冻土超声波波速与冻土物理力学性质试验研究

超声波在介质中的传播速度反映了介质的物理力学性质．运用UVM-2型声速测定仪，测定不同密度的冻结砂土、冻结黄土和冻结粘土在不同温度下的超声波波速(纵波波速和横波波速)。对比分析不同土质的冻土，在温度和密度变化时超声波波速的变化，得出以下结论：土质颗粒的大小及组成成分在土冻结且在温度继续下降的过程中，通过影响结合水含量的变化而影响未冻水含量的变化．从而进一步影响冻土中的超声波传播速度．所以，可以在超声波波速与温度变化和未冻水含量与温度变化的基础上，建立超声波波速与未冻水含量的关系，通过测定超声波波速来量测冻土未冻水含量．密度的变化也影响着冻土纵、横波波速的变化，且冻结黄土的波速受密度变化影响较大，而冻结粘土则较小。冻土土质类型不同．透过它们的纵波波速和横波波速的变化范围也不同，可以通过对比表示压缩和剪切相对幅值的纵横波速比比值，来判定此冻土的土质类型，一般冻结粘土为1．07，冻结黄土为2．15，冻结砂土为0．7。根据弹性理论，泊松比与波速比有关，所以可以直接测量冻土的波速比研究冻土的强度及变形性能．     

超声波法测定冻土动弹性力学参数试验研究

运用UVM -2型声速测定仪 ,测定了不同含水率的冻结砂土、冻结黄土和冻结黏土在不同温度下的超声波波速 (纵波波速和横波波速 ) ;根据弹性理论 ,利用所测得的超声波波速 ,计算了被测冻土试样的动弹性力学参数 (动弹性模量E、动剪切模量G和泊松比 μ)。计算结果表明 :冻土的动弹性模量和动剪切模量随着温度的降低而增加 ,它们之间的规律可用一个统一的方程来描述 ;冻土的动泊松比随着温度的降低而减小 ;在低含水率范围内的冻结黄土 ,其动弹性模量和动剪切模量随含水率的增加而增加 ,在高含水率范围内的冻结黏土 ,它们则随含水率的增加而减少 ;冻土的动泊松比随含水率的增加而增加。     

改性钠羧甲基纤维素加固土冻融性能及损伤机制研究

以改性钠羧甲基纤维素加固土法在季冻区边坡水土流失的治理和应用推广为研究背景,基于室内试验,研究冻融循环次数和冻融低温温度对加固黄土和粉砂土体积、抗剪强度、渗透系数和耐久性的影响规律及加固土颗粒及结构在冻融循环过程中的变化。发现在反复冻融循环过程中,加固黄土和粉砂土的体积和渗透系数随循环次数增加而增大,抗剪强度和耐久性随冻融次数的增加而减小;加固黄土和粉砂土12次冻融循环后试样冻胀体积和抗剪强度随冻结温度降低而减小,渗透系数随温度降低而增大,耐久性随温度降低而减小,但减小幅度随温度降低越来越小;加固黄土作为相对细的土冻胀变形更显著,渗透系数变化更明显,而加固粉砂土作为相对粗的土颗粒间胶结作用更弱,黏聚力变化更显著,两者耐久性受冻融循环影响变化规律相似;M-CMC与颗粒间的包裹吸附胶结增强了土壤结构稳定性,使得黄土和粉砂土随水融次数增加试样含水率不断提高,试样体内液态水凝结成冰晶体时的冻胀作用增强,这是加固土团聚粒发生塑性变形甚至断裂变形的主要原因,导致加固土结构损伤劣化,改良性能受到影响;与此同时,由于M-CMC材料的延展性,使得材料与颗粒间胶结具有"弹性"减缓了冻胀损伤,提高加固土的冻融耐久性。     

