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Q₃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。     

冻融循环下含水率对粉质黏土力学性质影响试验

为研究初始含水率对土体力学性质冻融循环效应的影响规律,以青藏高原粉质黏土为对象,进行不同含水率、围压及冻融次数条件下的三轴试验.结果表明:冻融循环使得不同初始含水率试样的应力-应变曲线趋于接近,低含水率试样的力学性质表现为劣化,在一定范围内,含水率越高,劣化效果越显著;当含水率增加至某一值后,一般为接近塑限时,冻融循环效应则表现为强化;封闭条件下土体冻融循环中的水分迁移会引起含水率的增减分区分布,且初始含水率越高,水分迁移量越大;土体破坏强度随含水率的增加以非线性规律减小,因此试样冻融循环后含水率增大区和减小区的强度变化幅度不同,会引起破坏强度增大、减小及不变等3种不同的变化趋势;冻融循环下土体力学性质会受到干密度、水分重分布及土体结构改变等多方面的影响,初始含水率和冻融次数不同,占主导地位的因素也不同,冻融循环效应就相应地呈现出多样化特征.     

冻融循环对含砂粉土力学性质的影响

为了探究多年冻土区地表层的土体在冻融循环过程中力学性质的变化,通过对不同环境冷却温度、压实度、冻融循环次数、含水率和围压下的含砂粉土试样进行室内不固结不排水三轴试验,研究冻融循环后土体应力-应变关系曲线、破坏强度、弹性模量、抗剪强度参数的变化规律,然后借助正交试验的显著性分析理论,研究以上因素以及各因素间交互作用对破坏强度和弹性模量的影响程度.结果表明:含砂粉土的破坏强度和弹性模量随冻融循环次数增加,在围压300 k Pa或冷却温度-5℃的情况下呈先增加后减小最后稳定的趋势,且在冻融循环3次后达到最大值;随冻融循环次数的增加,内摩擦角在冷却温度为-5℃的情况下逐渐减小并趋于稳定,在冷却温度为-10℃和-15℃的情况下先增加后减小最后趋于稳定;围压、含水率、压实度、冻融循环次数对破坏强度和弹性模量影响显著,冷却温度的影响较弱,压实度和含水率、冻融循环次数和围压的交互作用对破坏强度影响显著.综上分析得出,在研究冻融循环对土体力学性质的影响时应综合考虑各因素及其之间的交互作用.     

饱水红砂岩冻融特性试验研究

以西北地区多孔隙、易风化典型红砂岩为研究对象,研究冻融作用对红砂岩力学特性影响,分别测定1,2,3次冻融后不同围压条件下,常温/负温红砂岩物理力学参数.试验结果表明:1)3次冻融后,红砂岩表面未产生剥落或开裂现象,但孔隙率和损伤变量增大;2)随冻融次数增加,红砂岩强度和黏聚力逐渐减小,摩擦角增大,负温条件下红砂岩强度和黏聚力始终大于常温条件;3)强度影响系数随冻融次数增加而减小,随围压增加而增大,影响系数大于1时,围压对红砂岩强度的增强作用大于冻融对岩石强度的损伤作用;4)冻融后常温红砂岩压缩破坏主破裂面断面粗糙,有颗粒剥落,产生多条裂纹,破碎严重;负温红砂岩压缩破坏主要为单破裂面剪切破坏,无次裂纹产生.依据以上研究成果,建议冻结工程选用低发热的水泥和炸药,减少冻结壁暴露时间.     

季冻黄土地区框锚边坡预应力锚杆内力计算方法

冻融土体与锚杆之间相互作用机理研究的不足,导致工程实践中未能充分考虑土体冻融对锚杆内力的影响。针对该问题,基于西宁市季冻湿陷性黄土冻融循环三轴剪切试验,建立考虑冻融次数影响的湿陷性黄土黏聚力经验关系式;根据锚固体与周围土层的变形协调关系,推导冻融条件下框架预应力锚杆锚固段轴力和剪应力的解析式,将理论计算结果与现场试验结果进行对比验证,并分析冻融次数对锚固段轴力和剪应力的影响。结果表明：随冻融次数的增加,土体黏聚力呈指数型下降,锚固段轴力和剪应力在前3次冻融循环中急剧增大,冻融次数达到7次后趋于稳定;相较锚固段末端,锚固段始端轴力受冻融次数的影响更大,但锚固段始端至末端的剪应力随冻融次数的变化规律基本相同;现场试验结果验证了计算方法的合理性。     

