含水裂隙冻融过程中冻胀力演化及影响因素研究EI北大核心CSCD

岩体冻融损伤的本质是水-冰相变过程中冻胀力驱动的既有裂隙的扩展,因而,研究裂隙中冻胀力的产生和演化过程是岩体冻融损伤研究中的核心问题,也是揭示岩体冻融损伤机制的基本前提。以含单裂隙灰岩为研究对象,监测冻融过程中裂隙内部温度变化、裂隙冰的形成过程以及裂隙内部冻胀力演化和裂隙端部冻胀变形,并分析不同变量(冻结速率、裂隙含水量(水占裂隙体积的比例)、裂隙深度)对裂隙冻胀特性的影响。试验结果表明:(1)冻融过程中裂隙内部温度变化可分6个阶段,在快速冻结阶段有明显的过冷和热弛豫现象,裂隙水由外向内冻结,形成冰壳将未冻水束缚在内;(2)裂隙内部冻胀力和冻胀变形的演化过程可分为5个阶段,阶段2为冻胀力和冻胀变形的产生与演化阶段,在此阶段冻胀力快速增长升至峰值后又迅速下降,冻胀变形演化则可分2种模式:快速增大后迅速降低和快速增大后缓慢增大;(3)不同变量条件下对裂隙水冻结过程中过冷度、热弛豫持续时间、最大冻胀力值影响最为显著,当裂隙深度较大时裂隙端部将会出现开裂现象。根据上述实验结果分析认为:冻融过程中冻胀力的产生和演化受裂隙中未冻水密封条件控制;密封条件的形成伴随着“未冻水冻结→冰壳断裂→未冻水挤出→冰壳闭合”过程的反复进行;密封条件形成后裂隙是否出现冻胀扩展取决于冻结速率、初始含水量及裂隙深度。     

裂隙岩体冻融损伤力学特性及多场耦合过程研究

我国寒区分布广泛,在寒区工程建设和资源开采过程中,会遇到很多岩体工程冻融损伤破坏的问题,严重威胁着岩体工程的安全稳定,并造成巨大的经济损失。以"裂隙岩体冻融损伤力学特性及多场耦合过程"为主题,将裂隙岩体视为岩块系统和裂隙系统,通过室内试验、理论分析和数值模拟等多种手段,对涉及冻岩领域的相关问题展开研究,取得如下成果:(1)通过测试低温环境下饱和及干燥的花岗岩、白砂岩和砂质泥岩随降温产生的应变特征,研究岩石冻胀融缩效应。结果表明:在一次冻融循环内,干燥岩样发生线弹性变形,而饱水岩石的变形经历冷缩阶段、冻胀阶段、升温迟滞阶段、融缩阶段和热胀阶段等阶段。一次冻融循环内,干燥岩样未产生残余应变,而饱水岩样产生明显的残余应变。(2)基于物理化学相关理论,考虑岩体裂隙水相变的特殊性,分析水冰相变平衡物态方程,得出冰点与压力的关系,并根据能量守恒定律和功能原理推导出冻结率的表达式。提出"等效热膨胀系数法"模拟裂隙水的冻胀融缩效应,同时模拟冻胀荷载作用下夹冰(水)裂隙尖端的应力场分布,并与解析解进行对比。(3)参照岩石冻胀变形试验和相变分析的相关结论,将岩石在低温环境下的变形分解为热应变、冻胀应变和围压产生的弹塑性应变3部分,建立岩石准蠕变冻胀本构模型。引入冻胀激活单元,用以控制冻胀单元是否发生作用。以FLAC3D现有的本构模型为蓝本,运用VC++编写本构模型动态链接库文件,并借助Fish函数对冻结过程中的黏聚力、内摩擦角等力学参数进行动态调整,同时控制冻胀激活单元的工作状态。(4)运用双重孔隙介质模型理论,根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理,并考虑岩体水冰相变的参与,得出冻结条件下裂隙岩体的热水力(THM)耦合控制方程。通过一个含裂隙隧道低温THM耦合算例,研究低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。(5)基于脆性断裂力学理论,分析冻胀条件下压剪复合裂纹起裂扩展判据,得出冻胀力和围压共同作用下的裂隙起裂条件、扩展方向和扩展长度公式,并分析冻胀裂隙岩桥的贯通模式。基于拓扑学相关理论,提出一种可实现二维冻胀裂隙网络扩展演化的算法,可实现扩展路径定义、扩展域单元的识别及更新、裂隙贯通判断等功能。(6)结合上述研究成果,以Chalmers理工大学试验低温储库为工程背景进行模拟,按照现场试验条件施加温度和力学边界条件,对冻结过程中的温度场、位移场等进行模拟,并与实测的变形和温度测试结果进行对比。此外,以高寒地带的乌鞘岭隧道为工程背景,对洞口端冻融环境下围岩温度场、应力场、位移场的分布规律,以及冻结状态分区等问题进行研究。     

