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。     

线性降温对土中分凝冰形成影响的试验研究

对分凝冰现象的研究是理解冻土中各类复杂现象的关键。为研究上覆荷载作用下,线性降温模式的分凝冰形成规律,利用高低温交变箱,进行开放系统下土体的一维连续冻结试验。选取3个冷端初始温度,3个上覆荷载进行正交试验,比较分析每个试验条件下试样内部温度场的变化规律、冻结锋面随时间的推进规律、冻胀量变化规律以及水分的迁移情况。试验结果表明:上覆荷载越小,冷端初始温度越低,土样内部温度越低,含水率越高,冻胀量越大。     

变温幅度和间歇时间对土体冻胀影响的试验研究

选取冻胀敏感性粉质黏土,利用人工冻土一维冻胀试验系统进行不同变温幅度和间歇时间作用下的后间歇冻结试验,以试样冻深达到稳定阶段为初始时刻分析冻结锋面、冻胀量及温度梯度变化曲线,得到冷端变温幅度和间歇时间对土体冻胀的影响规律.结果表明:不同变温幅度作用下的冻结锋面、冻胀量曲线呈周期性变化,变化周期为240 min,与间歇时...     

饱和粉土冻胀过程试验研究及数值模拟

 为了研究温度梯度、冻结速率、土样高度和竖向压力对冻胀的综合影响,在不同试验条件下对饱和粉土进行了一系列一维土柱冻胀试验,试验中测量土样温度、竖向压力、冻胀量和补水量。试验结果表明：在温度场处于准稳态时,冻胀速率与温度梯度成正比例增长关系,冻胀速率随着竖向压力增大而线性减小;定义比冻结速率为冻结速率与土样高度之比,当温度场处于瞬态时,冻胀速率随比冻结速率成幂函数增长,增长率随着比冻结速率增大而减小。提出了综合考虑温度梯度、冻结速率、竖向压力和土样高度的冻胀计算公式,在此基础上推导了考虑水分迁移的冻土热扩散方程,提出了模拟冻胀和温度变化的数值模拟方法,通过一个数值算例计算了冻结过程中的温度和冻胀量变化,并与实测结果对比验证了该方法的可靠性。     

基于未冻水膜压力判据的冻土水热力耦合冻胀模型研究

冻胀融沉是多年冻土区的主要病害,其受水分场、温度场、应力场的复杂耦合作用影响。基于水膜理论提出了冻土未冻水膜压力作为冰透镜体生成的判据,并重新对水分迁移驱动作用进行描述,建立了以温度、土体孔隙比为变量的全耦合模型。通过考虑已冻区冰基质的影响,推导了涵盖原位冻胀与冰分凝两部分的冻胀量计算公式。基于Matlab和COMSOL Multiphysics的联立平台,提出了模型冰透镜体实时分布的数值求解方法,实现了冻土温度、水分、应力、冰透镜体分布的全耦合数值求解。通过与室内土柱冻结试验及现有水热力模型（Thermal-Hydraulic-Mechanical,又称THM模型）冻胀量结果进行对比分析,证明了温度、含水率与冻胀计算上的可靠稳定。最后通过探讨温度梯度、上覆压力、渗透系数与压缩模量对土柱冻结的影响发现,温度梯度能显著增加土体冻胀量,上覆压力会导致更多水分向冻结锋面迁移,但对冻胀量起着抑制作用,渗透系数与压缩模量均对冻胀量产生正影响。为冻胀理论研究与数值实现提供了新思路。     