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。     

冻融作用对原状黄土抗剪强度的影响规律

以西宁市某区域内原状黄土为研究对象,设计封闭系统下的三向慢速冻结试验、恒温恒湿的融化试验以及三轴剪切试验。基于土的莫尔-库伦强度理论,利用抗剪强度包线求解黏聚力和内摩擦角,研究不同冻融温度梯度下抗剪强度指标的变化规律。结果表明：随着温度梯度增大,黏聚力衰减速度显著,衰减为极小值时的最不利冻融温度梯度为-15~15℃;冻融黄土的黏聚力与冷端温度、融化温度有关;较低含水率和较小冷端温度耦合作用或较高含水率和较大冷端温度耦合作用时,与冷端温度相比,融化温度为主导影响因素。随着冷端温度的增大,不同含水率试样的黏聚力降低幅度呈先减小、后增大的规律,最不利的含水率为18.34%。内摩擦角呈现出不规律性波动,变化幅度约为0~14°。由试验数据拟合出黏聚力随冷端温度和含水率变化规律的计算式,经试验验证,计算式能较好地描述其变化特性。     

黄土地区边坡冻融剥落病害机理及稳定性分析

通过现场调研、室内冻融试验及计算分析开展了黄土边坡冻融剥落病害机理及稳定性的研究.结果表明:冻融剥落病害分为表层冻融剥蚀、冻融层状剥落及微型冻融崩塌.随着冻融次数的增加,粘聚力呈指数衰减趋势;随着含水率的增加,粘聚力显著减小且在经历冻融后与含水率的变化曲线近似重合;而随着冻融次数的增加,内摩擦角并无明显变化,随含水率增加,内摩擦角呈线性衰减特征,但衰减幅度不大.安全系数随冻融次数增加亦呈指数衰减趋势,随剥落体含水率增加显著降低且冻融后安全系数与含水率的变化曲线近似重合,随冻融深度增加呈指数衰减趋势且含水率很高时其指数变化规律不明显.     

冻融对粉砂土力学特性及路堤边坡稳定性的影响

为研究粉砂土路堤在冻融循环作用下的力学特性以及采用粉砂土填筑的路堤边坡稳定性,基于静三轴试验,研究了不同含水量状态下,季冻区粉砂土在经历不同次数冻融循环后的粘聚力、内摩擦角等宏观力学特性的变化规律。以此为依据,采用有限元数值模型,针对不同坡度和不同填土高度对应的粉砂土填方路基,进行了冻融循环作用对边坡稳定系数的影响规律研究。研究结果表明:随含水量增大,冻融循环次数对粉砂土粘聚力的影响程度逐渐增强,当含水量较大时,粘聚力下降70%～80%;随冻融循环次数增加,粉砂土内摩擦角先降低,后略有增大;随含水量增大,冻融循环对粉砂土内摩擦角的影响有减弱趋势;冻融循环作用可使粉砂土路堤边坡稳定系数明显降低,冻融后的边坡稳定系数最大降幅可达到冻融前的49%;季冻区粉砂土路堤的最大填土高度不应超过4 m,小于3 m的填方路堤,极限坡度不应陡于1∶1.5,超过3 m的极限坡度不应超过1∶2.5。     

砂黄土塔基边坡破坏机理研究

以陕北定边县砂黄土塔基边坡为研究对象,通过室内试验手段研究了砂黄土的物理力学特性,并与西安粘黄土的物理力学性质进行了对比。在此基础上,借助有限元软件MIDAS模拟不同工况下塔基边坡的应力应变特征,进而揭示了砂黄土地区塔基边坡的破坏机理。结果表明:砂黄土的天然密度与干密度较低,孔隙比较高,粗粉粒含量较多,摩擦强度明显较大,粘聚力较小;有限元模拟表明,随着影响因素的增加,坡肩拉应力不断增加,坡脚剪应力不断集中,边坡稳定性逐渐减小,最终形成潜在滑动面并发生破坏,其中风荷载和降雨是影响边坡稳定性和应力应变的主要因素。     

冻融对AS型固化剂改良土工程特性的影响

通过室内动静三轴试验,研究了Aught-Set（AS）型土壤固化剂改良土的抗冻融耐久性,分析了AS型固化剂改良土的应力应变关系、静强度、动模量和临界动应力与龄期、冻融次数以及冷却温度等影响因素的相互关系。结果表明,试样的7d无侧限抗压强度达到28d的75%;AS型固化剂改良土的应力应变关系为应变软化型曲线,呈脆性破坏形式;其静强度、临界动应力以及动回弹模量均随冻融次数增加呈指数形式衰减,且经历6次冻融后均趋于稳定;同一动应力水平下,冻融作用使得试样的累积塑性变形由变形稳定状态向变形破坏过渡;试样在经历多次冻融循环以后,负温越低对试样的力学特性影响越小。     