兰州地区黄土冻胀特性和水平冻胀力试验研究

为研究不同含水率黄土在一维冻结条件下温度场、冻胀量和水平冻胀力的变化特征规律及冻胀力与冻结温度之间的动态关系,选取兰州地区黄土进行了封闭系统下的一维冻胀试验。研究结果表明:土体的降温过程分为3个阶段,降温冻结初期各深度土体的温度下降速率较快;土体温度下降到0 ℃时降温曲线出现转折点,土层各深度降温速率曲线出现近乎平行于横坐标的平稳段;冻结后期各深度土体的温度下降速率较慢。冻胀量变化曲线按照变化趋势分为3个阶段: 轻微冻缩阶段,快速发展阶段,拟稳定阶段,不同含水率的土体经历各阶段的时间有所不同。冻胀量随着土体含水率的增加而增大,本试验中含水率14%和20%的土体最终冻胀量分别为3.52 mm和 8.23 mm。在相同土质和温度条件下冻胀力发展的起始温度相同,约为0.60 ℃,含水率不同的土体出现最大水平冻胀力的温度不同。最大水平冻胀力沿土体深度先增大后减小,最大值出现在相对深度0.6~0.8处。     

寒区裂隙冻岩隧道岩-水-冰力原位测试及冻胀力模型

为了研究寒区裂隙冻岩隧道冻胀力并建立合理的计算模型,以川藏公路雀儿山隧道为工程依托,组合利用水压力计、土压力盒和多点铂电阻温度传感器进行冻胀力原位测试,考虑静水压力,提出了裂隙成环贯通原位冻胀时的隧道宏观冻胀力理论模型,并将计算结果与原位测试结果进行了比较分析。研究结果表明：现场原位测试方法考虑了岩-水-冰在冻结过程中随时间和温度的变化特征,避免了对裂隙岩石细观结构模型的讨论,方案合理且易于实施;裂隙岩石冻结前水压力随径向深度增加而线性减小,径向1.5～2m围岩内裂隙水挤出形成急剧增压区间,靠近结构处水压力降到最低;原位测试得到冻胀压力0.615～3.355MPa,空间分布以拱顶处最小,拱腰处最大,冻胀力模型计算得到的冻胀压力约0.46MPa,去除水压力,裂隙成环贯通宏观冻胀力理论模型计算结果接近于工程实际。     

低温热力耦合下岩体椭圆孔(裂)隙中冻胀力与冻胀开裂特征研究

寒区岩体工程含水孔(裂)隙中低温水冰相变会产生冻胀力与温度应力,岩体冻融损伤与断裂是由温度应力和孔(裂)隙中的冻胀力共同作用的结果。考虑温度应力对椭圆孔(裂)隙形变的影响,推导了椭圆孔(裂)隙中的冻胀力解析方程;基于最大拉应力准则,得到了低温热力耦合下椭圆孔(裂)隙周围最大拉应力与冻胀开裂角,建立了椭圆孔可简化为椭圆裂隙进行冻胀计算的临界条件;最后采用改进的等效热膨胀系数方法对隧道单裂隙围岩冻胀力与裂隙尖端应力场进行了数值分析。研究结果表明:(1)椭圆孔中的最大冻胀力与岩石的热膨胀性、裂隙倾角和裂隙长短轴比χ等因素有关;(2)长短轴比χ≥10的扁平椭圆孔可简化为裂隙进行计算分析,此时冻胀基本发生在裂隙尖端且尖端拉应力集中明显;(3)改进的等效热膨胀系数方法可以很好的模拟裂隙中的冻胀力与裂尖应力场。     