超声纵波测量冻土动弹性模量的试验研究

超声波在介质中的传播速度反映了介质的物理力学性质。本文运用普通纵波换能器测定了不同含水率的冻结粉质粘土在不同温度下的纵波和表面波速度,从而测定并计算冻土的动弹性模量和泊松比。其中表面波速度采用的是一种用接收波波峰相关散点回归来计算的新方案,能够有效排除边界和底面反射波的影响。试验和计算结果表明：冻结粉质粘土的泊松比随温度升高和含水率增加而增大;动弹性模量在试验含水率的范围内随含水率的增大而减小。     

冻土动力学参数测试研究

冻土的动力学参数既是工程设计的依据之一,也是数值模拟时不可缺少的参数.本文分析了取自青藏铁路的两种路基土,即粉质粘土和细砂的动弹性模量和动阻尼比变化特征.试验发现,冻结粉质粘土和冻结细砂的动力学参数随频率、温度和含水量的变化规律相同.冻土的动弹性模量随频率的增加或温度的降低而增加.含水量增加时,冻土的动弹性模量先增加后降低,在饱和含水量附近达到最大.冻土的动阻尼比随频率的增加或温度的降低而减小.含水量增加时冻土的动阻尼比略有增加.     

季冻区典型土类动剪切模量阻尼比计算方法

采用专门设计的低温共振柱仪进行试验研究,研究典型土类动剪切模量阻尼比随负温的变化规律及计算方法。提出温度影响系数的概念,并以较为符合实际的固结压力和冻结过程,完成了黏土、粉土与砂土在常温及不同负温下的动力试验,给出了这3种典型土类不同负温下初始剪切模量、剪切模量比和阻尼比的计算公式。结果表明:无论何种土类,负温对其初始剪切模量、剪切模量比和阻尼比都有重要影响,相应的温度修正系数按Boltzmann与指数函数变化,均在0℃到-6.0℃快速变化之后趋于平缓,但变化程度和修正公式中的参数均与土类有关;随温度降低,3种土类初始剪切模量增长十分显著,完全冻结黏土、粉土和砂土分别为常温土初始模量的50倍、25倍和13倍;随温度降低,3种土类参考剪应变降低十分显著,但完全冻结后3种土的动剪切模量降低程度接近;随温度下降,3种土类最大阻尼比均显著减小,完全冻结后的黏土最大阻尼比降幅最大,砂土降幅最小,粉土居中。3种典型土类负温下动剪切模量阻尼比修正公式,其反映的现象和规律与国际上近期成果定性相符。     

金塘海底隧道人工冻土力学特性研究

为获取宁波至舟山铁路金塘海底隧道工程穿越的土层在人工冻结条件下的力学性质,勘察期间,在不同温度和不同含水率条件下,对选取的海底典型的粉质黏土和粉土地层重塑样品,开展了人工冻结条件下的单轴抗压强度试验。试验结果表明:人工冻土的力学性质受冻结温度的影响明显,冻结温度自-5℃降低至-20℃过程中,粉土层和粉质黏土层的人工冻土单轴抗压强度逐渐增大,其泊松比逐渐减小。含水率的不同对粉土层和粉质黏土层的力学性质有一定影响,粉土人工冻土的抗压强度在含水率为30%时最大,粉质黏土试样在含水率为34%时,其抗压强度最大。两种土层在人工冻结过程中均存在最优含水率,超过最优含水率时,人工冻土的强度将逐渐减低。研究成果可为金塘海底隧道冻结法设计和施工提供参考。     

