土体冻胀试验系统的研制与应用

为了研究土体在不同环境下的冻胀特性,自主设计研制了土体冻胀试验系统.该系统模拟自然条件下路基土的工作状态,从温度荷载的加载方式、上覆荷载的加载方式、水分补给方式、侧向约束条件等方面严格控制试验环境.基于温度控制盘、滑动绝热装置的创新设计,在实验室内实现了对路基土冻胀过程的真实模拟,并实现了冻结过程中温度分布、上覆压力和冻胀变形的实时监测.最后,通过饱和粉质黏土冻胀试验的测试结果,验证了该系统的可靠性和有效性,明确了土体冻结过程中的温度分布特征和冻胀变形规律.     

击实功对粗颗粒填料冻胀特性影响的试验研究

随着我国高速铁路的规划、建设逐步向寒区扩展,路基工程中势必要面对各类的工程冻害问题.基于控制轨面变形出发,在以往的工程实践中,主要集中在路基粗颗粒填料中细粒组分(0.075mm)的含量以及含水率对土体冻胀率的影响.考虑到受击实功影响的压实度是控制路基施工质量的重要因素之一,因此试验中引入击实功这一因素,探讨了击实功与冻胀率之间的关系,并通过对不同击实功下不同含水率和细粒含量的粗颗粒填料在不补水条件下的冻胀试验,分析得到路基粗颗粒土的击实功对冻胀率的影响.结果表明:标准击实条件下的冻胀率最大,欠击实和超击实条件下的冻胀率居中,不击实条件下的冻胀率最小;随着含水率的增大,粗颗粒土体的冻胀率也随之增大;但随着细粒含量的增大,粗颗粒土体的冻胀率反而降低,并据此提出了粗颗粒土体中细颗粒组分单位面积吸附水质量分布的一种解释.     

填料类型对季节冻土区覆盖效应的影响

季节冻土区高速公路路面的大面积覆盖层使得路基填料内部水分在外界温度梯度和路面隔水作用下向上迁移并累积,加剧了路基的冻胀和融沉危害.通过室内试验,重现了季节冻土地区路基覆盖效应形成过程,建立非饱和土的"水-汽-热"模型,仿真分析中国兰州某地区不同路基填料覆盖效应形成过程和差异.结果表明,季节温度作用下土体水分向不透水层底部聚集,且聚集现象随着冻融循环次数的增加而加剧;当路基填料分别为砂土、粉土和粉质黏土时,由于填料导热性能和持水性能的差异,最大冻结深度分别为1.21、0.97和0.89 m;不同覆盖层下的水分运移均以水汽为主,以粉土作为填料时的水汽迁移现象最明显,砂土、粉质黏土和粉土填料路基对应的水分迁移量分别为0.68%、2.86%和12.56%,三者水分聚集深度依次变浅.可见在已有的粉土路基工程中应重点防治水汽迁移引起的路基病害.     

季节冻土区黄土抗剪强度变化特征及其影响因素

黄土作为一种特殊的土质,其力学特性极易受水热效应的影响。为研究温度、压实度、含水率等因素对季节冻土区黄土抗剪强度的影响,以中国西部典型的兰州黄土为研究对象,通过低温三轴试验,探讨温度、压实度、含水率的变化对冻结兰州黄土抗剪强度的影响。结果表明：冻结兰州黄土的黏聚力及内摩擦角随着温度的降低呈升高趋势,其中,黏聚力受温度的影响较大,而内摩擦角受温度的影响相对较小;冻结兰州黄土的黏聚力及内摩擦角随着土体压实度的增加而增大;对于含水率,由于土体中冰晶以及未冻水会使土骨架自身强度以及土颗粒与冰之间的胶结力发生变化,以土体最优含水率为分界点,分界点两边的冻结兰州黄土抗剪强度呈相反的变化趋势。由此可知温度、压实度及含水率会对冻结兰州黄土的抗剪强度产生较大的影响,在有黄土覆盖层的季节冻土区工程建设中应充分考虑。     

