冻压条件下冻融软土孔隙特征与动力特性分析EI北大核心CSCD

杭州软土地区地铁联络通道建设多采用冻结法施工,在整个冻结范围内,不同区域的土体冻融期间承受不同冻结温度与冻融压力。通过自主研发土样制作仪器,得到不同组合冻结条件的试样,再基于核磁共振试验,研究冻融土在不同冻结压力、冻结温度以及加载情况下精确孔径分布特征曲线变化规律,并结合动三轴试验深入探究以孔压、应变以及刚度为代表的动力特性。最终,建立以一次对数为基础的动孔压预测模型,该模型参数物理意义清晰,能较好地预测不同冻融条件下软土动孔压发展。研究结果表明:随着冻结温度的降低,孔隙中的水冻胀效果更为明显;冻融期间围压可有效使融土骨架结构更为紧密,从而减少融土在循环荷载下的变形;循环荷载作用下,小孔隙尺寸大幅度减小,尺寸分布范围增大,中等孔隙进一步向次级孔隙发展;不同冻融压力作用下,孔压极限值与冻融完成后中等孔隙的面积呈类线性相关。研究成果可作为冻结法施工条件下,预测冻融土结构损伤程度与循环荷载下孔压发展的可靠依据。     

地铁循环荷载作用下冻融土滞回曲线及阻尼比特性研究

人工冻结法在地铁施工中被广泛应用,冻融作用后土体的滞回曲线及阻尼比特性会发生改变,基于此对冻融土试样进行动三轴试验,深入分析地铁循环荷载作用下土体滞回曲线及阻尼比的演变规律。结果表明:加载过程中冻融土滞回曲线由宽厚变得狭长,降低冻结温度及减小土体固结度会使滞回曲线面积和不闭合程度增大,循环荷载不能完全抵消冻结温度和固结度的作用;随着循环次数的增加,冻融土阻尼比先迅速减小,随后保持稳定并略有升高,之后缓慢减小并最终趋于稳定;随着冻结温度降低,循环加载初期和末期冻融土的阻尼比均明显增大;降低固结度使初始阻尼比显著减小,对加载末期阻尼比的影响规律则相对不明显。阻尼比与循环加载次数的关系本质上是与累积应变的关系,根据试验数据首次提出了冻融土阻尼比与累积轴向应变之间的函数关系。研究可为地铁冻结法施工区域的工后沉降控制提供有益的指导。     

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。     

越江地铁荷载作用下软黏土孔压试验研究

杭州湾区域越江地铁往往穿越江底深厚软土层,同时上覆冲淤以及水位的变化会对地铁变形造成不利的影响,从而对地铁安全运营造成隐患。基于双向动三轴试验,首次模拟了越江地铁循环荷载对软黏土地基的作用,得到软黏土孔压发展曲线,并建立越江地铁作用下软黏土的孔压模型。研究结果表明:越江地铁循环荷载作用下,软黏土的孔压发展呈现出"急剧上升→增速减缓→趋于稳定"的变化规律;增大循环加载过程中的有效围压,孔隙水压力会上升;增大径向循环应力比孔隙水压力的稳定值会随之增大;采用二次对数模型能够较好地模拟越江地铁荷载作用下软黏土的孔压发展,且综合考虑了越江地铁荷载径向循环应力比和有效围压的影响,能够为越江地铁工后沉降的控制及预测提供相应的参考。     

地铁列车荷载下冻融土刚度软化试验研究

冻结法在地铁联络通道和进出洞施工中被广泛应用,但冻融作用会对土体刚度产生影响,列车运营期循环荷载作用下,会对地铁运营安全造成隐患。基于动三轴试验,模拟地铁循环荷载作用下冻融土的动应力,得到地铁列车荷载作用下土体刚度软化曲线,并建立刚度软化数学模型。研究结果表明:冻融土体在循环荷载作用下的刚度软化可以用分段函数描述,在循环加载初期,刚度G与循环次数N之间存在半对数关系,当lnN达到8.25~9.5时软化曲线出现拐点,此后继续加载循环应力土体刚度不再有明显的下降;随着冻结温度的降低,循环加载前的初始刚度G_1以及循环后的残余刚度G_w均有所减小,刚度损失比w逐渐增加;同时,冻融还对刚度软化具有明显的加速作用;土体固结对整体刚度有加强效应,提高冻融土体固结度能够使土体刚度显著增大,刚度损失比w有所减小,并降低了土体软化速度。研究结果可为控制地铁冻结法施工区域的工后沉降、保证地铁安全运行提供有益指导。     

