低温饱和岩石未冻水含量与冻胀变形模型研究

 寒区岩石在季节性温度变化下会经历冻胀融缩过程,研究低温岩石中未冻水含量以及冻胀变形规律是进行寒区工程数值仿真和稳定性分析的关键问题。岩石是不同于土体的脆性多孔介质材料,孔隙中的未冻水含量还无法通过实验直接测量;基于累计孔隙体积分布规律,考虑孔隙水的冻结点变化和未冻水膜的影响建立低温岩石未冻水含量理论表达式,实例证明该计算式具有较高的可靠度。假定岩石为弹性孔隙介质,基于孔隙冰与岩石孔隙间的膨胀耦合关系可计算冰压力;利用应变等价原理将孔隙中的冰压力等效为岩石表面的三向拉应力,从而根据弹性理论建立了有效冻胀力下低温饱和岩石冻胀变形模型。结果表明饱和岩石低温冻胀变形与岩石基质的力学参数、岩石孔隙率以及未冻水含量等因素有关。最后通过与2个已有的室内冻胀变形实验对比,说明本文冻胀变形模型的正确性以及实用性。     

基于冻土正交各向异性冻胀变形的隧道冻结期地层位移数值分析

 针对隧道水平冻结法施工的特点,综合考虑地层温度、地表对流等各类初始和边界条件及土体的相变潜热过程,建立隧道水平冻结温度场的数学模型。定义土体的冻胀率为瞬时体应变,考虑冻土的正交各向异性冻胀变形特征,即冻胀变形主要发生在沿热流方向(温度梯度方向),引入变形特征系数的概念,从而导出土体温度降至冻结温度后而产生的瞬时热应变分量(冻胀应变分量),并建立地层冻胀的弹塑性热力耦合数学模型。基于ABAQUS有限元软件的二次开发技术,编制冻土正交各向异性冻胀变形的用户子程序,从而提出隧道水平冻结期地层位移的热力耦合数值分析方法。将该方法应用于某浅埋大断面地铁隧道水平冻结工程中,获得地层冻结温度场和冻胀位移场的分布规律,并与现场实测结果相比较,验证数值分析方法的可靠性,同时表明地层位移分析中考虑冻土正交各向异性冻胀变形特征的必要性。     

土体冻胀敏感性评价

 假定冻胀是由冻土内冰透镜体的生长引起的;冰透镜体的生长由热力学Clapeyron方程控制,并且依赖于已冻结区与未冻结区之间冻结缘是否存在。未冻水和冰共存于冻结缘的孔隙中;冰水交界面处的吸力使水产生流动,并为冰透镜体的生长补给水分。同时,通过定义1个新的简单的“有效应力”的概念,来判断是否会萌生新的冰透镜体,并提出1个简单的冻胀模型。该模型仅通过几个简单的土的参数,就可以计算土体冻胀量及冻结深度。在此基础上,利用所建立的模型对不同土的冻胀敏感性进行分析。土的冻胀敏感性必须结合环境条件来评估,如上覆压力、温度梯度、降温速率及地下水位埋深等;而某些土在传统的分类中属于弱冻胀土,但在一定环境条件下,仍会产生显著的冻胀量或冻胀压力。     

Frost heave and freezing processes of saturated rock with an open crack under different freezing conditions