青藏高原季冻区砂砾土冻胀特性试验Symbol`@@

为探索青藏高原季冻区砂砾土的冻胀特性,为机场工程防冻胀设计提供依据,首先进行颗粒分析实验、击实实验等砂砾土的基本特性实验,为冻胀率室内实验提供相应依据,然后在传统冻胀率室内实验装置的基础上针对砂砾土粒径大的特点进行改进,利用改进后装置进行一系列正交试验,研究含水率、含泥量、压实度、上覆荷载、补水对冻胀率的影响规律. 试验结果表明：在封闭条件下,冻胀率随含水率的增大而线性增大;随含泥量的增大呈非线性关系递增;随压实度的增大呈先增大后减小的趋势,在压实度为95%的状态下达到最大值;随上覆荷载的增大呈线性关系平缓递减. 在外界补水条件下,冻胀率增大3倍以上. 经多元回归分析,得到了多因素综合影响下的回归预报公式. 各个因素对冻胀率的影响从大到小依次为：补水,含水率,含泥量,压实度,上覆荷载. 在工程实际中,控制补水、含水率、含泥量是防冻胀设计的关键.     

青藏高原季冻区砂砾土冻胀特性试验

为探索青藏高原季冻区砂砾土的冻胀特性,为机场工程防冻胀设计提供依据,首先进行颗粒分析实验、击实实验等砂砾土的基本特性实验,为冻胀率室内实验提供相应依据,然后在传统冻胀率室内实验装置的基础上针对砂砾土粒径大的特点进行改进,利用改进后装置进行一系列正交试验,研究含水率、含泥量、压实度、上覆荷载、补水对冻胀率的影响规律.试验结果表明:在封闭条件下,冻胀率随含水率的增大而线性增大;随含泥量的增大呈非线性关系递增;随压实度的增大呈先增大后减小的趋势,在压实度为95%的状态下达到最大值;随上覆荷载的增大呈线性关系平缓递减.在外界补水条件下,冻胀率增大3倍以上.经多元回归分析,得到了多因素综合影响下的回归预报公式.各个因素对冻胀率的影响从大到小依次为:补水,含水率,含泥量,压实度,上覆荷载.在工程实际中,控制补水、含水率、含泥量是防冻胀设计的关键.     

水泥土冻胀特性试验研究

为了从理论上揭示水泥土抑制冻胀的规律,对掺入不同比例水泥的南京地区典型黏土和砂土进行了冻胀试验研究.试验结果表明:黏土质水泥土和砂土质水泥土的冻胀率均随水泥含量增大而减小,随含水率增大呈线性增大,随龄期增大呈指数减小,随温度升高而呈线性增大,随荷载增大呈指数规律减小;且冻胀率与水泥掺入比变化规律均存在一个最佳掺入比,最佳掺入比对应土体较小的冻胀率,南京地区的典型黏土和砂土的最佳掺入比分别为10%、5%.综合分析可得:冻结法施工时,在土体中预先注一定量的水泥浆并将放置一段时间后再冻结,可减小由于冻胀对工程和环境造成的影响.     

非饱和分散性黏土多次冻融特性试验

针对中国季节性冻土区分散性黏土,通过室内非饱和冻融试验,探索其在不同初始含水率、干密度、多次冻融下的冻胀融沉特性.结果表明:分散性黏土的冻融特性明显区别于一般性非分散性黏土,其冻胀量远大于非分散土;多次冻融后,分散性黏土冻胀表现为冻胀后松散特性,而非分散土冻胀表现为冻融密实特性;初始含水率、干密度和冻融次数对融沉系数和冻胀率影响较大;初始含水率越大,冻胀量和融沉量越大;多次冻融后,分散性黏土内部含水率重新分布,初始含水率越低,相应部位含水率增大百分率越大;在有外界补水下,初始含水率较高的分散性黏土经过2次以上冻融后均可表现为强冻胀;不同干密度的分散性黏土,融沉系数随冻融次数增大而增大,后趋于稳定.试验得到的新认识可为"一带一路"北线黑龙江和吉林两省公路、铁路和水利工程建设提供指导,以采用必要措施减小分散性黏土冻融破坏.     

