聚丙烯纤维土在冻融循环条件下的抗剪强度分析

为研究冻融循环作用对聚丙烯纤维土抗剪强度的影响规律,采用了全组试验的方法,考虑了3个不同因素(冻结温度、含水率、冻融循环次数)对聚丙烯纤维加筋土的抗剪强度影响,并通过数据分析建立了不同影响因素对聚丙烯纤维土抗剪强度指标的拟合关系式。试验结果表明,在冻融循环作用下含水率对纤维土抗剪强度影响显著性最大,含水率越高,黏聚力和内摩擦角越小;冻融循环中冻结温度越低,内摩擦角越大,黏聚力越低;冻融次数对内摩擦角影响不显著。通过数据拟合,得到一个良好的拟合公式。     

低温冻融条件下岩体温度–渗流–应力–损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用

 寒区隧道的围岩冻胀问题涉及到岩体温度场、渗流场、应力场以及冻融损伤相互作用的多场耦合问题。在THDM耦合机制分析基础上,基于连续介质力学、热力学、渗流力学、损伤力学以及分凝势理论,建立低温冻融条件下岩体THMD耦合模型。该模型不仅考虑体积应变对岩体温度场和渗流场的影响,温度梯度和渗透压力对岩体应力场的影响,还根据寒区工程实际,考虑冻胀压力和冻融循环对岩体劣化损伤的影响。数值仿真某寒区管道工程的冻胀过程,与现场的实测结果对比表明：该模型能很好地反映岩土体由于负温所产生的冻胀现象。在此基础上,分析极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力的变化规律,并对隧道在经历不同冻融循环次数后的变形和受力特征进行探讨。研究结果表明：极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩的最大冻胀力达到1.6 MPa,冻融循环对隧道衬砌受力影响较大。     

阿尔金山隧道洞口段气温与围岩冻融过程研究

季节冻土区隧道工程面临冻融不利影响,准确掌握隧道进深方向洞内气温分布与围岩体季节冻融过程对进出口保温段长度和保温材料厚度的合理设置至关重要。依托甘肃省阿尔金山公路隧道工程,开展了隧道进口段不同进深洞内气温的现场监测。在此基础上,基于考虑冰水相变的土体传热方程,利用数值模拟手段研究了不同保温层厚度条件下隧道洞口段不同进深围岩体季节冻融过程。结果表明,随进深不断增加,洞内气温年平均值逐渐增加,振幅逐渐减小,显著变化发生在洞口段300 m内。随保温层厚度增加,洞口段围岩体季节冻深呈指数函数形式减小。无保温措施条件下,距洞口5 m处季节冻深为2.51 m,相应冻结持续天数为138 d。铺设4 cm厚保温材料后,可有效保护洞口段围岩体不受季节冻融过程的显著影响。随进深增加,受洞内气温随进深增加而减小影响,围岩体冻结深度随保温层厚度的下降速率有所不同。     

冻融循环次数对软土力学性质影响规律研究

以季冻区软土为研究对象,对不同冻融循环次数下的软土进行不固结不排水三轴试验,研究冻融作用对软土力学特性的影响规律,通过试验得到如下结论:抗剪强度和黏聚力均随着冻融循环次数的增加表现为先增大后减小的趋势,内摩擦角受冻融循环影响微弱,无明显规律。     

冻融循环条件下饱和粉砂的剪切特性研究

为研究饱和粉砂在冻融循环作用下的剪切特性,基于直剪试验,对饱和重塑粉砂在经过不同次数冻融作用后的黏聚力、内摩擦角以及抗剪强度的变化开展研究。研究结果表明:随着冻融次数的增加,饱和粉砂黏聚力,内摩擦角及抗剪强度总体均呈现先波动,后平稳,总体下降的趋势;在现有研究的基础上改进,提出饱和粉砂土抗剪强度随冻融循环变化表达式;在实际工程中,当粉砂含水率不小于12%时,进行冻融性质检测循环次数应尽量不小于13次。     

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。     

冻融循环作用下原状过湿土的抗剪强度试验

为了研究季冻地区过湿土的抗剪强度特性,利用青冈过湿土路基段原状土进行抗剪强度试验,分析了不同含水量对过湿土的抗剪强度影响,重点研究了冻融循环作用下过湿土抗剪强度变化规律。试验结果表明:不同含水量的过湿土应力应变曲线均趋于硬化型,含水量越大,过湿土的抗剪强度越小,相应的内摩擦角和黏聚力也越小;同未冻融土相比,经冻融循环的过湿土黏聚力显著增加,内摩擦角减小;相同含水量的过湿土经冻融循环的次数越多,融化后土的抗剪强度越大,而且随着冻融次数的增多,黏聚力开始下降,内摩擦角显著增大。     