水泥改良西藏林芝地区粉土路用性能试验研究

为解决西藏林芝地区路基填料问题,对林芝地区粉土进行水泥改良处理并进行击实试验、CBR试验、无侧限抗压强度试验和冻胀融沉试验,研究不同水泥掺量对改良土的最大干密度、最优含水率、CBR值以及冻融循环下改良土的物理力学性质的影响。试验结果表明:不同掺量的水泥改良粉土的最优含水率几乎不变,最大干密度随掺量增加缓慢增大;在冻融循环作用下水泥改良粉土仍为脆性破坏模式,水泥改良粉土的第5次冻融后和第10次冻融后的单轴应力应变曲线几乎趋于重合,在实际工程中可以以冻融循环5次后的强度作为水泥改良土的设计参考强度;在考虑冻融循环作用下,西藏林芝深厚粉土区域二级公路上路床粉土填料的最优水泥掺量为4%以上。     

南方短时冻土抗剪强度指标C、φ值的试验研究

以2008年南方地区发生的极端冰雪灾害使土体短时冻结并融化后造成的地质灾害为背景,通过模拟极端冰雪环境,研究在短时冻结-解冻条件下,冻融作用、温度和含水量等因素对南方地区粉质粘土的抗剪强度指标C、φ值的影响.对不扰动土及重塑土试样进行大量直接剪切试验和环境扫描电镜试验,试验发现冻融前后土的C、φ值和微观结构均有一定的变化,并分析了正冻结土与正解冻土在不同温度及含水量下C、φ值的变化规律.     

季冻区土坡冻融界面土体的抗剪强度参数衰减

季节冰冻区土质边坡在春融期经常发生浅层滑坡,现象表明:一般情况春融期滑坡面位于冻融土体交界面处,冻融界面处的土体抗剪强度直接影响该地区土坡稳定性.设计不同配比材料形成冻融界面的抗剪强度模型试验,得到对应不同土体含水量以及冻融循环次数条件下的剪应力,计算出不同含水量和不同冻融次数条件下对应的c,φ值,依据试验结果提出冻融界面土体抗剪强度参数值随着含水量和冻融次数变化时的损伤模型.研究结果表明,抗剪强度参数随该两影响因素的增加而发生损伤.     

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。     

冻融条件下粉质黏土中吸附水和自由水动态变化规律

为了研究粉质黏土中吸附水和自由水在冻融时的动态变化特征,探索土体冻融过程中土水之间物理过程。采用新型分层核磁测量技术,开展了含水量（质量分数）分别为21.1%,16.8%和12.0%的粉质黏土在封闭条件下的冻融试验,并采用电子显微镜扫描了冻融后不同深度土体的微观结构。试验结果表明:随着土体冻结过程持续,不同深度土体中自由水和吸附水均减少,且冻结区和非冻结区的自由水相对减少量均大于吸附水相对减少量;土样融化时不同深度土体中自由水和吸附水均增加;此外冻融作用导致冻结区吸附水减少,自由水增加;而未冻结区的吸附水和自由水均减少;冻融后冻结区的孔隙数量和孔隙体积增加,而未冻结区孔隙数量和孔隙体积减小。冻结过程中土体吸附水和自由水动态变化差异与水分子作用势的不均匀空间分布有关;冻融前后土体吸附水和自由水的重分布是水分迁移和土体微观结构变化共同作用的结果。     

冻融环境作用下RC剪力墙抗震性能试验

为了解冻融环境作用下RC剪力墙的抗震性能,采用人工气候实验室对6片剪跨比为2.14的RC剪力墙试件进行冻融循环模拟试验,而后对其进行拟静力加载试验,得到了不同混凝土强度等级和不同冻融循环次数下冻融试件的滞回曲线,绘制出各个试件的骨架曲线,分析了混凝土强度和冻融循环次数对冻融试件强度、刚度、延性、耗能能力等抗震性能指标的影响.结果表明:相同混凝土强度的RC剪力墙随冻融循环次数的增加,承载力、位移延性系数和塑性转角显著降低,强度衰减和刚度退化幅度增大,累积耗能不断减小,抗震性能降低;经相同次数冻融循环的RC剪力墙随混凝土强度等级的提高,承载力和累积耗能增加,强度衰减和刚度退化幅度降低,而延性则先增加后减小,说明提高混凝土强度等级可改善冻融后RC剪力墙的抗震性能.