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。     

冻融和干湿循环下盐渍土水盐迁移规律研究

通过单向冻结试验研究盐分在土体冻结过程中对水分重分布与变形的影响,并结合模型试验分析冻融、蒸发、辐射和降水过程中的水盐迁移规律。研究表明:盐分的存在会减弱土体在冻结过程中的水分迁移,进而抑制土体的冻胀变形。Na Cl盐渍土在冻结过程中只有冰晶产生,土体只发生冻胀变形。而2 4Na SO对温度极其敏感,降温过程中会产生冰晶体和盐晶体,土体发生冻胀和盐胀两种变形。硫酸钠的结晶还会降低土体导水系数,进而减弱土体的水分迁移。在高含盐量的2 4Na SO盐渍土(3.6%)冻结过程中,土体的分凝冻胀现象消失,只有冻结初期的原位盐胀和冻胀。模型试验表明2 4Na SO含量为2%的盐渍土冻融过程中,水盐迁移同样微弱。蒸发条件使得盐分向表面集聚,降水条件使得表层盐分向下迁移。干湿循环是土体发生盐胀破坏的主要原因,其远比冻结过程中的盐分迁移来的剧烈。盐胀发生在土体表面,而冻胀破坏主要在冻结锋面。基于以上试验,探讨了盐渍土在冻结过程中的水盐迁移过程以及盐胀和冻胀的成因。     

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。     

单向冻结过程中NaCl盐渍土水盐运移及变形机理研究

冻结过程中的水盐迁移机理一直是冻土学研究的热点。通过单向冻结试验,研究了冻结过程中的水盐运移过程及土体变形。研究表明,在土体初始含盐量为0.8%的条件下,土体的冻胀变形显著减小,盐分的存在强烈影响着冻结缘处水分的集聚,盐对土体的冻胀具有抑制作用。在补给不同浓度NaCl溶液的条件下,土体初期的冻胀变形规律一致,随着盐分在冻结锋面处的累积,土体在后续冻结过程中水分迁移动力不足,从而使得土体冻胀过程中冻胀明显减小。基于溶液的性质并考虑盐分对土体冻结温度和未冻水含量的影响,建立了冻结过程中NaCl盐渍土水盐迁移规律及变形的计算模型,计算结果显示,计算模型能够很好地反映含盐土体在冻结过程中的温度、水分、盐分及变形的规律,从而为深入了解盐渍土在冻结过程中的变形机理提供理论参考。     

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。     

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。     

粉土冻结时水分迁移规律试验研究

以季节冻土地区公路发生严重冻胀路段的路基填土为研究对象,通过开敞条件下的室内单向冻结试验,研究粉质路基填土冻结时水分迁移及冻后水分重分布规律。结果表明：开敞条件下冷却温度、压实度对水分迁移影响明显。冷却越高,土样的吸水量越大;压实度越大,土样的吸水量越小。     

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...     

单向冻结条件下粗颗粒级配土的水热分布及冻胀特性研究

随着寒旱区高速铁路工程的增多和工程服役时间的增长，气态水迁移引发的路基冻害问题被广泛关注。为深入探究寒区粗颗粒填料的冻胀机制，研制一套考虑水–热–力耦合的土柱试验装置，开展不同补水类型、细颗粒含量、细颗粒类型的单向冻结试验。结果表明：(1)冻结锋面位置受补水方式、细粒土含量的影响较为显著，细粒土类型的影响相对较小。(2)随冻结时间的增长，液–气组合补水和气态水补水均会导致试样含水率不断升高，而前者含水率变化较快。细粒土含量和类型会显著影响气态水迁移量，造成土柱水分分布的明显差异。(3)粗颗粒级配土中液态水很难通过冻胀–抽吸力直接上升至冻结锋面，气态水迁移是造成冻胀发展的重要因素。在高速铁路的长期运营过程中，气态水迁移引发的路基水分积聚和冻胀问题不可忽视。     

单向冻结条件下饱和粉质黏土的冻胀试验研究

在单向冻结条件下对饱和粉质黏土试件进行了6种工况下的室内冻胀试验研究.结果表明:冷端温度、压实度、温度梯度、上覆压力和补水条件是影响土体冻胀变形的关键因素;温度梯度、冷端温度和上覆压力与土体冻胀变形呈反比,压实度与土体冻胀变形呈正比;冻胀率是表征土体冻胀敏感性的关键指标,与材料参数和冻结条件有关.最后,基于试验研究提出了用于指导工程应用的路基冻胀病害防治措施.     

