有压冻融土体孔隙水压力变化试验研究

基于室内试验,开展了周期温度边界和上覆荷载共同作用下土体内部孔隙水压力变化及变形发展规律研究.结果表明：土体内部孔隙水压力的变化同时受到温度、上覆荷载以及冻融周期等因素的综合影响.融化过程中,孔隙水压力在短时间内快速增大后消散.冻结过程中,孔隙水压力先增大后减小.孔隙水压力变化幅度随上覆荷载的增大而增大,在冻融周期为8 h温度边界条件下,上覆荷载由50 kPa增加至150 kPa,试样高度77 mm处孔隙水压力平均变化幅度由13.4 kPa增加至46.0 kPa.冻融周期越大,孔隙水压力的变化幅度越大.在周期温度边界和上覆荷载共同作用下,试样竖向变形呈现阶梯型发展趋势,且量值主要受上覆荷载影响.荷载相同时,冻融周期对试样最终竖向变形值影响较小,上覆荷载为100 kPa时,冻融周期4 h和8 h温度边界条件下试样的最终竖向变形分别为10.5 mm和11.2 mm.     

地铁列车荷载下人工冻融软土微观试验研究

基于地铁联络通道冻结法施工,以冻结温度和冻融周期为控制变量,对冻融土加载前、后微观结构进行电镜扫描试验.定性描述了冻融土经历动三轴加载后微观结构的孔隙特征、颗粒特征和结构连结方式.基于ImagePro Plus图像软件,对人工冻融软土微观结构中的孔隙直径、孔隙圆形度、孔隙定向频率等微观结构参数进行定量分析.结果表明:在循环荷载作用下,土体孔隙结构具有压密趋势,土颗粒破碎程度加剧,小孔隙增多,大孔隙减少,孔隙变得更加规则,孔隙呈定向性分布.对于人工冻融土而言,不同的冻结温度和冻融周期对结构破坏程度有影响,从而导致动力特性的差异.冻结温度越低,冻融循环次数越多,在循环荷载作用下将表现出更明显的结构弱化效应.     

冻融饱和粉砂动力性能试验

在软土地区,例如上海,98%的地铁联络通道、地下泵房以及越江隧道采用冻结法施工,但土体的冻胀融沉对地下建筑及周围环境的影响显著.尽管冻土的物理、力学特性得到较多关注,关于饱和冻融土动力特性的研究还不是很充分.试验设计了制样-脱模装置和饱和-冻融方法,采用动三轴系统进行冻融饱和粉砂动力试验.结果表明:制样-脱模装置和冻融、饱和方法满足粉砂制样、冻融和饱和要求.重塑粉砂高度、体积冻胀率随温度降低而增大,原状粉砂规律不明显.轴向应变与动孔隙水压力密切相关,动孔隙水压力前期迅速增加,随后震荡调整,约275次附近出现峰值,随后下降并维持一个相对恒定值.冻结温度-30℃时,土样累积塑性变形最大,冻结温度-20℃时,土样累积塑性变形最小,-10℃取得中间值.总体上,累积塑性应变随振动频率增加而减小,围压增大、动应力幅值减少能显著减小粉砂的累积塑性变形.提出的改进Stewart半对数累积塑性变形模型可以预测冻融饱和粉砂的累积塑性变形.     

低频振动下库区粉土的动力特性试验研究

针对三峡库区某滑坡粉质粘土,开展了等压固结下重塑试样在低频振动下三轴动力剪切试验,研究了不同频率下土体的应力应变关系、动弹模、阻尼比的变化特性.实验结果表明:轴向动荷载作用下,随着振动次数增加各土样的变形均逐渐累积增大,且频率在0.5~2Hz范围内,在振幅相同的动荷载条件下,频率越高,动应变的累积变形越慢.在此频率范围内,动孔压经历了逐步升高到骤降的过程.振动频率越高,动模量越高,且随着动荷载幅值的增大,动模量随变形逐渐降低.变形累积到一定时,阻尼比随着频率的增加而增大,阻碍了土体的变形发展.     