Frost heave experiments on saturated sandstone and tuff with an open crack are conducted under uniform and unidirectional freezing conditions. Frost heave of crack in sandstone with high permeability is more significant under uniform freezing condition than that under unidirectional freezing condition. However, frost heave of crack in tuff with low permeability is more significant under unidirectional freezing condition. To illustrate the reasons for this phenomenon, a numerical model on the freezing processes of saturated rock with an open crack considering the latent heat of pore water and water in crack is proposed and confirmed to be reliable. Numerical results show that a frozen shell that blocks the migration of water in crack to rock develops first in the outer part of the rock before the freezing of water in crack under uniform freezing condition. However, the migration path of water in crack to the unfrozen rock under freezing front exists under unidirectional freezing condition. The freezing process and permeability of rock together determine the migration of water in crack and lead to the different frost heave modes of crack for various permeable rocks under different freezing conditions. The frost heave modes of crack in rock with low or high permeability are similar under uniform freezing condition because water migration is blocked by a frozen shell and is irrelevant to rock permeability. For high permeability rock, the frost heave of crack will be weakened due to water migration under unidirectional freezing condition; however, the frost heave of crack would be more significant for low permeability rock because water migration is blocked under unidirectional freezing condition. Therefore, the freezing condition and rock permeability determine the frost heave of rock with crack together, and this should be concerned in cold regions engineering applications.     

单向冻结时开放条件下饱和砂岩冻胀试验及THM耦合冻胀模型

为研究寒区岩石在梯度温度场中补水条件下的冻胀变形规律,进行了单向冻结时开放条件下饱和砂岩冻胀试验。试验结果表明,单向冻结时开放条件下饱和岩石冻胀过程中,沿冻结方向的冻胀位移变化过程可分为冷缩阶段、原位冻胀阶段、分凝冻胀阶段3个阶段。分凝冻胀阶段冻结锋面趋于稳定,冻胀变形持续增长,与时间基本呈线性关系。此外,分凝冻胀阶段补水量换算的迁移水分凝冻胀位移与冻结方向冻胀位移比较接近。随着平均温度梯度增大,分凝冻胀变形速率增大,且分凝冰位置与平均温度梯度线性相关。然后,建立了考虑孔隙水原位冻胀与迁移水分凝冻胀的THM耦合冻胀模型。模型中,孔隙水原位冻胀计算基于未冻水含量,并引入约束系数表征岩石骨架对孔隙水冻胀约束程度;迁移水分凝冻胀计算基于分凝势理论,水分迁移速率与冻结缘处的温度梯度成正比。模型计算结果与试验结果对比表明,建立的THM耦合冻胀模型能够比较准确地计算单向冻结时开放条件下饱和岩石冻胀位移,并能够模拟出分凝冻胀时分凝冰层引起的位移突变及分凝冰位置,可用于寒区冻胀敏感性岩石开放条件下冻胀变形计算。     

冻土冻胀及其对管道的作用分析

在冻土区敷设长输管道需要考虑冻土冻胀对管道的作用,以防止管道出现过大的应力或应变而危及管道的安全运行。针对冻土冻胀作用对管道的影响提出了分析计算方法,包括冻土冻胀量计算、管道周围温度场计算模型、管道与土壤的相互作用模型以及基于应变的管道失效判据。其中,冻土冻胀量的计算主要基于冻土分凝势和蠕变,温度场模型根据考虑地面环境温度变化和管输介质的温度,管道与土壤的相互作用模型计算差异冻胀情况下管道的应力与应变。计算分析了在温度降低过程中土壤的冻结深度和冻胀位移,以及管道在冻胀作用下的变形,结果表明,冻土差异性冻胀引起管道弯曲变形,其最不安全位置发生在两种土壤的交界处附近。     

单向冻结过程中NaCl盐渍土水盐运移及变形机理研究

冻结过程中的水盐迁移机理一直是冻土学研究的热点。通过单向冻结试验,研究了冻结过程中的水盐运移过程及土体变形。研究表明,在土体初始含盐量为0.8%的条件下,土体的冻胀变形显著减小,盐分的存在强烈影响着冻结缘处水分的集聚,盐对土体的冻胀具有抑制作用。在补给不同浓度NaCl溶液的条件下,土体初期的冻胀变形规律一致,随着盐分在冻结锋面处的累积,土体在后续冻结过程中水分迁移动力不足,从而使得土体冻胀过程中冻胀明显减小。基于溶液的性质并考虑盐分对土体冻结温度和未冻水含量的影响,建立了冻结过程中NaCl盐渍土水盐迁移规律及变形的计算模型,计算结果显示,计算模型能够很好地反映含盐土体在冻结过程中的温度、水分、盐分及变形的规律,从而为深入了解盐渍土在冻结过程中的变形机理提供理论参考。     

