气态水迁移诱发非饱和粗粒土冻胀的试验研究

寒区高铁粗粒土路基冻胀机理问题一直困扰科研和工程技术人员,气态水迁移诱发冻胀是目前广被关注的解释之一,但在直接试验证据方面研究较少.为证明气态水迁移可以诱发非饱和粗粒土冻胀,并进一步阐释非饱和粗粒土的冻胀机制,基于新开发的粗粒土冻胀试验仪,开展了系列的室内试验.结果表明,仅有气态水补给条件下,无细粒含量的粗粒土发生了明...     

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。     

离散元中破碎自组织对颗粒破碎影响研究

从数学领域的阿波罗填充法入手,建立了4种破碎自组织,并借助线性膨胀法保证破碎前后质量守恒。在此基础上,开展了不同破碎自组织的数值试验,研究了破碎自组织对级配演化以及材料的宏细观力学特性等的影响。结果表明:颗粒级配曲线的分形维数和颗粒间的平均应力随破碎自组织中颗粒数目增多而下降,而相对破碎率B_r和材料的压缩性随自组织中颗粒数目增多而增大。加载过程中的法向接触和接触力玫瑰图表明,自组织中颗粒数目愈多,材料的各向异性程度愈低,颗粒法向接触数目愈多,而法向接触力愈小。另外,配位数及接触力的概率密度也与破碎自组织存在密切联系。     

基于Markov链的岩土材料颗粒破碎演化规律研究

从单一粒径组颗粒破碎演化规律角度入手,研究了多粒径组颗粒破碎演化规律。首先,提出了能够描述单一粒径组颗粒破碎状态的两参数Weibull分布函数;此外,提出了多粒径组颗粒有效破碎概率概念;在上述基础上建立了一个能够较好的描述多粒径组颗粒破碎演化规律的Markov链模型,选取了不同岩土材料、试验条件和颗粒大小下的试验数据对该模型进行了验证,表明提出的模型能够描述各种试验条件下多粒径组颗粒破碎的演化规律。     

适用于黏土的分数阶应力诱导剪胀方程

建立了适用于黏性土的分数阶下加载面模型,该模型所采用的分数阶塑性流动法则能够在不引入塑性势函数的情况考虑塑性流动方向与土体物理屈服面之间的非正交特性,进而统一地描述相关联和非相关联塑性流动法则。基于该流动法则可以得到一个新的应力诱导分数阶剪胀方程以考虑超固结比对黏性土剪胀特性的影响。理论分析结果表明,在相同的应力水平下,土体剪胀量会随着超固结比增大而逐渐减小。相比较修正剑桥模型,该文模型仅额外地引入一个与土体剪胀特性相关的模型参数,并且能够对超固结黏土的应变软化和剪胀特性进行合理的描述。模型计算结果与试验结果对比分析结果表明,该文模型能够准确地描述黏性土在超固结状态下的应力-应变响应和剪胀特性。     

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。     

动静组合加载下颗粒迁移与沉积特性试验研究

悬浮颗粒在路基中迁移和沉积运动规律研究对揭示翻浆冒泥病害孕育、发展与致灾机制具有重要的理论意义和应用价值。通过开展动-静组合荷载下分层砾石-砂粉土柱翻浆试验,探究了动荷载加载强度、静荷载间歇时长、以及动静组合加载重复次数等对颗粒迁移和沉积行为的影响规律,并结合试样动水力响应特征分析了诱发颗粒迁移的驱动机制。试验结果表明：颗粒在动水力作用下发生悬浮迁移而在静荷载段受重力作用发生沉降,从而造成砾石层内泥浆浊度呈现波动型增长特征。随动静组合加载重复次数增加,每一个重复周期内的颗粒悬浮增量趋于降低,且悬浮颗粒逐渐堵塞砾石孔隙并在一定程度上抑制翻浆发展。提高动载频率和动应力会进一步降低砂粉土表层的内部稳定性,但相比于增大平均动应力,提高加载频率对增大颗粒迁移量和竖向迁移距离更加显著。     

试论冻害敏感性的合理性

冻胀和融沉是影响寒区工程设施安全服役的关键难题,如何合理评价土体的冻害敏感性一直是寒区岩土工程的热点话题.长期以来,以细粒含量为指标的冻胀特性评价体系,较为简单、明确,在指导寒区工程建设中发挥了重要作用.但近年来的研究成果表明:不同国家和地区的冻害敏感性评价体系差别较大,准确性参差不齐;气态水迁移能够引起粗粒土发生冰体...     

基于分数阶热弹塑性理论的软岩力学特性描述

软岩具有复杂的热力学行为,可能同时存在热增强和热减弱效应,即软岩的强度会随着温度升高增大或减小。为了描述软岩的力学特性,将其视作重超固结黏土,并假定其前期固结应力近似的等于单轴抗剪强度。基于分数阶热弹塑性理论,建立考虑温度影响的软岩分数阶下加载面模型,该模型能够在不引入塑性势函数的情况下统一描述相关联和非相关的流动法则。模型计算结果表明,软岩的热增强和热减弱效应与软岩的塑性流动方向和加载方向之间的夹角密切相关。在三轴压缩不排水试验过程中,采用非关联的流动法则会导致软岩的应力路径越过其临界状态线并最终达到临界状态,此时软岩的不排水剪切强度会随着温度的升高而逐渐上升;反之,则将观察到热减弱现象。此外,由于软岩的前期固结应力会随着温度的升高而减小,在p-q平面其初始下加载面可能会位于温度加载面外部,此时超固结比OCR将小于1。给出的模型能够合理地描述常温下太古石的三轴压缩排水试验结果,分析结果表明,软岩的应力-应变曲线具有应变硬化和软化特点,同时伴随着剪缩和剪胀现象的发生;针对不同温度下Ohya软岩的三轴压缩排水试验计算结果表明,随着温度的升高,软岩将逐渐由脆性破坏转变为延性破坏,其最终剪胀...     

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。