含水率及应变速率对冻结粉质黏土强度特性影响

人工冻土单轴抗压强度和弹性模量是人工冻结法设计的关键参数,准确掌握其变化规律极为重要,为此开展了不同含水率及应变速率条件下粉质黏土人工冻土单轴抗压强度试验研究。结果表明:大部分试样呈现腰鼓型破坏,随着含水率的增加,应力-应变曲线逐渐由应力软化型向应力硬化型转变,存在一达到强度峰值的最优含水率,对于南京典型粉质黏土该含水率为22%,接近饱和含水率;重塑粉质黏土的弹性模量随含水率的增长而增长,但增长率呈下降趋势;单轴抗压强度和弹性模量均随应变速率的增加呈衰减性增大;回弹模量随加卸荷次数的增加逐渐增大,当加卸荷次数达7次后,回弹模量值基本稳定。     

阜阳刘庄矿东风井人工冻土蠕变实验研究

为了详细研究淮南矿区冻土的物理力学性能,为冻结法施工提供设计参数,以刘庄煤矿东风井典型粘土层为研究对象,在冻结冻土力学性能室内进行了人工冻结的蠕变试验。根据冻土单轴蠕变实验数据,分析总结出冻土在单轴应力条件下的应力、应变、温度和时间相互作用的关系,从而得到蠕变本构方程和蠕变规律,该规律对淮南矿区井筒冻结设计和施工具有重要的借鉴意义。     

冻结黏土力学性能多参数试验研究

为获得冻结黏土力学性能的相关参数及其变化规律,从皖北某矿获取三个层位的原状土样,通过冻胀试验、单轴抗压强度试验、抗剪强度试验和蠕变试验,获得了冻结黏土的弹性模量、泊松比、内摩擦角和黏聚力等物理参数及变化规律.试验结果表明:冻土的冻胀规律可用指数函数来描述,冻胀率、冻胀力都在经历最初的快速发展后,最终趋于稳定;在-15～-5℃范围内,各土层冻土的弹性模量、单轴抗压强度、黏聚力均随温度降低而增大,而泊松比随温度降低而减小;在应力水平较低条件下,冻土蠕变基本上属于稳定性蠕变;当应力水平较高时,试验结果属于非稳定性蠕变.     

人工冻土单轴冲击压缩力学性能实验研究

冻土动态力学特性实验研究是冻土力学研究的重要内容之一.以重塑冻结黏土为例,利用分离式霍布金森压杆,得到了人工冻结黏土在冲击荷载作用下的破坏规律,研究了人工冻结黏土温度分别为-4℃,-8℃,-12℃和-16℃时,在不同应变率下单轴状态的变形特征和强度特征.研究结果表明,人工冻土在冲击荷载作用下呈脆性破坏特征,表现了较强的温度效应,但应变率效应不太明显.冻结黏土在冲击荷载作用下的动态力学特性研究为冻土开挖技术提供了理论支持.     

冻结黏土单轴动态加载过程的能量耗散特征

为研究动态加载条件下人工冻结黏土的动力学特性,使用SHPB动力学试验系统进行了人工冻结黏土的单轴动态加载试验,分析了不同加载应变率及温度条件下人工冻结黏土的动强度和初始动弹性模量的变化规律,并重点讨论了动态加载过程中试样的能量耗散特征.结果表明:(1)在单轴动态加载条件下,人工冻结黏土的动弹性模量、动强度随应变率的增大或温度的降低而增大,但结果数据在低应变率区有一定波动;(2)随着试样内部塑性变形和裂纹扩展增加,试样弹性应变能密度与耗散应变能密度比值逐渐减小,试样也更容易呈现脆性破坏.以上结果有助于认识人工冻土的冲击破坏能量特征,为人工冻土工程设计与施工提供一定的参考.     