人工冻结砂土与结构接触面冻结强度试验研究

 为探究人工冻结砂土与结构接触面冻结强度影响因素及其规律,揭示冻结强度形成机制,利用自行研制的大型冻土直剪仪开展冻结强度试验研究。结果表明：人工冻结砂土与结构接触面冻结强度受接触面温度、法向应力、粗糙度等因素影响显著;冻结强度均随接触面温度降低而增大,其中极限冻结强度随接触面温度降低而线性增大,残余冻结强度随接触面温度变化呈现持续稳定、先波动后稳定及循环波动3种典型规律;冻结强度均随法向应力增大而增大,其中极限冻结强度与法向应力关系符合莫尔–库仑定律,残余冻结强度随法向应力变化呈现同样3种典型规律;冻结强度均随粗糙度增大而增大,其中极限冻结强度与粗糙度满足对数函数关系,残余冻结强度曲线波动式循环周期随粗糙度增大而增大。进一步揭示接触面冻结强度形成机制,并对残余冻结强度呈现黏滑现象作出合理解释。通过接触面冻结强度多影响因素综合分析,给出极限冻结强度与接触面温度、法向应力、粗糙度的经验公式,可用于预测极限冻结强度值。     

冻结饱和标准砂压缩性试验研究

在寒区进行高速公路和高速铁路等对变形要求严格的工程时,必须考虑冻土的压缩性。以冻结饱和标准砂为研究对象,利用自主研发的冻土侧限压缩仪开展不同温度下的分级加载试验。试验采用-0.5,-1.0,-2.0,-3.0和-5.0℃五级温度,压力分为1,2,3,5和10 MPa五级。根据试验结果得到e–σ_z和e–lgσ_z曲线,求得压缩系数和压缩指数,比较分析室温下的融土试样与不同温度下冻土试样的压缩系数和压缩指数随温度的变化,得到从正温到负温完整温度序列的试验规律。根据前人的模量公式得出相关参数,从而建立公式中参数与温度之间的关系。试验表明:饱和冻结标准砂压缩曲线与常温土相似;在高温条件下冻土的压缩性比较可观;冻土的压缩性受温度的影响十分显著,即压缩系数随温度的升高而增大,呈现指数函数的形式;模量公式中的参数与温度之间可建立一定的定量关系。     

冻结哈尔滨粉质粘土动三轴试验CT检测研究

基于对冻结哈尔滨粉质粘土动三轴试验前后试件CT检测结果，详细研究了冻土的强度、微观变形机制和结构损伤等变化特性及其与试验的负温和围压、土的含水量和容重、轴向荷载的振动频率和振动次数等主要影响因素之间的关系。     

非饱和粉质黏土冻结温度和冻结变形特性试验研究

为掌握冻土冻结变形规律,揭示冻结变形机理,采用自行研制的温控体变仪精确测量不同饱和度、孔隙比土样的冻结变形,为计算冻土的体积含冰量,对非饱和粉质黏土冻结温度进行了测量。室内试验结果及其数据分析表明:(1)非饱和粉质黏土冻结温度(冰点)主要由土样初始基质吸力决定,基质吸力越大,冻结温度越低。(2)非饱和粉质黏土冻结变形随饱和度变化存在两种截然不同的机制,饱和度较低时,冰水相变影响较小,土体呈冻缩特征;饱和度较高时,冰水相变占主导作用,导致土体结构破坏,呈冻胀特征。(3)非饱和粉质黏土冻结体应变与土体体积含冰量和初始孔隙比具有良好的经验关系,可以基于体积含冰量和初始孔隙比预测土体冻结体应变,其中体积含冰量由土体冻结温度、温度、饱和度、干密度计算得到。     

上海粉砂土在人工冻结条件下的导电特性试验研究

在初始含水率和密度与原位土一致的情况下,通过电阻率试验对上海地铁四号线的粉砂土进行了在30～-30℃条件下的导电特性试验研究。结果表明:未冻水含量较高时,粉砂土的导电性在高电压情况下随着电压的升高而增强;在含水率和密度一定的情况下,粉砂土的导电性与温度密切相关,即电阻率随温度降低而增大,也就是说其导电性随温度的降低而减弱;在温度高于0℃条件下,粉砂土的电阻率随温度变化相对较小;在温度低于0℃条件下,粉砂土的电阻率随温度变化较明显;在30℃≥t≥0℃,0℃t≥-10℃及-10℃t≥-30℃三个温度段,分别拟合出温度与电阻率之间相关度较高的回归方程。上述结论可为今后长江三角洲地区类似土层采用电阻率法监测冻结壁的发育状况提供物理基础。     

