沉灾害的抢险施工工法;管长越长冻土交圈时间越短,因为超低温的制冷效率高,可以在短时间内使路基处于负温状态,显著提高承载力;路基水平管的冻结效果好,坡脚处的冻结效果差;冻土上限可以在短时间内最高提升5 m,融化盘面积大大减少甚至可以被消除;路基内最高温度可以降低2℃,路基的最大融化深度可以降低4 m。综上所述,只要施工采取适宜的布管方式就可以在短时间内使整个路基处于负温状态,同时提高路基的承载力,达到很好的工程抢险效果。研究成果对治理多年冻土地区路基病害具有参考价值。     

两种重塑土样的结构性差异试验分析

结构性是土体的固有属性,对土体的物理力学和工程性质有强烈影响。天然黏土普遍具有结构性,重塑土样因为制样方法不同也具有不同程度的结构性。在结构性的试验研究中常常需要使用具有一定结构性的重塑土样。为了探讨制样方法对重塑土样结构性的影响,在实验室内制备了2种尺寸形状、土壤材料、干密度和含水率均相同,但饱和方法不同的重塑土样,并通过单轴压缩和加卸载试验分析和比较了2种土样在均匀性和结构性方面的差异。试验发现:未经真空抽气饱和的土样,其单轴压缩平行试验的重复性较好,土样的压缩曲线具有较明显的结构性特征;真空抽气饱和会对土样产生一定限度的随机扰动,使土样的均匀性变差、结构性变弱。     

一个考虑冻融循环作用的结构性定量参数的试验研究

土的结构性可以从本质上揭示土体的工程性质和行为本质。冻融循环对土体结构性有着非常重要的影响。在结构性定量参数"综合结构势"的基础上,增加考虑了冻融循环对土结构性的影响,提出了一个考虑冻融循环对土结构性的影响作用的结构性定量参数(简称冻融结构势)。并通过单轴压缩试验和单轴循环加卸载试验分别获得原状土、浸水饱和土及不同冻融循环次数下土样的单轴强度、失效应变、回弹模量和能量耗散,对用不同参数表示的冻融结构势进行了对比和分析。并利用CT扫描试验获得了不同冻融循环次数下土样中间截面的CT数均值,对冻融结构势进行了验证。认为不同参数表示的冻融结构势反映了土体结构性的不同方面,而用强度和能量耗散表示的冻融结构势能够较好地反映土结构性随冻融循环次数的变化情况,并提出在不同参数表示的冻融结构势之间的关系可能跟土质、加载方式等因素有关,明确了下一步的研究方向。     

季冻区矿山排土场粗粒土冻融界面剪切性能研究

随着我国西部矿产资源的大力开发,季节冻融作用对于高寒高海拔地区矿山排土场的稳定性影响问题日益突出。以西藏某高海拔多金属矿山排土场为研究对象,利用可控温大型直剪仪开展了排土场粗粒土在全融状态下和冻融交界面的剪切试验,并考察砾粒组含量对两种状态下粗粒土剪切强度的影响。结果表明:对于全融粗粒土,其剪切应力—剪切位移曲线呈现应变硬化特征,而冻融交界面剪切应力—剪切位移曲线呈现应变软化特征。同一砾粒组含量条件下,相对于融土,冻融交界面抗剪强度约是其2倍,主要原因体现在两方面:一是冻融界面处冰的胶结作用增加了土体的粘聚强度,试验条件下这一贡献量值约在50～60 kPa;二是冻融界面处水分的润滑作用有所减弱导致滑动摩擦增加,且粗颗粒表面的冰包裹作用增强了颗粒之间脱离咬合的咬合摩擦,因此其内摩擦强度同样大于融土。随砾粒组含量增加,融土、冻融界面黏聚力显著减小,而内摩擦角显著增加,但相较于融土,冻融界面处黏聚力减小幅度较小而内摩擦角增加幅度较大。     

不同冻土条件下渠道地基热状况模拟研究

多年冻土区水利工程的建设和运营会对下伏多年冻土产生显著热影响，且不同冻土条件下影响程度明显不同。以高海拔多年冻土区某渠道工程为背景，在考虑冻融土体内水分迁移、冰水相变及土体未冻水含量与温度非线性关系基础上，构建了冻融土体水-热耦合数学模型。利用该模型，开展了气候变暖背景下，渠道多年冻土地基热状况长期演化规律模拟预测，并考虑多年冻土年平均地温（T_MAGT）和体积含冰量（i_v）的影响。结果表明，当多年冻土含冰量为少冰（i_v≤10%）时，渠道垂向和横向热侵蚀显著，运营50年后渠道下部和岸坡下30 m范围已无多年冻土。当T _MAGT为?0.5 ℃时，自岸坡向外约10 m范围内下部多年冻土已退化，而当T _MAGT为?1.0和?1.5 ℃时，岸坡下部仍有多年冻土分布。随着含冰量的增加，多年冻土热惰性显著增加。当多年冻土含冰量由少冰（i_v≤10%）增加至多冰（10%v≤20%）、富冰（20%v≤30%）时，即使在T _MAGT为?0.5 ℃时，运营50年后渠道下部仍有多年冻土存在，但是自渠道中心形成了一个“锅底状”的融化盘。在过水和气候变暖因素作用下，渠底和坡脚多年冻土表现为自上而下的退化模式，而岸坡和天然场地多年冻土退化表现为活动层的缓慢下移和上限附近多年冻土的缓慢升温。     

冻融对压实黄土工程地质特性影响的试验研究

季节冻土区黄土路基经常遭受强烈的冻融循环作用,使得路基土体的水分重新分布、密度发生变化,严重的会导致路基发生较大变形而破坏,造成一定的经济损失和安全隐患。通过补水条件下的压实黄土冻融循环试验,研究冻融循环作用对压实黄土的水分分布、变形和干密度等工程地质特性的影响。试验结果表明:反复的冻融循环作用使得土样含水率增加,从底板到顶板土样含水率逐渐递增,且含水率增加幅度随冻融次数的增加而增加;土样在冻融循环初期冻胀变形大于融沉变形,总体变形显著增加,经过一定冻融循环次数后土样总体变形趋于稳定,冻融循环后期土样出现较小的沉降变形;冻融循环使得土样的干密度逐渐减小,冻融循环次数越多,其干密度减小幅度越大。研究成果对压实黄土路基病害形成机理及防治措施研究具有重要的科学意义。