冻融循环对黄土路基填料抗剪强度影响的实验研究

以山西某工程为例,对其所用黄土进行了冻融循环、直剪等试验,分析冻融作用对压实黄土抗剪强度等性质的影响。试验表明:在不同固结压力下的黄土经过冻融循环作用,抗剪强度都降低,其中黏聚力减小,内摩擦角略有减小,且含水率越大冻融循环作用的影响越明显。在湿陷性黄土和非湿陷性黄土含水率都为最佳含水率时,压实的湿陷性黄土对冻融循环的敏感性大于非湿陷性黄土,故在黄土地区应尽可能不用压实后的湿陷性黄土做路基填料。     

冻融循环下压实度对粉质黏土力学性质影响的试验研究

 冻融循环是冻土地区路基填料性能劣化的主要因素之一。以压实度和冻融循环次数为主要变量,对青藏高原粉质黏土力学性质的变化规律进行三轴试验研究。试验结果表明：初始压实度对粉质黏土力学性质的冻融效应具有显著影响。不同压实度试样的应力–应变曲线形式随冻融次数的增加趋于接近,并由应变软化型向硬化型过渡。封闭系统中试样的水分迁移会引起含水率的增减分区分布,低压实度有利于增大水分迁移量和含水率增高区的分布范围。冻融过程对高压实试样的破坏强度以降低为主,对低压实度试样则相反。在最优含水率附近,土体抗剪强度随含水率呈非线性变化规律,因此试样内部水分重分布也可能会导致强度的改变,且其作用效果受压实度影响具有不确定性,压实度较高时会导致试样黏聚力减小,压实度较低时则相反;不同压实度下内摩擦角均呈现增大的趋势,且压实度越低,变化幅度越大。冻融过程中,土体干密度和含水率变化对力学性质的影响是同时存在的,由于初始压实度和冻融次数的不同,对强度变化起主导作用的因素也不同。水分重分布是不同压实度土体力学性质冻融循环效应的整体趋势和具体过程呈现多样化的原因之一。     

冻融循环导致洛川黄土边坡剥落病害产生机制的试验研究

 冻融循环作用导致洛川黄土边坡剥落病害的发生。作为对比,在洛川剥落边坡及铜川未剥落边坡分别采样,模拟自然坡面冻融过程,在开放不补水条件下,开展冻融循环试验,测定在冻融循环作用下土样表面的变化特征及土样高度、干密度、含水率、黏聚力及内摩擦角的变化情况。试验结果表明：洛川土样在初始几次冻融过程中,土样体积稍有增大,含水率变化较大,冻结过程中冰晶冻胀力破坏土体结构,融化时结构不可恢复,反复冻融导致土体强度弱化。冻融循环10次左右后,土体物理力学状态趋于稳定。融化时,在水的软化作用和冰的促化效应下,沿着水冰交界面易产生剥落病害;铜川土样在冻结过程中,在冻结缘处产生负孔隙水压力,土体密度增大,体积减小,强度增大;融化时,有效应力减小,总应力不变,融沉量大于冻胀量,土体黏聚力略有增强,不易产生剥落。     

原状黄土冻融过程抗剪强度劣化机理试验分析

通过对西安Q_3原状黄土在封闭系统冻融作用下的电镜扫描和直剪试验,研究了冻融作用对原状黄土微观结构和强度的影响。试验表明:冻融过程中原状黄土微观结构发生显著变化,大颗粒集粒数量明显减少,小粒径土颗粒所占比重增加,孔隙面积比增加。进一步基于损伤力学理论,得到微观结构冻融损伤度随冻融次数增加呈指数增加趋势,反映出冻融作用一定程度上破坏黄土体的结构强度,但多次冻融后黄土体结构强度趋于稳定的残余强度。冻融过程土样表面结构发生破坏,且含水率越高,土体表面特征破坏越严重。粘聚力随冻融次数增加呈指数衰减趋势,且含水率越高,粘聚力衰减幅值和速率越小;粘聚力随含水率增加表现出线性衰减特征,且冻融后粘聚力与含水率的变化规律近似重合;内摩擦角无明显规律性变化。粘聚强度冻融损伤系数随冻融次数增加呈指数增加趋势,随含水率升高有增大趋势。基于试验数据规律性,进一步提出了原状黄土粘聚强度劣化模型,该模型经试验验证可较好描述原状黄土粘聚强度劣化规律。     