交通荷载作用下饱和软粘土孔隙水压力的累积规律及影响因素探讨

通过不同循环加载条件下模型试验和现场原型监测试验,研究在交通荷载条件下孔隙水压力累积特性及发展规律,探讨路基软土在循环动荷载下产生累积特性的原因和主要影响因素,通过试验分析得出了交通荷载下路基软土中孔隙水压力累积特性、发展规律以及影响累积特性的主要因素。     

单向循环荷载作用下饱和软黏土的性状研究

模拟交通荷载的作用,对珠江三角洲地区的高液限饱和软黏土和低液限饱和软黏土分别进行单向加载的循环三轴试验,研究饱和软黏土在压缩循环荷载下的轴向累积应变和累积孔压的发展情况,并充分考虑轴向循环压力大小、围压与塑性指数等因素对饱和软黏土性状的影响。试验结果表明:(1)单向循环荷载作用下,饱和黏土存在着临界循环应力,对于同一种土、不同围压下的临界循环应力,可引入临界循环应力比,用饱和黏土在各个围压下的不排水强度对临界循环应力进行归一化处理。(2)临界循环应力比的大小与饱和黏土的塑性指数有关,塑性指数越大,临界循环应力比越小。(3)循环应力大于临界循环应力时,累积轴向应变与累积孔压随循环次数变化的曲线是破坏型的。(4)循环应力小于临界循环应力时,累积轴向应变与累积孔压随循环次数变化的曲线是衰减型的,在相同的加载条件下,塑性指数大的试样累积变形和累积孔压均比塑性指数小的累积变形和累积孔压发展得快。(5)在单向循环荷载作用下,饱和黏土破坏时,孔压均没有达到围压值,只有围压的60%～70%。该研究成果可为交通荷载作用下软土地基沉降分析提供有益的参考。     

冻融作用对压实黄土结构影响的微观定量研究

通过补水条件下的冻融循环试验,对经历不同冻融次数的压实黄土土样进行电镜扫描图像的定量分析,同时进行土样宏观物理性质的测试,探讨微观结构与宏观性质之间的关系,揭示冻融循环对压实黄土结构影响的过程与机理。研究结果表明,随着冻融循环次数的增加,土样内部冰晶的生长及冷生结构的形成导致土样中孔隙体积增加,土颗粒受到挤压并形成新的土骨架结构。大中孔隙个数及其所占孔隙总面积百分比显著增加,由 2 次冻融循环后的 78% 增加至 31 次冻融循环后的 90% 。同时,土样中出现一些由大中孔隙组成的、对黄土湿陷性起控制作用的架空孔隙。宏观物理性质测试表明,随着冻融循环次数的增加,土样含水率显著增加并出现重分布,而干密度则先减小而后基本保持不变。 31 次冻融循环后,土样上下层含水率相比于初始值增加分别超过 140% , 50% ,而干密度则由初始的 1.86 g/cm³ 减小为 1.55 g /cm³ ,减幅为 17% 。微观结构和宏观性质的改变均表明了冻融作用对于压实黄土结构的弱化作用。     

交通荷载作用下饱和软粘土孔压模型的数值模拟

通过不同循环加载条件下的模型模拟试验、现场原型监测试验及理论分析,研究在交通荷载条件下,动孔隙水压力累积特性及发展规律.试验取得了交通荷载作用下路基土动孔隙水压力产生、发展、累积的宝贵资料;利用FLAC3D对孔压模型进行了数值模拟,并与试验所取得的孔隙水压力曲线进行了对比分析,得出了数值模拟的结果是准确有效的.     