隧道冻结法施工引起地表冻胀预测模型的参数敏感性分析

隧道水平冻结施工过程中,土层冻结体积膨胀,引起地面上升和变形,过量的变形会对周围地表建筑物产生危害。本文结合工程实例,验证了冻结壁交圈后隧道水平冻结施工引起地表冻胀位移的历时预测模型的可靠性。通过参数敏感性分析得到了反映冻结温度场发展速度的常数A对地表冻胀位移的敏感性最强,而冻结管布圈半径Rd对地表冻胀位移的敏感性最弱,土体冻胀率的变化率可近似反映地表垂直冻胀位移的变化率。本文的研究成果可为今后水平冻结法的设计和施工提供参考依据。     

近接隧道冻结对运营车站冻胀变形控制研究

为了研究不同冻胀控制方法下土体冻胀的发展规律,以上海某近接穿越既有车站的隧道冻结加固工程为原型,根据相似准则建立了冻土与车站结构相互作用的模型试验台,对隧道水平冻结过程进行模拟研究,探究调整冻结盐水温度以及泄压等方法下隧道冻结冻胀变化规律。研究结果表明,将冻结盐水温度从-28℃提升至-18℃后,隧道的积极冻结时间增长91%,但车站底板冻胀力减小了16.7%;三角区泄压后车站底板冻胀力减小了26.3%。根据相似模拟试验得到的不同冻胀控制措施下车站结构的冻胀变化规律,提出在施工工程中采取三角区泄压及调整冻结参数等措施来控制冻胀对车站结构的影响。同时根据工程施工监测数据,对不同冻胀控制措施的应用效果展开了研究,研究结果表明,三角区泄压孔泄压后10d内车站底板位移量减少了65.5%;冻结盐水温度为-28℃、-20℃、-10℃时车站底板竖向位移增长速率分别为0.35mm/d、0.14mm/d和0.01mm/d,随着冻结盐水温度的提高,车站结构竖向变形速率明显减缓,调整冻结盐水温度对冻胀控制效果十分显著。     

冻土毛细-薄膜水迁移统一模型及其试验验证

针对毛细水迁移机制难以解释冻结缘及不连续分凝冰的形成,薄膜水迁移机制难以解释孔、裂隙间水迁移造成的不均匀冻胀,在毛细理论和冻结缘理论的基础上,通过对冻结缘区增加一组不同孔径的毛细管,对所有毛细管壁增加一层未冻水膜,构建出冻土的毛细-薄膜水分迁移统一模型。该模型从液压驱动角度分析了冻结大孔和未冻小孔中的液压、冰压以及驱动力分布,统一了冰透镜体暖端的液压驱动力与表面吸附力,并结合分凝冰形成机制,推导出分凝-冻结温度的控制方程。再根据表面吸附力、冻结缘渗透系数随分凝 冻结温度的变化律,在达西定律的基础上,给出了水分迁移速度的显式方程。最后,将Konrad冻胀试验中的主要参数代入该显式方程,发现理论计算值与试验值高度一致,验证了该模型的正确性。     

高速列车与路基冻胀相互作用机理

针对高速铁路路基中低含水率、远离地下水的级配碎石等冻胀不敏感性粗颗粒土,却普遍发生冻胀的特殊现象,提出了一个简洁的#x0201c;循环动载诱发冻胀#x0201d;模型,认为高速列车循环荷载会导致地下水位以下饱和地基土中超静孔隙水压力的发展,进而将地下水#x0201c;泵送#x0201d;至冻结线以上,从而为土中独立冰层的形成,及冻胀的发生持续地提供#x0201c;原材料#x0201d;。模拟结果表明,本模型能够很好的揭示上述特殊工程现象发生的原因；同时,新模型对循环荷载诱发冻胀机理的阐述,也为季节性冻土区高速铁路路基冻胀防治研究提供了一种新的思路。     