分凝势评价土体冻胀敏感性的有效性验证

冻胀率作为常规的冻胀评价指标,只能预估土体的冻胀变形。为了较好的评价土体的冻胀性,验证分凝势模型能否有效的评价土体的冻胀敏感性,基于室内冻胀试验,实测土体冻结过程中的温度场和冻胀变形。依据Konrad模型计算分凝势;分析了分凝势随冻结时间的发展规律、分凝势与冻胀变形和冻胀速率的关系。研究表明:单向冻结条件下,饱和粉质黏土冻结过程中的分凝势与冻胀变形和冻胀速率具有较好的正相关性。分凝势可以有效评价土体的冻胀敏感性,表征冻土的变形趋势和冻胀程度。     

非饱和土水汽迁移与相变:两类“锅盖效应”的试验研究

"锅盖效应"定义为:不透水覆盖层下土体含水率大幅提高甚至饱和。最新的理论研究将"锅盖效应"分为两类,第一类由非饱和土内水气冷凝引起,第二类是冻结条件下由气态水迁移引起。为试验验证两类"锅盖效应",研究其内在机理,利用新研制的非饱和冻土水汽迁移试验仪,对不同初始含水率的试样开展不同温度条件的水汽迁移试验。试验结果表明:冻结和未冻结两种状态均能使钙质砂试样顶部含水率增加,但冻结状态下的增加幅度显著。冻结状态下,含水率峰值位置与冻结锋面大致相同,且初始含水率越大,试样顶部和冻结锋面处的含水率增加越显著,降温速率越小,气态水迁移越显著;初始含水率增加也能使未冻结状态下的钙质砂试样顶部含水率增加,并且温度梯度对气态水迁移有一定的抑制作用,温度梯度越小,抑制作用越明显。试验结果很好地验证了两类"锅盖效应"的理论。     

交叠车站下穿段MJS+水平冻结冻胀位移场研究

交叠车站下穿段隧道进行开挖前首先要进行加固处理,以南京新建地铁7号线下穿既有10号线中胜站工程项目为背景,为控制施工引起既有运营车站的变形,采用MJS+水平冻结法联合加固方案。为掌握MJS+水平冻结联合加固的冻胀变形、冻胀位移场发展规律及其影响因素,进行冻胀位移场数值模拟。研究结果表明：在积极冻结过程中,“山”字形水泥土加固区内部及其左右两侧产生向上的变形,底部则产生向下的变形;水泥土加固区变形相比内外侧砂土变形较小,水泥土对抑制冻胀作用效果明显;地层初始温度越低,冻胀变形影响范围越广,变形值越大,在冻结40 d、地层初始温度为18℃时,既有车站底板在距中轴线水平距离12 m处产生最大冻胀变形,为6.97 mm,小于允许冻胀变形10 mm;在相同地层初始温度下,盐水温度越低,隧道埋深越浅,冻土帷幕越厚,冻胀产生的变形越大,实际工程中可通过优化盐水降温计划抑制冻胀变形以减小对周边环境的影响。研究结果可为相似工程提供设计参考理论依据。     

非饱和土水汽迁移与相变：两类“锅盖效应”的试验研究

“锅盖效应”定义为：不透水覆盖层下土体含水率大幅提高甚至饱和。最新的理论研究将“锅盖效应”分为两类,第一类由非饱和土内水气冷凝引起,第二类是冻结条件下由气态水迁移引起。为试验验证两类“锅盖效应”,研究其内在机理,利用新研制的非饱和冻土水汽迁移试验仪,对不同初始含水率的试样开展不同温度条件的水汽迁移试验。试验结果表明：冻结和未冻结两种状态均能使钙质砂试样顶部含水率增加,但冻结状态下的增加幅度显著。冻结状态下,含水率峰值位置与冻结锋面大致相同,且初始含水率越大,试样顶部和冻结锋面处的含水率增加越显著,降温速率越小,气态水迁移越显著;初始含水率增加也能使未冻结状态下的钙质砂试样顶部含水率增加,并且温度梯度对气态水迁移有一定的抑制作用,温度梯度越小,抑制作用越明显。试验结果很好地验证了两类“锅盖效应”的理论。     

冻结速率对Q2黄土性状影响的试验研究

 对不同含水量洛川Q2黄土开展不同冻结速率条件下土样结构细观分析及室内直剪试验。结果表明：(1) 含水量较低时,随着冻结速率的提高,土样低密度区统计频率有所增加,中密度区统计频率几乎无变化,高密度区统计频率稍有减小,冻结速率对土样各密度区影响不大;黄土样含水量较高时,冻结速率对低密度区影响较大,对高密度区影响较小,含水量越大,这种影响也越大。(2) 冻结速率较慢时,水分冻胀作用对黄土的性状影响不明显。当冻结速率较快时,黄土体内的水分来不及迁移到冻结锋面就冻结,在黄土体内冻胀;当冻结冰的体积大于其在黄土体内的自由膨胀空间体积时,黄土体体积稍有增加,黄土密度和黏聚力减小;含水量越大,体积增加越大,土体密度及黏聚力减小程度也越大。冻胀力使得黄土内大孔隙所占的比例有所下降,土颗粒间的接触点增多,从而使得土体内摩擦角增大。冻结速率越快,含水量越大,土体内摩擦角的增加量也越大。     