裂隙岩体冻融损伤研究进展与思考

 裂隙岩体具有不同于土体的结构和强度特征,现有冻土理论不能解决低温岩体裂隙冻胀开裂、扩展演化问题,冻融过程中水分迁移机制、冻胀力的量值与萌生消散机制以及裂隙冻融扩展演化机制等是研究裂隙岩体冻融损伤的关键问题。对裂隙岩体中的水分迁移机制研究应立足于微观尺度,从分凝冰理论入手,关注于未冻水膜的迁移机制。低温裂隙岩体冻融损伤程度受到裂隙中冻胀力大小控制,而冻胀力大小和裂隙冻融扩展机制与裂隙的空间位置形态、未冻水含量、冻结温度以及岩石的物理力学性质等因素有关。几十年来,对岩体冻融裂隙扩展的研究主要集中在理论模型探究、室内裂隙岩体冻融试验和现场监测分析3个方面,取得了丰硕的成果,但目前关于冻岩的研究还远未成熟,要深入揭示裂隙岩体冻融损伤演化机制,还应借助于室内试验从裂隙岩体冻融水分迁移机制入手,以探究冻胀力量值的求解方法为初步目标,进而结合岩体裂隙扩展准则研究冻胀力对岩体裂隙网络发展的影响。     

近接隧道冻结对运营车站冻胀变形控制研究

为了研究不同冻胀控制方法下土体冻胀的发展规律,以上海某近接穿越既有车站的隧道冻结加固工程为原型,根据相似准则建立了冻土与车站结构相互作用的模型试验台,对隧道水平冻结过程进行模拟研究,探究调整冻结盐水温度以及泄压等方法下隧道冻结冻胀变化规律。研究结果表明,将冻结盐水温度从-28℃提升至-18℃后,隧道的积极冻结时间增长91%,但车站底板冻胀力减小了16.7%;三角区泄压后车站底板冻胀力减小了26.3%。根据相似模拟试验得到的不同冻胀控制措施下车站结构的冻胀变化规律,提出在施工工程中采取三角区泄压及调整冻结参数等措施来控制冻胀对车站结构的影响。同时根据工程施工监测数据,对不同冻胀控制措施的应用效果展开了研究,研究结果表明,三角区泄压孔泄压后10d内车站底板位移量减少了65.5%;冻结盐水温度为-28℃、-20℃、-10℃时车站底板竖向位移增长速率分别为0.35mm/d、0.14mm/d和0.01mm/d,随着冻结盐水温度的提高,车站结构竖向变形速率明显减缓,调整冻结盐水温度对冻胀控制效果十分显著。     

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。     

寒区隧道岩体冻胀率的取值方法和冻胀敏感性分级

 通过分析岩石冻胀试验数据,修正岩石冻胀率的计算公式;分析裂隙冻结时可能出现的冻胀情况并给出相应的线冻胀率值;将岩体裂隙分布形态简化为“层状”,推导岩体冻胀率的计算公式。计算开放条件下不同岩性不同级别岩体的冻胀率范围。开放条件下,岩体冻胀率的特点有：非冻胀敏感性岩石构成的岩体的冻胀主要来自于孔隙、裂隙中的原位水冻胀,孔隙/裂隙率越大,冻胀率越大;冻胀敏感性岩石构成的岩体的冻胀主要受水热迁移作用的影响,水热迁移作用越强烈,冻胀率越大;随着围岩级别增大,裂隙发育,岩体的冻胀率随之增大,冻胀敏感性岩石构成的岩体的冻胀率增长幅度大于非冻胀敏感性岩石构成的岩体。考虑岩石及裂隙填充物的冻胀敏感性、围岩级别、岩石的孔隙率以及地下水补给条件的影响,对岩体冻胀性进行分级,并评估依托工程围岩的冻胀性,根据围岩的冻胀性选择合理的支护参数将节约工程成本。     