定向剪切应力路径下冻结黏土强度特性试验

为探索考虑主应力轴方向变化等复杂应力路径下的冻结黏土强度特性,采用冻土空心圆柱仪,在温度为-10℃条件下,对重塑冻结黏土开展一系列主应力轴方向固定不变的定向剪切试验,探讨大主应力轴方向角a、中主应力系数b和平均主应力p值变化对冻结黏土强度特性的影响.通过对广义剪应力-广义剪应变曲线的分析,发现a角和p值变化对冻土的强度及破坏应变都有较大影响,随着a角的增加,破坏时的广义剪应力qJ值先增加后减小,最小值出现在a=75°处,随着p值增加,qJ值先增加后减小;b值变化对强度的影响较小,而对破坏应变有较大影响;广义剪应力-广义剪应变曲线均为弹性塑性应变硬化曲线,且初始线性段的极限应变值在0.5%左右,不受应力路径变化的影响.分析应力与应变之间的关系,建立了定向剪切应力路径下冻结黏土的强度模型方程,进而求得广义剪切模量随应变发展的关系表达式,并发现初始广义剪切模量对冻结黏土应变的发展及破坏应变值有较大影响,且存在一临界值,对于冻结黏土,该临界值为6×105k Pa.a角、b值和p值的变化都会对冻结黏土的强度及变形产生较大影响.     

主应力方向和中主应力系数对冻结黏土性状的影响

为研究复杂应力路径下冻土的力学特性,利用冻土空心圆柱仪对饱和冻结黏土开展了定向剪切试验,重点研究了大主应力方向和中主应力系数对饱和冻结黏土应力应变性状的影响.试验结果表明:定向剪切路径下饱和冻结黏土应力-应变曲线基本呈现应变硬化特征,且广义剪应力-应变曲线受扭剪分量的主导.不同大主应力方向下冻结黏土应力-应变曲线水平存在一定差异,当中主应力系数b为0.5和1时广义剪应力-应变曲线水平随着大主应力方向角α的增加而降低.中主应力系数b对冻结黏土扭剪分量的应力应变性状影响相对较小,而对轴向分量与广义剪应力应变性状影响显著.     

基于广义Clapeyron方程的含盐土冻结特征曲线模型

未冻水质量分数是评估盐渍土和滨海地区土体冻结过程地层稳定性的关键参数,其主要影响因素为温度和盐的质量分数. 基于考虑溶质效应的广义Clapeyron方程,通过无盐分土冻结特征曲线得到冻土吸力的微分形式,联合考虑残余水的质量分数的Books-Corey模型,推导出在任意盐的质量分数和温度条件下冻土中未冻水质量分数的理论模型. 开展冻结试验,利用核磁共振法获得不同水的质量分数、盐的质量分数下粉质黏土和粉土的冻结特征曲线. 试验结果表明：未冻水质量分数随温度降低呈指数函数递减,在同一温度下未冻水质量分数随着初始溶液浓度的增加近似呈线性增加,不同初始水的质量分数下的无盐土体冻结特征曲线具有一致性,粉土相对于粉质黏土更容易达到残余状态. 将理论模型与试验数据进行对比,验证了该模型能够较为合理地预测含盐土体的冻结特征曲线.     

应力主轴连续旋转对冻结黏土变形特性的影响

冻土的变形特性是寒区基础设计中地基变形稳定性验算的重要参数,且随应力方向改变而发生变化,现有研究中鲜有考虑应力主轴方向变化对冻土变形特性的影响。为此,采用冻土空心圆柱仪,对冻结黏土开展一系列纯应力主轴单向旋转试验,探索应力主轴方向角α旋转速度及旋转方向对冻结黏土变形特性的影响规律。结果表明：纯应力主轴旋转中,即使不改变应力幅值,也会在冻结黏土中产生塑性变形,变形过程中应变峰值滞后于应力峰值;α旋转速度会对单向旋转中冻结黏土的轴向应变及剪应变产生较大影响,存在一临界α旋转速度,在该条件下,冻结黏土能较好发挥其承载能力;α旋转方向不同改变了冻结黏土的受力过程,且冻结黏土中形变量越大,α旋转方向对其变形的发展规律影响越明显。滞回曲线特性分析表明,当α旋转速度较小时,会对冻结黏土的强度有较大影响,当α旋转速度较大时,对冻结黏土强度的影响反而会降低。α旋转方向对冻土强度的影响与所受的应力路径参数选取密切相关。     

宁夏红四矿人工冻土力学特性试验研究

为了研究西部冻结岩土的物理力学性质以指导矿井建设,对宁夏红四矿副井井筒检查孔所取土样进行了人工冻结的单轴抗压强度和蠕变试验,得到了其应力——应变和蠕变规律,为西部类似矿井建设,提供了设计基础.     