冻融循环作用下膨胀土边坡稳定性模型试验研究

采用重塑膨胀土进行室内边坡模型试验,研究膨胀土边坡在冻融循环作用下边坡模型的位移,土压力,含水率和孔隙压力的变化特性,反应冻融循环对膨胀土边坡稳定性影响.试验发现,冻融循环作用下膨胀土边坡表面裂隙由初始数量较少的直线型长裂隙向数量较多的网络状短裂隙发展,对沿深度方向上的裂隙发育亦存在显著影响.土压力在单次冻融中表现随温度降低土压力增大,反之亦然.边坡在冻融过程中始终表现冻缩融胀,但整体上表现出向临空面逐渐变形的趋势.且单个冻融循环周期内位移变化速率与温度绝对值呈正相关关系.含水率在单个冻融循环周期内呈现随温度降低而降低,温度升高反之,随试验进行含水率在深度方向表现出明显水分迁移现象.孔隙压力随温度降低先小幅度升高后大幅度下降,温度升高孔隙压力先升高后下降.孔隙压力受温度传导速度影响很大.首次冻融对边坡变形、含水率和孔隙压力影响很大,随着试验进行其变化都会趋于稳定.     

冻融循环作用下尾矿坝的力学响应特征

寒区冻融环境条件下,尾矿砂的冻融、缩胀、损伤破坏给寒区尾矿坝工程造成极大的危害。为探究冻融循环作用下尾矿坝变形规律,揭示其变形机制。采用自主设计的尾矿坝相似模型试验装置,开展不同冻结温度（-5、-25、-45℃）条件下,尾矿坝的变形规律模型试验。借助土压力、激光位移、孔隙水压力传感器,采用动态数据采集仪采集相关数据,分析冻融循环过程中尾矿坝各关键位置应力、变形、孔隙水压力的动态变化规律。试验结果表明：坝体内应力随冻结温度的降低而增大,在冻融循环前期,尾矿坝各关键位置应力增长速度明显高于冻融循环其他阶段。坝体内孔隙水压力随冻结温度的降低而减小,坝体越深,孔隙水压力的变化幅度越大,周期性更强,也更具有规律性。冻结温度具有明显的位置效应,越靠近尾矿坝边缘,坝体变形量越大,变形速度越快。     

基于颗粒流的富水岩石冻融后拉伸力学行为研究

为了研究岩石冻融作用下的拉伸力学行为,提出基于孔隙水颗粒和颗粒膨胀的方法模拟岩石孔隙水低温相变膨胀过程,推导得到了孔隙水颗粒体积与温度和未冻水含量的关系方程.然后,采用提出的新方法开展了富水岩石冻融循环和冻融后巴西劈裂数值计算,通过与室内试验结果对比验证了提出的岩石冻融颗粒流方法的可行性和可靠性.计算结果表明:冻融循环...     

动水压力作用下沥青路面水-孔隙结构应力分析

为了研究动水压力对沥青路面产生水损害的原因,对水-孔隙结构进行了应力分析,建立了沥青路面水-孔隙结构承受车辆荷载的模型,提出了沥青路面空隙率与孔隙水压力的关系,并讨论了沥青路面内部因孔隙水压力而致使孔壁在反复的荷载作用下发生的胀裂与抽吸和冲刷作用.     

碱激发下粉煤灰-市政污泥固废基混凝土抗冻融性能

为改善市政污泥对混凝土抗冻融性能的劣化效果,在氢氧化钠及水玻璃的复合激发下,用经生石灰改性后的市政污泥取代10%细骨料,粉煤灰分别取代10%、20%与30%水泥,制备了混凝土。分析了不同冻融循环次数下,混凝土的表观现象、相对质量、相对动弹性模量、相对抗压强度及微观结构随粉煤灰掺量与碱当量的变化规律,分别以相对动弹性模量与相对抗压强度为损伤变量建立了不同的冻融损伤模型。研究结果表明：随冻融循环次数增加,混凝土表观损伤愈发严重,内部孔隙增多,相对动弹性模量及相对抗压强度显著降低;与对照组相比,粉煤灰及碱激发剂的加入可以改善市政污泥对混凝土冻融耐久性的劣化效果,降低混凝土在冻融循环作用下的质量损失、动弹性模量损失及抗压强度损失;当粉煤灰掺量10%、碱当量4%时,粉煤灰可在碱激发剂及改性污泥中残余碱的联合作用下被较充分地激发,可消纳改性污泥中的残余碱,减弱市政污泥对混凝土抗冻融性能的劣化效果,此时混凝土水化程度最高,在冻融循环作用下的质量损失、动弹性模量损失及抗压强度损失最小,且服役寿命最长,约为16a以上;相对动弹性模量与相对抗压强度相关性良好,分别以两者为损伤变量的冻融损伤模型与试验结果均吻合良好。     