各向均匀与单向冻结条件下饱和岩石冻胀变形特性对比试验研究

寒区隧道围岩的冻结是沿隧道径向的单向冻结,而不是常规岩石冻胀试验中的各向均匀冻结。为研究岩石在不同冻结条件下的冻胀变形规律,进而证实寒区隧道围岩单向冻结条件下具有不均匀冻胀性,分别进行封闭条件下饱和砂岩各向均匀和单向冻结时冻胀特性的对比试验。其中单向冻结试验利用自行设计的装置成功地进行。试验表明,封闭条件下饱和砂岩各向均匀冻结时,冻胀变形各向相等,变形过程可以划分为冷缩、冻胀、稳定3个阶段;而单向冻结时,沿冻结方向冻胀应变明显大于垂直冻结方向冻胀变形,且沿冻结方向冻胀应变变化过程也不同于垂直冻结方向冻胀应变,垂直冻结方向变形过程仍为冷缩、冻胀、稳定3个阶段,而沿冻结方向变形过程表现为冷缩、快速冻胀、冻胀量降低、稳定4个阶段,岩石表现出明显的不均匀冻胀性。试验测得饱和砂岩在0.7~2.2℃/cm温度梯度下的冻结不均匀冻胀系数在2.20~2.71范围。在试验的温度梯度范围内,不均匀冻胀系数与平均温度梯度呈线性关系,温度梯度越大,不均匀冻胀系数越大。为考虑围岩不均匀冻胀性的寒区隧道围岩冻胀力计算中不均匀冻胀系数的取值提供了试验依据,从而可合理地计算寒区隧道围岩冻胀力。     

具有多物理场测试功能的冻土模型试验系统

为测试岩土体在冻融过程中温度场、冻胀力、冻融变形等物理量随温度的变化过程,研制了具有加载、冷量控制、温度场测试、三维应力测试和三维应变测试等多种功能的冻土模型试验系统。该试验系统由模型箱、加载系统、冷冻系统、温度测试系统、三维冻胀力测试系统、三维冻胀变形测试系统等部分组成。模型箱由大尺寸槽钢通过螺栓连接而成,可保证内置土体在冻胀时箱体不发生变形。加载设备由6个300 k N千斤顶组成,可对土体施加竖向荷载。冷冻系统由冷冻机、冻结器及连接管路组成,可调节出口冷媒温度和冷媒流量。温度测试系统由23个温度传感器组成,可测试箱体内任意时刻任意位置处土体的温度。自制的三维冻胀力测试装置由位于不同方向上的6个高精度土压力盒组成,能测试岩土体在冻融过程中一点的三维应力状态。自制的三维应变测试装置由位于不同方向上的12个应变片组成,能测试土在冻融过程中一点的三维应变状态。针对天津地铁5号线某联络通道冻结法施工遭遇粉土的模型试验表明:该试验系统具有组装灵活、操作简单、性能稳定可靠、测试参数全面准确等特点。     

裂隙砂岩未冻水含量演化特征研究

孔隙水的冻结是寒区岩体发生冻胀损伤的根源，研究未冻水含量演化规律对于了解孔隙水的冻结过程，揭示冻结岩体的损伤机制具有重要意义。以完整与双裂隙砂岩为研究对象，开展不同冻结温度(-2℃，-5℃，-10℃，-15℃，-20℃)下循环冻融试验，采用核磁共振系统检测未冻水含量变化。通过分析冻结温度、冻融次数、裂隙对未冻水的影响，探究未冻水含量与砂岩细观损伤的关联。结果表明：(1)岩样未冻水含量随温度降低呈指数型衰减，在温度梯度作用下，毛细水的冻结速率最快，自由水次之，结合水的冻结速率最慢；(2)未冻水含量与冻融循环次数线性负相关，当冻结温度低于-20℃时，冻融次数对未冻水含量的影响减弱，但裂隙的存在促使冻融前期自由水冻结速率加快，中、后期结合水加速冻结，相比完整岩样，裂隙岩样未冻水含量减少5%;(3)岩石孔隙体积和渗透率均与冰含量呈正相关，裂隙岩石的冻融损伤主要是由于冻融前期自由水的原位冻结，后期结合水的继续冻结以及毛细水的迁移过程造成的。该研究有助于深入了解裂隙岩石的冻融特性，为寒区岩体工程安全建设与运营提供理论依据。     