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。     

人工冻结冻胀速率试验研究(英文)

研究了不同实验条件下原状和扰动粉黏土人工冻胀速率的发展特点,并对试验结果进行了对比分析。同时还分析、总结了各种试验因素对人工冻胀速率的影响。针对粉黏土冻胀速率的研究,共进行了12组人工冻结试验,试验中所采用的各种影响因素如下:两种人工冻结冷端温度模式--正弦变化冻结温度和恒定冻结温度,三个不同人工冻结方向--竖向冻结、侧向冻结以及复合冻结(竖向-侧向冻结),不同含水率--23.5%、28%和32%,不同水分补给条件--开放体系和封闭体系。试验结果表明:季节冻土层的存在将减少或是抑制由人工冻结所引起的二次冻胀的发展。研究结果将为人工冻结实际工程,特别是在季节冻土区的人工冻结工程提供重要的理论指导。     

交叠车站下穿段MJS+水平冻结冻胀位移场研究

交叠车站下穿段隧道进行开挖前首先要进行加固处理,以南京新建地铁7号线下穿既有10号线中胜站工程项目为背景,为控制施工引起既有运营车站的变形,采用MJS+水平冻结法联合加固方案。为掌握MJS+水平冻结联合加固的冻胀变形、冻胀位移场发展规律及其影响因素,进行冻胀位移场数值模拟。研究结果表明：在积极冻结过程中,“山”字形水泥土加固区内部及其左右两侧产生向上的变形,底部则产生向下的变形;水泥土加固区变形相比内外侧砂土变形较小,水泥土对抑制冻胀作用效果明显;地层初始温度越低,冻胀变形影响范围越广,变形值越大,在冻结40 d、地层初始温度为18℃时,既有车站底板在距中轴线水平距离12 m处产生最大冻胀变形,为6.97 mm,小于允许冻胀变形10 mm;在相同地层初始温度下,盐水温度越低,隧道埋深越浅,冻土帷幕越厚,冻胀产生的变形越大,实际工程中可通过优化盐水降温计划抑制冻胀变形以减小对周边环境的影响。研究结果可为相似工程提供设计参考理论依据。     

软弱地层联络通道冻结法施工温度及位移场全程实测研究

研究软弱地层联络通道冻结法施工的冻结温度场、解冻温度场、冻胀融沉发展规律,是解决其冻胀及工后融沉预测与控制的前提。以软土隧道联络通道冻结法工程为背景,对冻结温度场、解冻温度场、地表变形、深层土体冻胀融沉及温度变化规律等进行了全程实测,对冻结壁的形成及解冻全过程进行了分析。结果表明:冻结过程温度变化规律可分为温度快速下降、降温减慢、降温速度加快、土体温度稳定、维护冻结等5个阶段。解冻期间,土体温度经历快速回升、0℃附近稳定、温度持续回升3个阶段。冻结圆柱交圈是产生迅速冻胀的临界时间点,冻胀主要发生在冻结18~45 d;联络通道解冻15 d,部分土体温度达到0℃附近,冻土进入相变阶段,因此应在15 d后开始融沉跟踪注浆;入土深度越大土体相变阶段持续时间越长,粉土融沉主要发生在解冻前2个月,其完全解冻需要100 d左右,此为跟踪注浆至少应持续时间。深部土体温度、冻胀融沉位移均随深度增大呈线性递增。实测拱顶冻结壁处最大冻胀及融沉位移分别是对应地表冻胀、融沉量的3.6倍、4.9倍。地表冻胀融沉槽为联络通道中线两侧符合拟正态分布规律,其影响范围约为隧道底部埋深的1.2倍。     