考虑时间间歇效应的地铁列车荷载下海相软土长期动力特性试验研究

软土地基在地铁运营期受到周期性振动和间歇的反复作用,间歇期内软土力学特性的变化将影响其长期动力响应,但以往关于交通荷载下软土动力特性的研究大多忽视时间间歇的影响。考虑不同动应力水平、不同振动和间歇时长的耦合作用,设计一系列不排水连续–停振循环三轴试验,采用K0固结条件,研究原状海相软土在列车非连续荷载下的长期孔压、变形特性,通过与连续振动试验对比,发现荷载间歇对软土动力特性有显著影响,由于间歇期动力特性改变,软土后续加载稳定时的最大残余孔压和应变明显降低,且孔压、应变响应趋于稳定时所需的振次减少而时间增加。基于试验结果,深入分析时间间歇效应的作用机制和间歇时长对软土长期动力特性的影响。结果表明:间歇期软土内结构进一步调整使得振动期激振停止时部分未及时恢复的弹性后效孔压和应变得以恢复,这部分孔压和应变在振动期重复发生,导致按传统方式计算出的振动期表观残余孔压和应变总和远大于连续振动;同等条件下,间歇时长越长,软土孔压和应变响应被削弱程度越大,达到稳定时的最大残余孔压和应变越小,进入稳定期所需时间越长。研究对于地铁荷载下软土地基长期沉降的计算分析有推动意义。     

寒区花岗岩冻融损伤破坏的试验研究

以福建安南水头镇花岗岩为研究对象,对不同温度(-20,-30,-40,-50℃)条件冻融循环处理的岩样采用三轴压缩试验、三点弯曲试验、表观显微镜观测和微观电子显微镜扫描(SEM)、X射线衍射(XRD)分析等手段,分析冻融循环作用后岩石材料的物理力学特性及微观损伤变化规律。试验结果表明:随着围压的增高,冻结温度对花岗岩峰值强度的影响减弱;随着冻结温度的降低,花岗岩的抗拉强度损失率呈增大的趋势,花岗岩的黏聚力减小,而内摩擦角有增大的趋势;冻融循环次数相较冻融温度对其表观损伤的影响更大。由XRD和SEM试验分析可知:冻融循环前、后花岗岩试样的矿物成分基本没有变化,但微观结构变得疏松,表面形态粗糙,破坏面增多,表现为宏观上的花岗岩峰值强度的降低。     

低频循环荷载下饱和软土的孔压及变形特性的试验研究

分析了振动频率对饱和软土动孔压变化和累积塑性变形的研究现状,利用美国GCTS开发制造的SPAX-2000动静真三轴测试系统,研究了交通荷载下低频对饱和淤泥质软黏土的孔压以及塑性变形的影响规律。试验结果表明,频率越低,总动孔压值和累积塑性应变越大。当频率低于0.1 Hz时,加载频率对动孔压和塑性应变的增长速率影响较大,若频率大于0.5Hz时,频率的影响可以忽略不计。在高循环应力作用下,高次数的循环荷载能对动孔压和累积塑性应变产生较大影响;若在低循环应力水平下,循环次数的影响可以忽略。     

基于热力学平衡的混凝土冻融变形机理分析

基于饱和砂浆试件在冻融循环作用下冻融变形的实测结果,并通过对混凝土孔隙内冰结晶的热力学分析,明确了混凝土的冻融变形的发展机理.孔隙水的冻结受冰点降低、过冷却和冰晶核的影响;冻结收缩是由冻结冰晶施加给未冻结孔隙水的冻结吸力引起的;冻结膨胀不仅受系统温度、初始冻结点以及孔隙结构影响,而且受冰晶体形成的程度和孔隙壁抗拉强度的...     

低频循环荷载下海积软土蠕变特性试验研究

低频循环荷载作用下软粘土力学行为具有其独特性,为了研究低频循环荷载作用下海积软土的蠕变特性,利用土体三轴蠕变试验仪,针对珠江三角洲地区的海积软土开展了一系列蠕变试验,并对该地区海积软土的典型循环蠕变曲线进行讨论,初步探索了软土在低频循环荷载与静荷载作用下蠕变特性的异同,研究发现,两种加载方式下土体累积变形量总体较为接近,而低频循环荷载作用相较于静荷载作用,软土更慢地进入衰减型蠕变阶段及达到变形稳定。同时,对比分析了围压、主应力比和加载频率对软土低频循环荷载下循环蠕变特性的影响。     