冻融作用下黄土隧道洞口段应力问题研究

通过应用ABAQUS数值模拟方法,分析了冻融作用下黄土隧道洞口段水平应力和竖直应力的变化情况,研究得出:在历经冻融循环作用后,黄土隧道洞口段最大水平拉应力和最大水平压应力均逐渐减小。随着冻融次数的增加,隧道拱顶水平压应力、底面中部水平压应力、最大水平拉应力及最大水平压应力均逐渐减小,而拱顶竖直压应力与最大竖直压应力也逐渐减小。可知,冻融作用对黄土隧道拱顶处的竖向承载能力产生了一定的削弱作用。     

原状与重塑黄土冻融劣化机理对比试验研究

通过对西安Q₃原状和重塑黄土在冻融作用下的电镜扫描和直剪试验,对比研究了原状和重塑黄土冻融过程抗剪强度劣化机理及规律。结果显示:冻融过程原状和重塑黄土微观结构都发生显著变化,土体胶结性变差。冻融条件下试样表观结构特征破坏较为严重,且原状黄土表观结构劣化程度更为严重。黏聚力随冻融次数增加均呈指数衰减趋势;原状黄土黏聚力高于重塑黄土,但随冻融次数增加,两者差异逐渐减小;原状黄土黏聚力衰减幅值及速率高于重塑黄土。随含水量增加,黏聚力总体呈线性减小变化规律,且反复冻融后黏聚力随含水量变化曲线分布特征近似重叠。冻融作用对内摩擦角无显著影响。随冻融次数增加,黏聚力冻融损伤系数表现出呈指数增加特征;原状黄土黏聚力冻融损伤系数高于重塑黄土。     

季冻区典型土类抗剪强度冻融修正系数研究

目前冻融循环下土抗剪强度变化规律尚无统一认识,工程上也缺少计算依据。选取季冻区3种代表性土类,黏土、粉质黏土和粉土质砂,采用新的制样标准,通过三轴试验,发现冻融循环下土抗剪强度指标变化模式和规律,定义了冻融循环修正系数,以未经冻融循环的抗剪强度指标为基准,并给出冻融循环下典型土类抗剪强度计算公式。结果表明:冻融循环试验中试样制备不能采用常规土样制备标准,否则试样密度离散性被放大,导致试验结果很容易出现离散而没有规律性;冻融循环下黏土、粉质黏土、粉土质砂黏聚力呈指数下降,而内摩擦角随着冻融循环次数的增加呈指数增加,但具体表现不同。冻融循环下粉土质砂黏聚力降低约20%,内摩擦角增加约10%,受冻融影响较少,冻融稳定性较好;粉质黏土黏聚力降低约55%,内摩擦角增加约20%,冻融稳定性次之;黏土黏聚力降低约70%,内摩擦角增加约40%,受冻融影响最大,冻融稳定性最差。     

昔格达地层隧道变形特性曲线及变形机理研究

昔格达地层隧道围岩开挖后易风化,遇水即泥化等性质严重影响成昆线复线的快速安全施工,因此展开对昔格达地层隧道围岩变形特性曲线及其变形机理等研究具有一定的现实意义。文中通过现场调查,物理力学试验,现场监测,数值模拟和理论研究等手段对昔格达地层隧道变形特性进行深入研究。研究结果表明：昔格达地层隧道主要发生拱顶大变形、水平收敛大和仰拱突泥隆起等,围岩呈现中厚层状、互层状和薄层状等水平层理发育;含水率对昔格达地层隧道围岩的力学性质影响很大;黄色砂岩夹页岩围岩试样压缩模量最小;含水率对灰色页岩夹砂岩围岩试样的黏聚力影响最大,对浅灰色页岩夹砂岩围岩的内摩擦角影响最大;拟合现场监测和数值模拟下的变形特性曲线,得到昔格达地层隧道开挖围岩变形全过程曲线：开挖初期缓慢变形,开挖中期急剧变形,开挖中后期变形减缓和开挖末期变形稳定;同时推导出在弹性、塑性和松动区状态下的昔格达地层围岩变形公式,得到弹塑性昔格达地层围岩变形特性曲线以及四个阶段昔格达地层隧道各部位变形松动区轮廓。最后从力学变形本构模型、物理和化学等角度对昔格达地层隧道围岩变形的力学机理进行分析。     