单向冻结时开放条件下饱和砂岩冻胀试验及THM耦合冻胀模型

为研究寒区岩石在梯度温度场中补水条件下的冻胀变形规律,进行了单向冻结时开放条件下饱和砂岩冻胀试验。试验结果表明,单向冻结时开放条件下饱和岩石冻胀过程中,沿冻结方向的冻胀位移变化过程可分为冷缩阶段、原位冻胀阶段、分凝冻胀阶段3个阶段。分凝冻胀阶段冻结锋面趋于稳定,冻胀变形持续增长,与时间基本呈线性关系。此外,分凝冻胀阶段补水量换算的迁移水分凝冻胀位移与冻结方向冻胀位移比较接近。随着平均温度梯度增大,分凝冻胀变形速率增大,且分凝冰位置与平均温度梯度线性相关。然后,建立了考虑孔隙水原位冻胀与迁移水分凝冻胀的THM耦合冻胀模型。模型中,孔隙水原位冻胀计算基于未冻水含量,并引入约束系数表征岩石骨架对孔隙水冻胀约束程度;迁移水分凝冻胀计算基于分凝势理论,水分迁移速率与冻结缘处的温度梯度成正比。模型计算结果与试验结果对比表明,建立的THM耦合冻胀模型能够比较准确地计算单向冻结时开放条件下饱和岩石冻胀位移,并能够模拟出分凝冻胀时分凝冰层引起的位移突变及分凝冰位置,可用于寒区冻胀敏感性岩石开放条件下冻胀变形计算。     

土体冻胀敏感性评价

 假定冻胀是由冻土内冰透镜体的生长引起的;冰透镜体的生长由热力学Clapeyron方程控制,并且依赖于已冻结区与未冻结区之间冻结缘是否存在。未冻水和冰共存于冻结缘的孔隙中;冰水交界面处的吸力使水产生流动,并为冰透镜体的生长补给水分。同时,通过定义1个新的简单的“有效应力”的概念,来判断是否会萌生新的冰透镜体,并提出1个简单的冻胀模型。该模型仅通过几个简单的土的参数,就可以计算土体冻胀量及冻结深度。在此基础上,利用所建立的模型对不同土的冻胀敏感性进行分析。土的冻胀敏感性必须结合环境条件来评估,如上覆压力、温度梯度、降温速率及地下水位埋深等;而某些土在传统的分类中属于弱冻胀土,但在一定环境条件下,仍会产生显著的冻胀量或冻胀压力。     

人工冻结作用下淤泥质黏土冻胀特性试验研究

冻结法施工在上海软土地区隧道附属设施建设中(如隧道旁通道、地下泵房等)得到较多地应用。上海地铁隧道一般位于第④层饱和淤泥质黏土层中,饱和淤泥质黏土层冻胀变形使地铁隧道管片破裂、渗水或漏泥,严重影响隧道管片质量与地铁安全运营。以上海第④层饱和淤泥质黏土为研究对象,通过室内冻胀试验,研究冷端温度对土体的冻胀力以及冻胀率的影响规律,结果显示土样冻胀率以及冻胀力与冷端温度具有较好的线性关系。通过冻结温度试验测出了土体的冻结温度,同时建立了第④层饱和淤泥质黏土的冻结温度场,进一步揭示了冻结锋面的发展与时间的关系。研究成果为上海地铁隧道冻结法设计、施工与地铁安全运营提供了有价值的参考。     

土体冻胀敏感性评价

假定冻胀是由冻土内冰透镜体的生长引起的;冰透镜体的生长由热力学Clapeyron方程控制,并且依赖于已冻结区与未冻结区之间冻结缘是否存在。未冻水和冰共存于冻结缘的孔隙中;冰水交界面处的吸力使水产生流动,并为冰透镜体的生长补给水分。同时,通过定义1个新的简单的"有效应力"的概念,来判断是否会萌生新的冰透镜体,并提出1个简单的冻胀模型。该模型仅通过几个简单的土的参数,就可以计算土体冻胀量及冻结深度。在此基础上,利用所建立的模型对不同土的冻胀敏感性进行分析。土的冻胀敏感性必须结合环境条件来评估,如上覆压力、温度梯度、降温速率及地下水位埋深等;而某些土在传统的分类中属于弱冻胀土,但在一定环境条件下,仍会产生显著的冻胀量或冻胀压力。     