震动荷载作用下地铁隧道长期沉降机制试验研究

通过循环三轴试验,对地铁行车振动荷载作用下武汉地区盾构隧道周围软粘土及砂土的变形特性作出分析,并对隧道运营期的沉降进行了预测。试验结果表明:在长期循环荷载作用下,粘土试样累积塑性变形及其孔隙水压的变化均经历了快速增长—匀速增长—衰减稳定3个阶段;砂土在循环荷载下跟粘土类似,同样经历快速增长—匀速增长—衰减稳定3个阶段,只是砂土的应变量较粘土相比要小很多。地铁荷载作用下引起的长期沉降分为不排水循环荷载作用下土体中的累积变形引起的沉降和土体中由于动荷载引起的孔压消散产生的固结沉降两部分;通过室内试验得到的拟合模型和分层总和法计算结果,发现地铁列车运行期间的振动荷载对于运营期内土层的沉降影响主要集中在运营初期3年左右,此后沉降值基本趋于稳定。     

循环荷载作用下结构性软土微结构演化特性试验研究

 为探讨动荷载作用下结构性软土微结构演化特征,对天津滨海新区典型结构性软土进行动力三轴试验,并对特定循环振次下土样进行微结构制样及电镜扫描,重点研究不同动应力比、不同振次以及不同围压下,循环荷载作用对软土微结构演化的影响。试验与测试结果表明：随动应力比、振次以及围压的增加,颗粒数量和孔隙数量增加,而颗粒等效直径、颗粒形态比、孔隙等效直径、孔隙形态比减小。当动应力幅值小于临界幅值时,微观结构随振次增加很快趋于稳定,当动应力幅值大于或等于临界幅值时,微观结构随振次增加持续处于变化中。循环荷载作用过程中,当围压分别在土体固结结构屈服应力前后取值时,微观结构参数值存在明显变化,不同微结构参数值与振次均呈对数关系,相关性较好。     

基于荷载效应下的软土孔隙特征研究

为了探究荷载作用下软土孔隙结构的变化规律,对湛江软土进行100～800kPa荷载下的一维固结试验,运用压汞技术测定了不同荷载下土样的孔隙组成,进一步分析了孔隙结构均匀性和分型特征.结果 显示,r=0.25 μm可视为试验软土的临界孔隙半径,它将土壤孔隙分为可压缩孔(r≥0.25 μm)和不可压缩孔(r＜0.25 μm)...     

循环荷载下砂质混合土孔隙水压力特性研究

通过对各种细颗粒含量的土实施从小到大应变水平的动力循环荷载试验,采用累积损失能量的观点,分别考察了土的细颗粒成分含量、围压、加载频率、加载形式及荷载的不规则性对孔压的影响,提出了孔隙水压力和累积损失能量的归一化方法,建立了砂质混合土的孔隙水压力上升模型,并探讨了模型参数和土的细颗粒成分含量的关系。     

土体冻融对水份迁移影响及微观研究

为研究冻融循环作用对土体水份迁移的影响,采用自行研制的装置进行单向冻融试验,测定并分析了冻融循环作用下土体中水分迁移变化,同时利用扫描电子显微镜(SEM)采集了不同冻融循环次数的微观图像。通过对比研究了冻结温度、冻前含水率、孔隙直径、颗粒直径及微观结构特征变化对水分迁移的影响。结果表明:(1)随着冻融循环次数的增加,土样中含水率变化规律为逐层降低-回升变为逐层降低-平稳,最后变为逐层降低;(2)随着冻融循环次数增加,孔隙直径组成发生改变,大直径孔隙减少,小直径孔隙增加。     

基于核磁共振技术的岩石孔隙结构冻融损伤试验研究

 为研究岩石在冻融循环作用下的孔隙结构损伤特性,选取寒区花岗岩为岩样,在冻结温度为－40 ℃,融解温度为20 ℃条件下,分别进行3轮冻融循环试验,并对每轮冻融循环后的岩样进行核磁共振(NMR)测量,得到同一块岩样不同冻融循环次数后的孔隙度、横向弛豫时间T2分布及核磁共振图像(NMRI)。结果表明：花岗岩的T2分布主要为3个峰,随着冻融循环次数的增多,岩石的孔隙度、核磁共振T2谱分布和T2谱面积均会增大,但每个岩样的增大幅度均不同,反映出冻融循环作用下岩石中孔隙的发育和扩展特性;核磁共振图像显示同一块岩样在不同冻融循环次数后的内部微观结构分布,动态地显示岩石的冻融损伤过程。冻融循环条件下岩石核磁共振特征为岩石冻融损伤机制研究提供可靠的试验数据。