循环荷载下郑汴物流通道粉土路基的液化特性

在高等级公路和市政道路的建设中,如果遇到特殊地基处理不当往往会导致强度问题和沉降变形问题,影响道路的正常使用.鉴于此,利用动三轴进行室内试验,分析郑汴物流通道的路基施工过程中土体变化的规律.试验采用美国GCTS公司生产的STX-200双向动三轴仪进行,建立循环荷载次数、荷载频率、围压、轴压、偏应力等影响因素的郑汴物流通道软土路基的液化特性研究.试验结果表明,低频循环动载下土体的应力-应变曲线变化幅值小,高频循环动载下土体应力下降快且变化幅值大;随着循环次数增加,土体的孔隙水压上升加速,有效平均压应力减小幅值逐渐增大;粉土试样孔隙水压力变化随循环次数的变化而变化.     

冻融受荷协同作用下沥青混合料损伤模型研究

为研究寒区沥青路面抗冻融性能,借助细观损伤力学与宏观统计随机损伤理论,提出冻融变量、荷载变量及协同效应等概念,构建了冻融与荷载共同作用下的沥青混合料损伤本构关系和损伤演化方程,揭示冻融循环次数、应变及油石比影响下的沥青混合料冻融受荷损伤劣化机理.研究表明:寒区沥青混合料力学性能受冻融变量、荷载变量及协同效应影响显著,在冻融受荷协同作用下总损伤劣化呈非线性加剧趋势,沿冻融和受荷两条途径的损伤率演化规律迥异.冻融循环次数和油石比对损伤变量影响较大,但冻融次数超过20时,损伤变量和损伤率降幅均显著且趋于恒定.适当上浮最佳油石比,可有效改善寒区沥青混合料的抗冻融耐久性能.     

地震荷载作用下筒型基础土体液化分析

为给近海筒型基础的抗震设计提供参考,借助有限元软件ADINA,分析了地震荷载作用下筒型基础的土体液化分布.重点研究了基础内部及周围土体的有效应力、孔隙水压力和超孔隙水压力等的变化规律,分析中考虑了地震烈度对基础土体液化特性及筒内外土体沉降的影响.研究表明:基础上部荷载的压力及筒壁的环箍效应对保持土体的有效应力有一定的帮助,土体零竖向位移点的分布随地震烈度变化较小,但土体最大竖向位移点的分布随地震烈度不同存在较大差异.     

基于动水冲刷作用的沥青混合料短期水损害特性

针对车辆荷载引起的动水冲刷作用,设计开发了一种模拟动水冲刷的试验装置,结合冻融循环试验,对动水冲刷与静态浸水模式下沥青混合料的空隙率、吸水率以及劈裂强度等技术指标进行测试,并借助CT扫描试验,从微观的角度探讨动水冲刷作用下沥青混合料的短期水损害机理。试验结果表明:随着冻融循环次数的递增,动态冲刷浸水模式和静态浸水模式作用下的沥青混合料试件空隙率增幅分别为47.62%和22.5%;吸水率增幅分别为263.2%和86.4%,冻融劈裂强度比(TSR)降幅分别为34.0%和24.9%,动水冲刷作用会加剧沥青混合料物理和力学性能的衰退。CT图像分析表明:随着冻融循环次数的增加,混合料试件的内部产生了新的空隙,试件外缘集料存在不同程度的剥落现象;动水冲刷作用会加剧水体对沥青薄膜的机械侵蚀速率,加速沥青的剥离和细集料的流失,导致原有空隙体积的进一步增大,混合料抗水损害性能下降更为显著。     

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.     