基于核磁共振的级配土孔隙结构及冻结特性试验研究

级配土体孔隙水的冻结特征是研究冻土路基水热迁移、冻胀等问题的基础。基于核磁共振技术（NMR）,分析了细粒土类型、细粒土含量、最大粒径对级配土孔隙特征与冻融特性的影响规律。结果表明：(1)级配土的孔隙结构与细粒土类型、含量密切相关,随着黏土含量的降低,土样孔隙分布逐渐由单峰向双峰转变;(2)最大粒径对级配土SFCC的影响相对较小,细颗粒类型、含量是控制未冻水含量的重要因素;(3)孔隙水的冻结从大孔隙逐渐向小孔隙发展,而融化时恰恰相反,冻结和融化过程存在明显的滞后现象。经过一次冻融循环后,土体孔隙结构产生了微小变化,中小孔隙减小而大孔隙增多。     

地铁循环荷载下冻融软土孔压发展及微观结构研究

近年人工冻结法在地铁联络通道施工中得到广泛应用,土体经过冻融后工程性质将发生改变。通过室内不排水动三轴试验模拟冻结法施工后冻融土在地铁列车荷载作用下的动力特性,针对重塑黏土开展冻结温度和冻融周期影响下的动孔压测试试验,并首次提出了考虑冻结温度和冻融周期的孔压发展模型。结合扫描电子显微镜(SEM)试验,对软土冻融后及循环加载后微观结构的变化进行分析,从微观角度揭示冻融软土宏观特性的变化机制。试验结果表明:冻结温度越低,在循环荷载作用下孔压发展速率越快,稳定孔压也越大;随着冻融循环次数的增加,软土结构弱化效应越明显,将会加剧孔压发展;对比软土冻融前后的微观结构可以看出,冻融循环过程将破坏土颗粒之间的联结作用,导致颗粒骨架重新排布,微小孔隙联结成为较大孔隙,结构性发生弱化效应,处于非稳定状态;在循环加载过程中,外部传递的能量使内部结构向稳定状态发展,大孔隙体积逐渐减少,发生较为显著的挤密作用,微观结构的变化在宏观表现为超孔压的累积和变形的发展。并基于试验数据,采用复合指数函数对孔压发展曲线进行非线性多元拟合,建立循环孔压累积经验模型,结果表明,拟合效果较好。     

毛细黏聚与冰胶结作用对非饱和粉质黏土冻结强度及变形特性的影响

为探究毛细黏聚和冰胶结作用对冻土强度及变形特性的影响,通过室内试验测定不同饱和度、初始孔隙比情况下,压实、冻结和风干土样的强度及三维等温冻结变形和压缩特性。试验结果及数据分析表明:非饱和粉质黏土冻结强度的提高是基质吸力增加导致的毛细黏聚与冰胶结黏聚共同作用的结果。饱和度较低时,毛细黏聚作用占较大比重;随着饱和度的提高,冰胶结逐渐占主导作用。假定相同吸力条件下,冻土和非饱和土毛细黏聚力相当,发现冰胶结黏聚力和冻土体积含冰量之间存在线性关系。对于粉质黏土体变,当饱和度高(0.75)时,土体表现为冻胀,当饱和度低(0.75)时,土体表现为冻缩,说明冻土体变由黏聚力增加导致的体缩作用与冰水相变导致的体胀作用共同决定。当土样初始饱和度和孔隙比相同时,由黏聚力增加导致的体缩量和受到压力时产生的压缩量相当,可由压缩曲线预估土体的体缩量,体积含冰量与冰水相变导致的体胀量存在线性关系。     

南京地区冻结粉质黏土邓肯–张模型参数试验研究

通过冻结状态下三轴剪切试验,主要研究南京地铁冻结粉质黏土的抗剪强度和变形特性。结果表明:温度越低,土体抗剪强度越大。据此建立了以温度、围压为影响因素的冻结粉质黏土邓肯–张本构模型,并得出模型参数a,b;破坏强度与极限强度的比值为fR,其值为0.77~0.91,均值为0.86。将模型计算的应力–应变曲线与试验所得应力–应变曲线相比较,发现两者吻合较好。对比结果说明模型能够较好反映不同围压、温度条件下冻结粉质黏土的强度和变形特性。研究成果为人工冻结法在南京地铁中的应用提供一定参考。