膨胀土击实样膨胀特性试验研究

为研究膨胀土的膨胀特性,对南水北调中线工程南阳中膨胀土击实样进行了不同起始含水率与压实度的无荷膨胀率和有荷膨胀率试验,重点研究了南阳中膨胀土击实样的膨胀特性与初始含水率、压实度、上覆荷载的规律关系.试验成果表明:在相同起始含水率下,随着压实度的增大,膨胀土无荷膨胀率与压实度呈较好的线性增长关系;在相同压实度条件下,膨胀土无荷膨胀率随起始含水率增大而减小;含水率大于最优含水率可以明显地抑制膨胀土的膨胀;较小的荷载作用就可以抑制膨胀土的大部分膨胀量;由正交分析法分析可知,当荷载较小时,含水率对有荷膨胀率的影响要大于压实度对有荷膨胀率的影响,当荷载继续增大时,压实度对有荷膨胀率的影响要大于含水率对膨胀率的影响.     

基质势作用下非饱和黏性路基土水分迁移规律研究

基质势在非饱和土水分迁移的过程中起到了主导作用,水分迁移作用对非饱和土路基长期性能的演变具有重要影响,因此研究基质势作用下非饱和黏性路基土水分迁移具有重要的现实意义,基于此选取洪山区典型黏土,开展了非饱和黏性路基土在基质势梯度作用下的水分迁移试验,研究了不同初始含水率,不同含水率梯度,不同迁移时间下路基土水分迁移规律。结果表明,随时间增加土样含水率逐渐增大,基质势逐渐减小,基质势梯度降低水分迁移量减小;土样含水率梯度相同时,基质势梯度随初始含水率增加而减小,水分迁移量减小;初始含水率相同时,基质势梯度随含水率梯度增大而增大,水分迁移量随之增大;基于试验数据,建立了非饱和路基土水分迁移量和初始基质势梯度之间的关系式,二者间大体上呈线性关系。     

重塑粘质黄土冻胀敏感性试验分析

以沈哈高速铁路沿线具有代表性的粘质黄土为研究对象,在室内冻胀试验条件下,研究了非饱和含水量、冷端温度、冻结速率、补水条件以及冻融循环对土体冻胀特性的影响。试验表明,在封闭系统下,非饱和土体冻胀系数随含水量增大而增大,且最终趋于一个稳定数值;封闭系统下,随着冷端温度的降低,含水量较大土样的冻胀系数逐渐减小,含水量较小土样的冻胀系数逐渐增大;开放系统下,土样冻胀系数随冻结速率的减小逐渐增大,且增幅越来越大;外界补水条件下,土体冻胀量增加显著,但随含水量的增大,其影响逐渐减弱;干密度较小土样的冻胀总变形随冻融循环次数的增加呈指数递减的趋势,干密度较大土样则呈指数增加的趋势。     

软黏土三维水-热-力耦合冻融模型及应用

人工地层冻结法是沿海地区软黏土进行地层加固的一种常见绿色工法,地下空间开挖的大型及复杂化使目前冻结法面临更加复杂的渗流环境.为此,通过分凝冻胀理论刚性冰模型的三维化推广,建立能考虑水分迁移的热-水-力耦合作用冻胀融沉模型,以模拟复杂渗流环境下的人工冻结工程.基于模型使用COMSOL有限元进行模拟,与同尺寸室内模型试验数...     

蒲石河电站面板堆石坝垫层料冻胀试验

研究级配、粉粘粒含量、含水率、上覆荷载对冻结过程中冻胀量、冻胀速率的影响,以保证冬季面板堆石坝工程的安全。以蒲石河地区的经验冻结速率为条件控制冻结,采用自上而下的冻结模式,冻结速率控制为20 mm/d。当级配石料粉粘粒含量小于12%时,基本为无冻胀或弱冻胀,冻胀量随粉粘粒含量增加呈线性增长;粉粘粒含量相同时不同级配改变了含水量与冻胀量之间的线性关系的梯度。反向压力与冻胀力相平衡,限制了冻胀时的体积膨胀,工程中宜采用7.5%含水率和12%的粉粘粒含量的级配石料,使用密度为59 g/cm3的混凝土面板可以抑制冻害的发生。     