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.     

冻融循环下非饱和膨胀土一维土柱模型试验研究

通过一维土柱模型对非饱和膨胀土进行冻融循环试验,分析了冻融循环过程中不同深度处温湿度、土压力、孔隙水压力和竖向位移的变化规律.试验结果表明:(1)土体在冻结过程中温度可分为过冷、跳跃、恒定、递降和稳定5个不同的变化阶段,存在明显跳跃点和冻结点,而升温过程并无明显的过热或突变现象出现.(2)冻结过程中,未冻水含量随温度下...     

混凝土冻融环境区划与抗冻性寿命预测

针对现场冻融环境和室内冻融环境间的巨大差异,建立室内冻融试验与现场冻融之间的关系和衡量混凝土现场冻融环境作用效应强弱的量化方法.结合我国部分地区的实测或统计年均冻融循环次数,以年均负温天数为指标建立现场冻融循环次数的统计方法,进一步给出计算现场冻融循环次数的实用公式.以环境的平均降温速率为指标,基于静水压理论,针对饱水状态下的混凝土得到不同冻融环境下混凝土损伤之间的比例关系,给出室内等效冻融循环次数的计算方法,利用室内等效冻融循环次数对混凝土抗冻耐久寿命进行预测.以等效室内冻融循环次数为量化指标完成了全国冻融环境的耐久性影响程度区域等级的划分,提出利用区划图进行耐久性设计的方法.     

基于有限差分法的季冻区公路土质路堑边坡稳定性分析

季节冰冻区土质边坡在春融期常发生的浅层滑坡多与冻融界面水分积聚直接相关。为研究基于水分迁移规律的土坡稳定性,结合连续介质显式拉格朗日有限差分法,耦合温度、土体自重以及土体内部渗流力的相互作用,构建季节冰冻区正融土质边坡的实体模型,模拟外界环境温度从-5℃升高到+10℃时,分析季节冰冻地区正融土坡失稳破坏时的实际状况。以冻融界面土坡的失稳破坏试验为基础,对比分析不同冻融循环次数时含水量对融化土坡稳定系数的影响情况。分析表明,在温度变化条件下,边坡的滑动薄弱界面是冻融土体的交界面位置,同时随着含水量及冻融次数的不断提高,临界深度接近该地区平均最大冻结深度。分析结果可为季节冰冻区土质边坡的排水结构设计提供借鉴。     

水-荷载耦合作用下沥青路面孔隙水压力研究

水-荷载的耦合作用是沥青路面早期损坏的主要原因之一.基于饱和多孔介质理论通过轴对称有限元的瞬态动力分析,计算得到饱和沥青路面内部孔隙水压力的时程变化;分析不同渗透性、车速和荷载条件下的孔隙水压力变化规律.结果表明,荷载的动态作用导致沥青路面内部的孔隙水压力具有波动性质;正负孔隙水压力的循环作用是沥青膜破坏的主要诱因;路面内部存水时,高速、重载将加速沥青路面性能衰减.     

水压力环境中混凝土经历循环荷载后的抗压强度

研究了水压力环境中混凝土在经历循环荷载后的动态压缩强度,分析了水压力和循环次数对混凝土强度的影响。试验应变速率为10^-5/s、10^-4/s、10^-3/s和10^-2/s,水压为0~10 MPa。试验结果表明,在不同水压力下饱和混凝土的强度都随应变速率提高而增加,也随水压力提高呈增加地趋势。在相同水压力下,应变速率越高,混凝土强度提高越显著。饱和混凝土经过循环荷载后,其强度随荷载循环次数的增加呈现出先提高后降低的现象。应变速率越高,混凝土强度最大时所对应的荷载循环次数也相应增加。还构建了饱和混凝土强度与应变速率、水压力的关系,其与试验数据吻合较好。进一步引入了管道孔隙模型,并基于汞压法的原理和孔隙分布特点,考虑混凝土孔隙的微观结构解释了孔隙水对混凝土强度的作用机理。