不同温度梯度冻结深部黏土偏应力演变规律研究

 采用先冻结后K0固结(FC)的传统冻土试验方法进行4种不同温度梯度冻结深部黏土的加、卸荷三轴试验,研究不同温度梯度冻结深部黏土在加、卸荷过程中的偏应力增长速率及偏应力的衰减规律。结果表明：不同温度梯度冻结深部黏土加、卸荷过程中偏应力增长速率与均匀温度下的试验结果基本相同,均可用变换的Duncan- Chang双曲线模型进行拟合,但温度梯度对冻结深部黏土偏应力增长速率衰减影响程度远大于温度;温度梯度减弱冻结黏土偏应力增长速率,同时抑制其衰减程度,这种弱化效应在加、卸荷初期最为显著;相同轴向变形对应的偏应力随温度梯度增长而衰减的规律可以通过衰减因子A加以描述,A与温度梯度的之间的关系符合广义双曲线模型;卸荷过程明显增加了加、卸荷初期冻结黏土偏应力增长速率的衰减,且随温度梯度增长,卸荷过程对冻结深部黏土偏应力衰减幅度和衰减速率影响均大于加荷过程;不考虑冻结壁(冻土墙)冻土温度的非均匀性以及卸荷路径的影响将高估冻土强度。     

中国青藏铁路北麓河路基冻土动应变速率试验研究

基于低温动三轴试验,研究中国青藏铁路北麓河路基冻结粉质黏土在轴向分级循环荷载作用下的变形特征。在不同负温、频率、围压、含水率条件下,考察冻土试件轴向残余应变时程曲线,获得轴向动应变速率受动应力幅值影响大,并随应力比增大而增大,随负温降低、频率升高、含水率增大而减小,随围压增加而线性增大的结论;据此,提出采用幂函数拟合应力比、负温、含水率、频率与轴向动应变速率之间关系,并合理解释冻土特有的振融沉陷的成因机理。有利于合理预测青藏铁路等实际工程在交通荷载作用下由冻土动力残余变形而产生的沉降量,并对于进一步研究冻土路基列车行驶振陷问题具有重要意义,且为建立冻土疲劳模型积累基础试验成果。     

粉质黏土冻土三轴强度及本构模型研究

通过对南京典型粉质黏土10℃冻土在不同围压、固结方式、应力路径条件下的三轴试验,分析不同因素对三轴强度影响,结果表明：最大轴向偏应力随围压增大而线性增大,且重塑粉质黏土冻土的最大轴向偏应力随围压的增大速度大于原状粉质黏土冻土的增大速度;固结方式对内摩擦角影响较大,对黏聚力影响不大,先等压排水固结再冻结试样强度会大幅度提高;强度和弹性模量受应力路径影响,其中常规加载应力路径强度及弹性模量要大于卸载应力路径强度及弹性模量;基于Duncan-Chang模型建立考虑围压影响的冻结粉质黏土本构模型,参数a、b与围压呈负相关,获得原状粉质黏土以及先等压排水固结再冻结、先等压不排水固结再冻结和先冻结后固结重塑粉质黏土的破坏比均值分别为0.87、0.89、0.93和0.87。     

饱和度及收缩变形对土体小应变刚度特性的影响

饱和度影响下的浅表层土体小应变刚度与泊松比是预测土与结构物相互作用引起变形的关键参数。基于自主设计的试验装置,针对细粒土(黏土和粉土)通过蒸汽平衡法控制环境湿度,开展了无外荷载作用下土体饱和度变化对小应变刚度及泊松比影响的试验研究。试验结果表明:细粒土弹性波速及小应变刚度随饱和度演化均可分为3个阶段,即边界效应阶段、过渡阶段及残余阶段。压缩波速及小应变体积模量随饱和度的降低先减小后增加,剪切波速及小应变剪切模量随饱和度的降低逐渐增加,黏土的泊松比随饱和度的降低呈线性减小,粉土的泊松比在饱和度低于85%后无明显变化,仅在0.37附近波动,与粉土相比,黏土的小应变刚度特性及泊松比受饱和度影响更为显著。     