特厚冲积层竖井井壁冻结压力的实测与分析

为深入研究冻结井外层井壁的外载,在巨野矿区特厚冲积层冻结法凿井过程中,开展了竖井井壁冻结压力的现场实测研究。实测表明:最大冻结压力Pmax普遍接近甚至超过按重液公式计算的永久水平地压P0;Pmax/P0的平均值为1.08。外壁浇筑后15d内,冻结压力增长迅速,超过57%～68%的地层中,7,10,14d冻结压力P(t)分别达到最大值Pmax的72%,77%,81%。分析认为,冻结壁内外部冻胀力的积聚,是冻结压力超过重液水平地压的根本原因。外壁设计荷载(冻结压力)的标准值应按重液水平地压取值;并应采取适当措施,减缓冻胀力积聚,减小冻结压力。此外,应确保外壁混凝土的7,10,14d立方块抗压强度分别达到其设计值的80%,85%,90%,以保证外壁的早期安全。     

地铁工程冻结法施工常见事故原因分析

结合冻结法自身的特殊性,对冻结法在地铁工程应用中的冻结孔钻孔时水土喷涌、隧道管片损坏、冻土帷幕失效以及冻胀融沉等各种事故的原因进行了分析,为事故的防范和治理提供了方向.     

多年冻土区斜坡地带锥柱基础初始回冻过程模型试验

青海—西藏±400 kV直流联网工程沿线穿越多年冻土区565 km,其塔基将不可避免地遇到大量的冻土工程地质问题。锥柱型基础具有承载能力强并可消减切向冻胀力的特点,因而成为该条线路多年冻土区杆塔基础的主要形式。本文以青藏±400 kV直流联网工程为背景,对多年冻土地区斜坡地带锥柱型基础在回冻过程中的稳定性开展研究。主要通过相似比为1∶10的室内模型试验,监测地基土回冻过程中基础所受的冻胀应力,以及基础位移在水平与垂直方向的变化规律,并基于试验结果和研究现状对工程设计、施工与维护提出建议。试验结果显示：在冻结过程中随着地基土温度的降低冻胀力逐渐增大,基础顶部的水平冻胀力最大达到130 kPa,基础底部的法向冻胀力最大可达80 kPa。冻结过程中基础有冻拔现象,最大为5.5 mm。试验中基础顶部的水平位移最大达到3.8 mm。     

基于与围岩相互作用的冻结壁弹塑性设计理论

冻结壁设计理论是冻结法凿井技术的核心之一。传统的冻结壁厚度弹塑性设计公式在冻结壁与围岩的弹性模量之比小于10时有较大的误差。为了更合理地设计冻结壁,建立了考虑开挖卸载作用的冻结壁与围岩相互作用弹塑性力学模型,推导了应力与位移解析解,建立了新的弹塑性冻结壁厚度计算公式,分析了各因素对冻结壁厚度的影响规律。分析表明,新公式较传统的多姆克公式更合理,并建议选用Coulomb-Mohr屈服准则进行冻结壁厚度计算。     

冻融过程中未冻水含量及冻结温度的试验研究

 土体冻融过程中的未冻水含量是控制水分迁移及冻胀融沉的关键因素,而冻结温度是判断土体是否处于冻结状态的重要指标。基于频域反射法(FDR),测定不同初始体积含水率条件下青藏高原粉质黏土,冻融过程中的体积未冻水含量及温度变化,分析引起体积未冻水含量及冻结温度产生差异的主要原因。试验结果表明：初始含水率较高的土体,冻结过程中出现了很明显的过冷现象以及温度和体积未冻水含量的突变,而初始含水率较低的土体,这种现象并不明显。初始含水率较大的土体冻结先于初始含水率较小的土体,并且对温度突变的敏感性大于初始含水率较小的土体。对冻融过程体积未冻水含量的滞后分析发现,体积未冻水滞后度?θ和温度滞后度?T均是先增大后减小,体积未冻水滞后度?θ的峰值发生在相变区附近,其峰值随着初始含水率的增大而增大。当初始含水率等于或高于液限含水率时,含水率对冻结温度影响不大;当初始含水率低于液限含水率时,冻结温度随含水率减小而降低。