寒区输水渠道衬砌与冻土相互作用的冻胀破坏试验研究

寒区输水渠道冻胀破坏直接影响着工程安全及效益发挥,基土冻胀变形及其与结构相互作用共同导致衬砌冻胀破坏发生。采用低温室循环供冷,模型槽底部砂砾石层补水,设计衬砌渠道低温冻胀模型试验,研究渠基土体的温度场、水分场、变形场和衬砌位移之间动态耦合规律,对比观测了冻融试验前后渠基土横剖面物理性状的变化。研究表明:引起基土冻胀变形的水分迁移量及结冰量受温度梯度、冻结速率控制,也受土体初始含水率的制约;渠道断面形状影响渠道的温度边界和热传导,使各部位冻结速率及冻胀变形不一致。渠基土冻结过程中兼有冻胀和挤密,土体受挤压程度同样受渠道衬砌及断面形状的影响,土体内应力复杂。渠基土冻胀与衬砌位移不协调,导致渠底衬砌与土体脱空且偏心受拉。土体冻结时与衬砌间形成接触分凝冰层,传递作用力;温升融化时,接触分凝冰层消融,表层土体强度丧失,造成渠坡滑动失稳破坏和衬砌结构大面积的滑塌。     

低温冻融条件下岩体温度–渗流–应力–损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用

 寒区隧道的围岩冻胀问题涉及到岩体温度场、渗流场、应力场以及冻融损伤相互作用的多场耦合问题。在THDM耦合机制分析基础上,基于连续介质力学、热力学、渗流力学、损伤力学以及分凝势理论,建立低温冻融条件下岩体THMD耦合模型。该模型不仅考虑体积应变对岩体温度场和渗流场的影响,温度梯度和渗透压力对岩体应力场的影响,还根据寒区工程实际,考虑冻胀压力和冻融循环对岩体劣化损伤的影响。数值仿真某寒区管道工程的冻胀过程,与现场的实测结果对比表明：该模型能很好地反映岩土体由于负温所产生的冻胀现象。在此基础上,分析极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力的变化规律,并对隧道在经历不同冻融循环次数后的变形和受力特征进行探讨。研究结果表明：极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩的最大冻胀力达到1.6 MPa,冻融循环对隧道衬砌受力影响较大。     

Frost heave and freezing processes of saturated rock with an open crack under different freezing conditions

Frost heave experiments on saturated sandstone and tuff with an open crack are conducted under uniform and unidirectional freezing conditions. Frost heave of crack in sandstone with high permeability is more significant under uniform freezing condition than that under unidirectional freezing condition. However, frost heave of crack in tuff with low permeability is more significant under unidirectional freezing condition. To illustrate the reasons for this phenomenon, a numerical model on the freezing processes of saturated rock with an open crack considering the latent heat of pore water and water in crack is proposed and confirmed to be reliable. Numerical results show that a frozen shell that blocks the migration of water in crack to rock develops first in the outer part of the rock before the freezing of water in crack under uniform freezing condition. However, the migration path of water in crack to the unfrozen rock under freezing front exists under unidirectional freezing condition. The freezing process and permeability of rock together determine the migration of water in crack and lead to the different frost heave modes of crack for various permeable rocks under different freezing conditions. The frost heave modes of crack in rock with low or high permeability are similar under uniform freezing condition because water migration is blocked by a frozen shell and is irrelevant to rock permeability. For high permeability rock, the frost heave of crack will be weakened due to water migration under unidirectional freezing condition; however, the frost heave of crack would be more significant for low permeability rock because water migration is blocked under unidirectional freezing condition. Therefore, the freezing condition and rock permeability determine the frost heave of rock with crack together, and this should be concerned in cold regions engineering applications.     