振动频率对冻土破坏之影响

饱和冻结粉土的单轴抗压振动试验结果表明，在恒定的动荷载（最大应力及最小应力恒定）作用下，冻土的破坏时间及破坏变形随振动频率的加快而减小。当频率小于８Ｈｚ时，频率的影响较大。频率大于８Ｈｚ时，影响较小。而冻土破坏振次与频率的关系取决于冻土的温度。冻土在－２℃时，破坏振次随频率加快而存在最小值；在－１℃时，则存在最大值；在，－１０℃时，随频率加快而增大且无极值。     

冻融循环对非饱和粉质粘土SWCC及强度的影响

为研究季冻区非饱和粉质黏土在冻融条件下的土―水特征曲线及强度的变化,对季冻区非饱和粉质粘土的SWCC(土―水特征曲线)和强度进行了测量,观察了冻融循环次数及冻结负温对非饱和路基粉质黏土土―水特征曲线及强度的影响。研究表明:非饱和粉质黏土的土―水特征曲线用Gardner模型进行拟合效果良好;土―水特征曲线受冻融循环次数和冻结负温的影响较大,其强度随冻融循环次数的增加呈先减小后趋于稳定的趋势,冻融一次以后其强度降低最为明显,并且冻结负温为-10 ℃时其粘聚力损伤值最大。由基质吸力引起的累计粘聚力损伤值随冻融循环次数增加呈线性增加,随冻结负温减小成指数型增加。     

长时高压K_0固结再冻结黏土的卸围压强度特性

深厚表土层中立井井筒建设普遍采用冻结法,而深部冻土的原位力学特性是影响冻结壁力学特性及其安全稳定性的关键;现有的浅部冻土的试验方法,由于忽略了深、浅部土体固结、应力环境及形成工况的差异,已难以可靠地获得深部土的力学参数。基于"长时高压K_0固结—冻结—恒轴压卸围压"试验模式,通过三轴试验,研究了深部土重塑人工冻结黏土的强度与变形特征,以及固结时间、固结应力的影响规律。结果表明:卸围压路径下冻土试样呈现为黏–弹塑性破坏,固结时间为1~7 d时,其卸围压强度随固结时间的延长增长显著,而单位降温引起的强度增长速率受固结时间的影响不明显;随着固结时间延长至28 d,其卸围压强度受固结时间的影响不明显,但单位降温引起的强度增长速率增加显著;单位降温引起的冻土卸围压强度增长速率不受固结应力影响。     

不同小主应力和负温条件下冻结粉质黏土平面应变试验研究

针对冻结法施工中的平面应变问题,利用改进的安徽理工大学冻土真三轴仪进行平面应变试验,分析冻结粉质黏土在不同小主应力和负温条件下的强度和变形特性,建立基于Weibull分布和Drucker-Prager强度准则的冻结粉质黏土损伤本构模型。理论和试验结果表明：同一温度下,不同小主应力下的应力–应变曲线呈现不同程度的硬化特征。破坏强度随小主应力的增加表现出先增后减的规律,随温度的降低呈线性增长的趋势。建立的非线性莫尔–库仑强度准则可以近似描述冻结粉质黏土的强度随小主应力增大而呈现出的非线性变化特征。不同试验条件下小主应力方向的应变均为膨胀变形,体应变均呈现剪缩的特性。随着小主应力的增大,试样的变形模量呈现先增后减的趋势;当小主应力相同时,其值随温度的降低而增大。当温度相同时,破坏时的中主应力随小主应力的增大同样表现出先增后减的趋势。建立的损伤本构模型可以较好地反映复杂应力路径下小主应力和温度对冻结粉质黏土强度和变形特性的影响。