新型铁路隧道门洞口段结构受力特征现场试验研究

现有的铁路隧道洞门的设计只是经验性地照搬标准图的模式,而对新型隧道门的研究是必要的。一种新型隧道门在满足它的美学效果、环境保护等功能外,更重要的是应保证隧道洞口结构受力后的安全性。对采用新型隧道门的洞口段围岩压力和衬砌内力进行现场测试,并将单线斜切式隧道门洞口段的现场试验结果与模型试验和有限元数值计算结果进行比较,探讨了洞口段围岩压力分布和衬砌结构受力特征。研究结果表明:斜切式隧道门洞口段围岩压力和衬砌内力从洞口向洞内逐渐增大,其大小随覆盖层厚度增大而增大,围岩压力在仰拱处最大;衬砌结构处于复杂的三维受力状态,既有横向轴力、弯矩,又有纵向轴力、弯矩,其受力特征类似于壳体结构,因此,按壳体结构设计比较合理。     

厚层堆积体隧道洞口施工力学特性研究

结合飞仙关隧道洞口段覆有厚层松散堆积体的工程实际,运用FLAC~(3D)软件建立有限元数值模型,模拟在不同厚度堆积体下施工对围岩变形和力学特性的稳定性影响。通过对堆积体厚度分别为35、40、45 m~3种工况下初期支护轴力、围岩应力和隧道关键点位移对比分析,得出堆积体厚度对洞口施工力学特性有很大影响,3种工况中厚度为40 m时,隧道开挖对围岩的扰动性最小。     

冻融循环条件下GCL防渗垫与宽级配砾质土接触面抗剪强度试验研究

季节性冻土区垃圾填埋场封场复合防渗系统会受到冻融环境的影响。在冻融循环条件下,作为复合防渗系统保护层的宽级配砾石土与GCL(土工合成材料膨润土垫)接触面的抗剪强度性状至关重要。文中采用直剪仪测定了经室内不同冻融循环作用的复合防渗系统的防渗垫GCL与宽级配砾石土(保护层)之间的抗剪强度,分析了二者接触面抗剪强度与冻融循环次数的关系及其变化规律。试验结果表明,宽级配砾质土与GCL接触面的抗剪强度随冻融循环次数的增加而减小;相同冻融温度条件下,GCL质量含水率对接触面的抗剪强度的影响比较显著,接触面的抗剪强度随GCL质量含水率的增大而减小;随着冻融循环次数增加,接触面的粘聚力逐渐下降,内摩擦角有减小趋势,但降幅较小;宽级配砾质土与GCL接触面强度大于粘土与GCL接触面强度。     

水平地震作用下浅埋隧道围岩压力的计算方法研究

以现行规范中浅埋隧道围岩压力计算的力学模型为基础,引入水平条分原理和水平地震系数,建立一套地震工况下浅埋隧道围岩压力计算方法。与规范方法及杨小礼方法相比,将静力工况与地震工况结合到统一力学模型中,且将岩土体的两个强度参数作为独立因素考虑,且能考虑岩土体分层的实际情形。通过简单算例的对比分析,认为将黏聚力和内摩擦角作为独立因素考虑,能更为准确地计算隧道围岩压力;通过多层算例的对比分析,认为隧道自身所穿越地层的围岩条件,对其围岩压力分布特性起主要作用;进一步利用方法,探讨岩土体强度参数和水平地震系数,对破裂角和竖向围岩压力的影响。研究成果可为浅埋隧道的抗震计算或设计提供更为准确可靠的理论依据或技术参考。     

垫层料冻融循环强度特性试验研究

面板坝垫层料的冻融循环会影响垫层材料的强度变化,影响坝体的正常使用。为探索寒区面板坝垫层料的冻融规律,采用改进的单向固结装置,针对不同冻融次数、相对密度、初始含水率的垫层料进行了冻融循环试验。结果表明:摩擦角随冻融次数的增大而逐渐增大并趋于稳定,粘聚力随冻融次数增加没明显变化;摩擦角随初始含水率的增大而逐渐减小,随相对密度的增大逐渐增大;定义了摩擦因素系数,拟合了摩擦因素系数和摩擦角之间的关系曲线。