基于冻土正交各向异性冻胀变形的隧道冻结期地层位移数值分析

 针对隧道水平冻结法施工的特点,综合考虑地层温度、地表对流等各类初始和边界条件及土体的相变潜热过程,建立隧道水平冻结温度场的数学模型。定义土体的冻胀率为瞬时体应变,考虑冻土的正交各向异性冻胀变形特征,即冻胀变形主要发生在沿热流方向(温度梯度方向),引入变形特征系数的概念,从而导出土体温度降至冻结温度后而产生的瞬时热应变分量(冻胀应变分量),并建立地层冻胀的弹塑性热力耦合数学模型。基于ABAQUS有限元软件的二次开发技术,编制冻土正交各向异性冻胀变形的用户子程序,从而提出隧道水平冻结期地层位移的热力耦合数值分析方法。将该方法应用于某浅埋大断面地铁隧道水平冻结工程中,获得地层冻结温度场和冻胀位移场的分布规律,并与现场实测结果相比较,验证数值分析方法的可靠性,同时表明地层位移分析中考虑冻土正交各向异性冻胀变形特征的必要性。     

低温饱和岩石未冻水含量与冻胀变形模型研究

 寒区岩石在季节性温度变化下会经历冻胀融缩过程,研究低温岩石中未冻水含量以及冻胀变形规律是进行寒区工程数值仿真和稳定性分析的关键问题。岩石是不同于土体的脆性多孔介质材料,孔隙中的未冻水含量还无法通过实验直接测量;基于累计孔隙体积分布规律,考虑孔隙水的冻结点变化和未冻水膜的影响建立低温岩石未冻水含量理论表达式,实例证明该计算式具有较高的可靠度。假定岩石为弹性孔隙介质,基于孔隙冰与岩石孔隙间的膨胀耦合关系可计算冰压力;利用应变等价原理将孔隙中的冰压力等效为岩石表面的三向拉应力,从而根据弹性理论建立了有效冻胀力下低温饱和岩石冻胀变形模型。结果表明饱和岩石低温冻胀变形与岩石基质的力学参数、岩石孔隙率以及未冻水含量等因素有关。最后通过与2个已有的室内冻胀变形实验对比,说明本文冻胀变形模型的正确性以及实用性。     

冻土冻胀及其对管道的作用分析

在冻土区敷设长输管道需要考虑冻土冻胀对管道的作用,以防止管道出现过大的应力或应变而危及管道的安全运行。针对冻土冻胀作用对管道的影响提出了分析计算方法,包括冻土冻胀量计算、管道周围温度场计算模型、管道与土壤的相互作用模型以及基于应变的管道失效判据。其中,冻土冻胀量的计算主要基于冻土分凝势和蠕变,温度场模型根据考虑地面环境温度变化和管输介质的温度,管道与土壤的相互作用模型计算差异冻胀情况下管道的应力与应变。计算分析了在温度降低过程中土壤的冻结深度和冻胀位移,以及管道在冻胀作用下的变形,结果表明,冻土差异性冻胀引起管道弯曲变形,其最不安全位置发生在两种土壤的交界处附近。     

人工冻结冻胀速率试验研究(英文)

研究了不同实验条件下原状和扰动粉黏土人工冻胀速率的发展特点,并对试验结果进行了对比分析。同时还分析、总结了各种试验因素对人工冻胀速率的影响。针对粉黏土冻胀速率的研究,共进行了12组人工冻结试验,试验中所采用的各种影响因素如下:两种人工冻结冷端温度模式--正弦变化冻结温度和恒定冻结温度,三个不同人工冻结方向--竖向冻结、侧向冻结以及复合冻结(竖向-侧向冻结),不同含水率--23.5%、28%和32%,不同水分补给条件--开放体系和封闭体系。试验结果表明:季节冻土层的存在将减少或是抑制由人工冻结所引起的二次冻胀的发展。研究结果将为人工冻结实际工程,特别是在季节冻土区的人工冻结工程提供重要的理论指导。     

土工袋防渠道冻胀模型试验研究

为研究土工袋在寒冷地区的防渠道冻胀效果,开展了冻融循环作用下土工袋处理渠道和常规渠道模型试验,研究了土工袋处理渠道和常规渠道的冻胀量、融沉量、含水率和温度随时间的变化规律。试验结果表明：冻融循环作用下土工袋处理渠道防冻胀效果显著,同时揭示了土工袋防渠道冻胀机理,即土工袋通过抑制毛细水、薄膜水上升、加筋作用达到防冻胀效果,为寒区渠道防冻胀提供理论依据。