多次冻融条件下土体的融沉性质研究

以青藏铁路那曲物流中心站场路基填料为研究对象,通过室内试验深入研究和分析了压实度、荷载以及冻融次数对土体融沉性质的影响规律。研究结果表明：第1次冻融过程中压实度大的试样的冻胀融沉量小,而经历多次冻融后压实度大的试样的冻胀融沉量则变大;多次冻融后较大压实度的试样表现为隆起变形,而较小压实度的试样则表现为压密变形,即不同压实度试样在经历多次冻融后压实度趋于某一定值;存在一临界压实度值,该值下多次冻融后试样高度不发生变化;荷载的压密作用在抑制冻胀变形的同时也加剧了试样的融沉变形,总体变形量随荷载的施加和增大而增大;补水条件下多次冻融后试样的含水率远远大于初始含水率,因此应做好防排水措施;外界水源补给量随冻融次数的增加而减小,并在经历3次冻融后达到稳定,且冻结过程中的补水量远远大于融化过程中的补水量;融沉系数随冻融次数的增加先增大而后减小并在经历5次冻融后趋于稳定,因此可将5次冻融后的融沉系数作为评价土体融沉性质的指标。     

多年冻土区粉质黏土融沉特性试验研究

以国道322库—根公路工程为依托,通过对沿线多年粉质黏土冻土原状样进行融沉试验,分析了融沉系数随含水率、干密度的变化规律,发现弱融沉以上等级的粉质黏土冻土原状样的融沉系数随含水率的增大而增大、随干密度的增大而减小的规律,进而提出了多年冻土区粉质黏土路基的治理思路,为极寒地区多年冻土路基融沉治理提供了理论参考与科学依据.     

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。     

淮南弱膨胀土融沉特性研究

采用自行研制的冻胀融沉试验系统,对淮南弱膨胀土进行不同荷载、含盐率等条件下的融沉实验。结果表明：荷载对融沉量的影响巨大,在一定范围内,当外部荷载越大时,土体的融沉量就越大;融沉系数与含水率呈正相关,与冻结温度呈负相关;融沉系数随着干密度的增加先减小后增大的,且存在一个临界干密度对应着土体的最小融沉系数;当土体添加了硫酸盐后,由于盐胀的发生,融沉系数反而随着含盐量的增加而增加。研究结果可为富含弱膨胀土地区人工冻结法设计提供参考。     

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。     

辽西地区风积土冻融特性与冻融过程结构性演变规律试验研究

 介绍新型冻融试验装置及其应用情况,并利用该试验装置对辽西地区典型风积试样在不同温度梯度、荷载和水分补给条件下进行冻融试验,从而揭示风积土冻胀与融沉规律。试验结果表明：随着温度梯度的增大,最大冻胀量和融沉值有不同程度的减小;无论在封闭系统还是在开敞系统中,外力的存在都对冻胀起到抑制作用,融沉值也会随着荷载的增大而减小;外界水分的补给会使最终冻胀量和融沉值都显著增加。风积土在冻融作用下产生冻胀融沉变形,宏观力学性质和微观结构也发生相应的变化,主要是由于土的结构性得以改变,也就是冻融作用破坏了土颗粒间的连接力,同时使土颗粒得以重新排列。将冰率作为结构性参数,针对不同水分场和应力场对辽西地区风积土冻融过程结构性演变规律进行研究。     

冻融循环对高含水量黄土压缩变形特性的影响

为了研究不同冻融循环次数下含水量变化对季节性冻土地区高含水量黄土压缩变形特性的影响,以山西阳曲地区高含水量黄土为研究对象,分别进行不同含水率、冻融循环次数的侧限压缩试验,并引入压缩变形系数来表达黄土的压缩变形特性。研究表明,当含水率达到22%时,未经冻融土样表现出明显的湿软特性,随着冻融循环次数的增加,土样的湿软特性逐渐加剧,且冻融循环次数5次之前土样的压缩变形较大;随着含水率的逐级增加,存在一个含水率阈值,使得冻融循环作用对土样的压缩变形特性将产生显著的影响;并通过割线模量法对该黄土压缩变形过程中的应力应变关系进行分析,得出拟合结果。     

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。     

原状和压实黄土持水特性及湿陷性对比试验研究

通过对比研究具有相同初始干密度和含水率的原状和压实黄土,揭示黄土结构对其持水特性和湿陷性影响。利用扫描电镜观察原状和压实黄土微观结构,对试验结果辅助分析。研究显示:压实黄土持水特征曲线进气值较原状黄土大75%。这可能是由于原状黄土中存在超大团粒间孔隙,造成显著的瓶颈效应。另外,原状黄土持水特征曲线的滞回度在低吸力范围(小于7 kPa)较压实黄土大,而在中间吸力范围(7～80 kPa)较压实黄土小。这是由于原状和压实黄土经历不同脱—吸湿历史。对于湿陷性,高含水率时(大于18%)原状和压实黄土湿陷系数差别不大,而在低含水率(16%)时,原状黄土湿陷系数大于压实黄土。这是由于原状黄土中存在黏土颗粒胶结,使其具有较大抵抗加载变形能力(竖向应力200 kPa)。随后的注水,导致黏土颗粒胶结作用失效,引起较大湿陷变形。此外,原状黄土屈服应力较压实黄土屈服应力增大的程度随含水率减小而显著增加,这说明了原状黄土的结构性随含水率的降低而显著增强。     

冻融引起黄土隧道洞口段应力变形分析

通过试验获得了原状黄土冻融后的强度参数,并利用有限元方法分析了冻融对黄土隧道洞口段应力及变形的影响。分析结果表明,在冻融作用下,覆土厚度和冻融次数均会对拱顶位移和拱顶上部土体水平压应力产生影响。覆土厚度越大,隧道在开挖和经历冻融后,拱顶沉降也越大;且冻融第1次后对拱顶沉降影响最大。拱顶上部土体水平压应力最大值随覆土厚度的增加而增大;距拱顶较近土体的水平压应力随冻融次数增加逐渐减小,距拱顶较远土体的水平压应力值随冻融次数增加逐渐增大。