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。     

不同温度条件下土的人工冻结试验研究

目前人工冻结施工方法仍然存在一些未解决的问题,最为突出的就是冻胀问题,本文从工程实际出发,进行了不同人工冻结方向以及不同冻结温度模式的冻胀试验研究,并对试样的温度场、冻胀量、含水率及干密度等进行了对比分析。在相同试验条件下,正弦变温冻结试样的冻胀量值最小,自下而上恒温冻结试样的冻胀量最大;自上而下恒温冻结、正弦变温冻结和恒温自下而上恒温冻结试样的含水率和干密度变化趋势相同,可知在相同试验条件下,冷端输出的冷能一定时,人工冻结试样内部水分迁移规律将相同。     

土的冻胀机理研究

一个多世纪以来人们对有关土的冻胀机理问题进行了大量的实验和研究,提出了很多假设,取得了很大的成果。文中从土的冻胀特性入手提出了"起始冻胀力"、"冻胀-抽吸力"等新概念,并提出了冻胀力才是冻结过程中水分迁移的驱动力的新概念。     

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。     

多年冻土区斜坡地带锥柱基础初始回冻过程模型试验

青海—西藏±400 kV直流联网工程沿线穿越多年冻土区565 km,其塔基将不可避免地遇到大量的冻土工程地质问题。锥柱型基础具有承载能力强并可消减切向冻胀力的特点,因而成为该条线路多年冻土区杆塔基础的主要形式。本文以青藏±400 kV直流联网工程为背景,对多年冻土地区斜坡地带锥柱型基础在回冻过程中的稳定性开展研究。主要通过相似比为1∶10的室内模型试验,监测地基土回冻过程中基础所受的冻胀应力,以及基础位移在水平与垂直方向的变化规律,并基于试验结果和研究现状对工程设计、施工与维护提出建议。试验结果显示：在冻结过程中随着地基土温度的降低冻胀力逐渐增大,基础顶部的水平冻胀力最大达到130 kPa,基础底部的法向冻胀力最大可达80 kPa。冻结过程中基础有冻拔现象,最大为5.5 mm。试验中基础顶部的水平位移最大达到3.8 mm。     

某矿井筒检查孔人工冻土冻胀性能的试验研究

在矿井建设中,人工冻结法施工技术被广泛应用,但冻结施工中土体冻胀所带来的危害也不能忽视。本文通过对取自淮南某矿不同深度的细砂土和黏土试样进行人工冻结的冻胀性能试验,得出了这两种试样的冻胀特性以及冻胀力和冻胀率与时间的关系。     

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。     

蒲石河电站面板堆石坝垫层料冻胀试验

研究级配、粉粘粒含量、含水率、上覆荷载对冻结过程中冻胀量、冻胀速率的影响,以保证冬季面板堆石坝工程的安全。以蒲石河地区的经验冻结速率为条件控制冻结,采用自上而下的冻结模式,冻结速率控制为20 mm/d。当级配石料粉粘粒含量小于12%时,基本为无冻胀或弱冻胀,冻胀量随粉粘粒含量增加呈线性增长;粉粘粒含量相同时不同级配改变了含水量与冻胀量之间的线性关系的梯度。反向压力与冻胀力相平衡,限制了冻胀时的体积膨胀,工程中宜采用7.5%含水率和12%的粉粘粒含量的级配石料,使用密度为59 g/cm3的混凝土面板可以抑制冻害的发生。