正冻土中的水热耦合模型

根据温度梯度诱导薄膜水迁移的冻胀机理,建立了模拟标准样品无盐土冻胀过程的水热耦合模型。模型需要输入的参数包括：干密度、含水量、孔隙度、未冻水含量（－1℃)、导 热系数、渗透系数及边界温度条件、冻结周期和时间步长等。计算结果包括：冻胀量、冻结深度、冰分凝温度、冻结缘厚度。通过与实际冻胀实验结果比较,模型所预测的冻胀量和浆深与实测值相差分别为1.12%-15.77%和5.38%-10.35%,冻结缘的厚度变化在时间上有三种方式：即持续增大、 增大后逐渐减小、增大后相对稳定。     

U形玻璃钢渠道抗冻胀效果数值模拟

为研究U形玻璃钢渠道在北方季节性冻土区的抗冻胀效果,采用有限元分析软件ANSYS对玻璃钢渠道的温度场和位移场进行模拟分析,研究了衬砌板的冻胀变形.结果表明：与混凝土渠道相比,玻璃钢渠道能使衬砌板的冻胀变位值更加均匀,冻胀不均匀程度也较小,且玻璃钢材料本身具有良好的韧性,适应变形的能力很强,具有良好的抗冻胀效果,值得推广.     

间歇冻结控制人工冻土冻胀的试验研究

土体冻胀容易引起地表产生不均匀变形，因此控制冻胀的产生和发展始终是人工冻结技术的重要课题．通过试验比较了人工冻土在连续冻结模式、控制时间的间歇冻结模式和控制深度的间歇冻结模式下，土体冻胀的发展变化规律及冻胀控制与冻结模式之间的关系．结果表明：与连续冻结和控制时间的试验相比，在冻结锋面趋于稳定和温度梯度趋于恒定前，采用控制冻深的间歇冻结模式能够有效地抑制人工冻土冻胀的发展，冻胀量仅为连续冻结模式的19．8％；不同的变温起始时间对冻土冻胀控制的效果不同，在冻结过程刚刚进入拟稳定阶段时，迅速改变冷端温度，将使土样内的温度场不能达到稳定状态，从而推迟起始冻胀的时间，抑制冻胀的产生．     

人工冻结土体冻胀融沉的模型试验

在分析人工冻结土体与自然冻结土体的冻结差异、比较国内外土体冻融模型试验装置的基础上,介绍了所研制的人工冻结土体冻胀融沉模型试验装置及其应用情况．并利用该试验装置对徐州地区常见的粘土进行了冻结试验,检验了该试验装置的可靠性和实用性;得出了人工冻结土体在冻融过程中土体在垂直方向上的冻胀远小于它在该方向上的融沉等几点结论     

季冻区CRTS I型无砟轨道不平顺规律及受力特性

为探讨路基冻胀变形对轨道不平顺及结构受力的影响规律,基于ANSYS有限单元分析方法,以哈大高速铁路冻胀区路基段为研究基础,建立了考虑限位凸台、凝胶树脂及层间粘结接触特征的CRTS I型板式无砟轨道-路基冻胀冻融耦合精细化有限元模型. 在此基础上,探讨局部冻胀区路基冻胀变形发生位置、不同冻胀波长及幅值对无砟轨道结构的影响,分析了短波冻胀下轨道不平顺、层间离缝特性与静力学性能. 结果表明:短波冻胀时无砟轨道结构不平顺范围、变形、离缝、受力等各项指标均随冻胀波长的减小、冻胀峰值的增加而增大;冻胀发生于底座板板中时对轨道结构受力影响最大,冻胀发生于底座板伸缩缝时对轨道结构变形离缝影响最大;相对于轨道板结构,底座板承受拉应力最大,冻胀发生于底座板板中时结构受力影响更大;在轨道结构抗拉强度方面,底座板为限制结构,建议冻胀检修限值的波长为10 m、峰值为5 mm.