蠕变对冻土塑性屈服应力的影响研究

作为冻土的一个重要力学参数,塑性屈服应力受诸多因素制约,如冻土温度、含水率和受力状态等。为探究蠕变对冻土塑性屈服应力的影响,引入融土的一维蠕变模型量化研究冻土蠕变对其塑性屈服应力的影响,以青藏铁路沿线具有代表性的黏土作为研究对象,进行了不同时长的蠕变试验和K0逐级加载试验。试验结果表明,针对融土提出的一维蠕变模型在描述冻土蠕变-卸载-加载过程中有很好的适用性。通过试验对比分析和计算结果得知,塑性屈服应力是初始塑性屈服应力、压缩系数和回弹系数的函数,且其对数与蠕变应变(时间)呈线性关系,这一量化关系能够较好地描述冻土塑性屈服应力与蠕变应变(时间)的发展规律。     

一种青藏高原冻结砂土蠕变本构模型

为描述青藏铁路沿线冻结砂土的蠕变特性,建立一个考虑应力和时间耦合的蠕变本构模型.首先进行一系列不同温度、干密度条件下的冻结砂土三轴蠕变试验;其次以Nishihara模型为基础,考虑应力和时间对模型元件的耦合影响,将黏弹性元件中定常的黏滞系数修正为时间和应力的函数,引入损伤变量改进黏塑性元件,构建新的冻结砂土蠕变本构模型;最后基于试验数据验证其科学性.结果表明:试验数据与拟合数据吻合良好,改进模型能较好地描述不同温度和应力水平下冻结砂土的衰减、稳态和加速蠕变特性;改进模型中黏弹性元件的黏滞系数、剪切模量和黏塑性元件的黏滞系数均随温度升高和应力水平增大而减小,损伤变量参数随着温度升高、应力水平增大而增大.成果可为冻结砂土蠕变沉降预测提供一种新的选择,为蠕变理论研究积累资料.     

冻结红层软岩的蠕变特性研究

为研究第三系红层软岩在低温下的蠕变特性。对冻结红层进行单轴蠕变试验,试验结果表明,在应力水平较低时,软岩只存在衰减蠕变,随着应力水平的增大,当超过流变长期强度时,出现了非稳定蠕变;同时,随着温度的降低,软岩的瞬时应变量和蠕变量都会明显减少,而长期强度则有较大幅度的增长,说明温度对软岩及冻结壁的流变性质影响十分显著。引入与时间和应力相关的非线性黏滞系数和时间开关函数,对西原模型进行改进,得到了可以描述加速蠕变的非线性流变本构模型,通过试验数据对冻结红层软岩的参数进行了辨识。将流变模型嵌入到abaqus有限元程序,并对井筒开挖进行数值模拟,获得冻结壁最大位移与时间曲线,通过与实测值进行比较,两者较为吻合。可见,建立的流变模型能够很好的描述冻结红层软岩的蠕变规律。     

冻结层状红砂岩三轴蠕变特性及本构模型研究

为探讨冻结、三轴应力条件下层状红砂岩蠕变失稳规律,采用自主研发的DRTS-500型动力扰动低温岩石三轴试验系统对-10℃,围压为8MPa下不同节理面倾角的层状红砂岩进行三轴压缩试验和三轴蠕变试验,建立了冻结层状红砂岩三维蠕变模型.结果表明:冻结层状红砂岩轴向初始蠕变特性、非线性蠕变特性以及蠕变破坏形式受层理方向影响显著;所提出的新模型可以精确描述冻结层状红砂岩在三轴压缩条件下的轴向、径向蠕变全过程曲线,且该模型在描述初始蠕变阶段和非线性蠕变阶段时优于经典西原模型和改进西原模型.研究成果对西北地区层状岩层中立井冻结法施工时冻结岩壁支护时间、非线性变形预测以及井筒安全性评价具有一定的参考价值.     

等应变率加载下冻土粘弹塑性应力应变本构模拟

借助模型分析,通过等应变率下对不同含水量、不同温度的兰州粉结冻土试样在单轴加载条件进行应力测试,得到应力应变曲线。根据粘弹塑性体模型,结合试验曲线特征,选择应力应变的方程形式。以其中一个组典型的试验结果为例进行拟合数据处理,获得拟合的应力应变曲线,确定方程中的参数。再将方法用于不同情况下的实验曲线处理,得到10％和20％两种含水量：-10℃和-20℃两种试验温度下冻土试样的测试的应力．应变三阶段全过程本构方程。结果表明,由此得到的方程能很好地描述冻土的材料特性。     

强风化千枚岩填料的蠕变特性研究

为了研究千枚岩填筑路基在长期应力作用下产生的蠕变变形特性,使用杠杆仪进行千枚岩试件的室内单轴压缩试验,得到不同含水率、不同应力条件下应变随时间的变化曲线。对不同含水率下的应变曲线进行分析,可知轴向应变随试件含水率增加而增加,当含水率超过最佳含水率时,应变增加幅度变大;对不同应力条件下的应变曲线分析,随着应力增加,试件蠕变量和蠕变速率显著增大。结果表明:千枚岩填料的蠕变变形是水力耦合作用的结果,在高应力水平和高含水率条件下,千枚岩填料会产生较大的蠕变变形。根据变形曲线建立蠕变的指数衰减模型,发现该模型能较好预测千枚岩填料的蠕变变形。     

含盐冻土冻结温度及导热系数试验研究

为研究粉质黏土含盐量和初始含水率对热物理特性的影响规律,通过开展室内温度试验测得不同含盐量和含水率粉质黏土的冻结温度和导热系数,分析了不同因素对含盐粉质黏土冻结温度和导热系数的影响。结果表明：NaCl含盐粉质黏土冻结温度及过冷温度随含盐量增加均呈线性降低,而Na₂SO₄含盐粉质黏土均先降低后略增加,两种含盐粉质黏土导热系数均随含盐量的增加而减小;冻结温度及导热系数均与初始含水率成正相关关系,低于饱和含水率时含水率对冻结温度的影响占主导作用,超过时含盐量成为主要影响因素,且随着含水率增加两种含盐土导热系数增加速率均变缓。同时给出了不同条件下冻结温度和导热系数的经验公式,将水-盐-温度变量与冻结温度和导热系数建立起联系,为含盐土壤分布地区工程建设提供参考。     

人工冻土蠕变非定常开尔文模型

为了更好地描述人工冻土的蠕变特性,将广义开尔文模型中的经典Newton黏壶中的黏滞系数定义为与时间有关的非定常参数,通过推算得到非定常开尔文模型,用粒子群优化算法识别模型中的参数。非定常开尔文模型能模拟不同应力下的蠕变试验数据,效果都很好,充分说明了该模型的合理性。目前采用非定常开尔文模型来研究人工冻土的蠕变规律的很少,此方法的提出为人工冻土领域的计算开辟了新思路。     

冻融状态下粉质黏土电阻率、未冻水含量及温度关系

以冻结工程现场所取的粉质黏土为研究对象,监测了粉质黏土冻融过程中的电导率、未冻水体积分数、温度随时间的全过程变化,研究了粉质黏土的电阻率、未冻水含量及温度的关系,并提出了冻结粉质黏土电阻率模型,得到了其电阻率与未冻水体积分数(θ)的理论关系.试验研究表明：在粉质黏土冻结过程中,不同初始含水率的土样在相变点之前,土样的电导率随温度的阶梯变化而同步变化,在相变点之后,电导率随θ的变化而同步变化,土样相变点处的电导率、θ和温度都有明显的突变特征.土样在冻融过程中的电阻率和未冻水含量随温度的变化具有相似性,且都存在“滞后”现象.随着初始含水率的增加,土样冻结(或融化)过程中的电活化能整体呈增长趋势;土体在冻结过程中的电活化能明显大于融化过程中的电活化能,土体冻结和融化过程中的电活化能的变化可反映出电阻率的“滞后”现象,且土样冻结和融化过程中的电活化能的差值大小可反映电阻率的“滞后”程度.基于冻土电阻率模型,考虑孔隙水传导路径的曲折性和水分分布的不均匀性,并结合冻结温度位置后的粉质黏土的试验数据,得到了其电阻率与未冻水含量的关系方程.     

人工冻结的杭州饱和软土的单轴抗压强度特性

对人工冻结的杭州典型的饱和软土进行单轴抗压强度试验,分析了强度曲线的特征,得到冻结的杭州饱和软土强度随冻结温度,应变速率,土样干密度的变化规律,其结论对用冻土壁作为基坑围护的开发应用具有实际意义。