上海人工冻土冻胀特性和水分迁移的试验研究

冻胀是冻土材料的一种最为显著的特性,冻胀引起土体位移将对周围环境产生危害.通过目前新研制的微机控制多功能冻土冻融试验机POWER TESTV32-SHT,配合CT扫描,对上海具有代表性的粘土进行人工冻土的冻胀量和冻胀应力模拟试验研究,得出不同深度土层人工冻结后的冻胀量和冻胀应力与固结应力的关系,以及土样在冻结过程中的水分迁移情况.所得结果将对上海人工冻土工程的设计、施工具有一定的参考价值.     

青藏高原多年冻土区建筑基础工程施工和质量控制及环境保护

青藏高原多年冻土区冻土是一种对温度极为敏感的土体介质,冻土具有流变性,其长期强度远低于瞬时强度特征.按其特点把冻土分为三层:上面一层叫冻融层;下面一层叫永冻层,也叫冻结层;上下两层之间冻土为冻融相变混合层,冻土上限随气温不同发生上下移动,暖季冻融层厚度增加,永冻层厚度减小;寒季则反之.在冻土区修筑工程构筑物,其基础面临两大危险:寒季冻融层冻结,发生冻胀;暖季冻融层融化,发生融沉.同时,冻土区施工,还面临着生态脆弱,原有植被一旦破坏,很难恢复施工.为此,在冻土区的建筑工程基础施工时,注重多年冻土层的保护和基础工程的技术创新及质量控制,以克服地基融沉与冻胀所引起的基础变形与不稳定;同时,注重冻土区自然生态的保护和植被的恢复,多种新技术并用,以使青藏铁路与原有的生态完好的共存,保障青藏铁路的正常运营.     

简谈冻土对公路工程的危害

在冻土地区修建的公路、桥梁、涵洞及其它人工构造物,由于土的冻胀作用,经常会造成各种不同程度的破坏.了解冻土,改善土的冻胀性,对保证工程的安全、可靠,具有重要意义.     

基于管沟尺寸的冻胀作用下输油管道应力分析

冻土区土壤因其特殊性易受温度影响,土壤冻胀会使敷设在管沟内的管道翘曲变形。因此,为使有限元分析结果更符合管道敷设在一定管沟尺寸下的实际要求,利用ABAQUS软件建立基于管沟参数的有限元模型,在冻胀作用下分析了管道在不同管沟尺寸参数下的应力分布规律。对比分析了在不同地表温度、管沟坡度、沟底加宽裕量等情况下的管道应力集中现象以及各参数对管道应力峰值的影响。研究表明：管道在冻胀区域与过渡区和非冻胀区会出现应力集中现象,管底冻胀区域中部为高风险失效区,地表温度对管道轴向应力分布影响最显著。管顶最大Von Mises应力在冻胀区域中部且随管沟坡度的增大而增大,过渡区和非冻胀区交界处的最大Von Mises应力随管沟坡度的增大而减小。管沟坡度一定时,过渡区和非冻胀区交界处的Von Mises应力最大,且随沟底加宽裕量的增大而增大。     

多功能冻胀试验系统研制及应用

冻结工法广泛应用于各种工程领域中,引起的冻胀融沉问题不容忽视;但传统冻胀试验装置已无法模拟日益发展的冻结工况。研制一台能够反映实际冻结工况的人工冻土多功能冻胀试验系统显得尤为重要。在传统冻胀试验机基础上,拓宽试验温度控制系统可使试样顶部、底部、环境温度任意设定;增加试样测试模具类型可模拟竖向与侧向两种冻胀形式;增加伺服电机驱动系统可实现大应力加载;对试验结构进行模块化可使试验操作简单。通过选择合适的模具与试验边界条件,即可对实际工况冻胀力进行测试。基于本冻胀试验系统,进行了单、双向冻结模式冻胀试验,结果表明冻胀力取值是否合适与试验边界条件选择密切相关,证明本试验系统研制具有重要现实意义。     

海相人工冻土热物理特性试验研究

【目的】沿海城市轨道交通主要穿越海相深厚软土,需要大量使用冻结法施工,而该地区典型土层热物理特性是冻结法设计的关键依据。研究土质、冻融条件等因素对海相人工冻土冻结温度、热物理性质和冻融性质的影响可为该地质条件下的隧道施工提供基础资料。【方法】选取宁波地区3种典型土层,即淤泥质黏土、粉质黏土和砂质粉土,开展冻结温度和热物理参数测定,以及封闭与开放系统下冻胀融沉试验。【结果】3种土层冻结温度为-0.43～-0.23 ℃,且以砂质粉土的较高,粉质黏土的次之,淤泥质黏土的较低; 不同土层热物理性质不同,但其常温土的导热系数和容积热容量大小呈现一致性,表现为砂质粉土最大,粉质黏土次之,淤泥质黏土最小; 冻土的导热系数、容积热容量和导温系数均大于常温土,冻土导热系数为常温土导热系数的1.37～1.77倍,且颗粒越粗差异越大; 各土层冻胀率和融沉系数相差较大,冻胀率较大的土层其融沉系数也较大,表现为淤泥质黏土＞粉质黏土＞砂质粉土; 开放系统补水冻结过程下各土层冻胀率和融沉系数分别为封闭系统冻结过程不补水工况下冻胀率和融沉系数的1.23～1.88倍和1.21～1.84倍。不论是开放系统还是封闭系统,海相土体各土层的融沉过程相似,可分为缓慢融沉、快速融沉和稳定融沉3个阶段。【结论】海相土体的冻结温度、热物理性质和冻融性质与其土质、状态和冻融条件等因素密切相关,在进行海相土体冻结法设计与施工时,应充分考虑其物理特性的差异性。     

冻土中冻结锋面移动的影响因素

冻结中的固液相变过程是冻土冻胀研究的一个基础.根据热传导理论,对半无限土体的热传导模型进行分析,将冻土分为已冻土和未冻土两个区,对固液相变以及冻结锋面的移动进行研究,探索影响冻土温度分布的因素,研究含水量、干密度和土的类型对温度场及冻结锋面移动速率的作用.同时根据冻结锋面的移动规律,建立了冻胀量随时间的关系式.最后,通过算例,结果表明含水量和干密度对冻土温度分布产生不小的影响,尤其是含水量,含水量越大,冻结锋面移动越快.含水量对冻土温度分布的影响最大,其次是干密度,土类型的影响最小.分析显示冻胀过程中温度与冻胀的影响作用明显,含水量是一重要因素,对冻胀量的影响是非常显著的.     

基于超声波检测的砂岩冻融循环破坏过程

目的研究高寒地区工程砂岩在冻融循环作用下的破坏机理,解决冷热循环所引起的冻土工程问题.方法通过冻融循环试验,利用超声波检测技术,从岩样的构造特征、矿物组成的角度,对饱和砂岩在冻融循环作用下的破坏机理进行了分析.结果未经冻融的砂岩孔隙率增加了0.9%,表明冻融初期水对砂岩胶结物有溶蚀作用.经过5次左右冻融循环的砂岩孔隙率增加了8.3%,占总增加量的80%,纵波幅值下降73 m V,占总下降量的64%,弹性模量下降576 MPa,占总下降量的76%.表明冻融初期,主要是水结冰的冻胀作用产生周期性荷载,使得孔隙联通,形成大的裂隙;而冻融后期,冻胀作用产生的变形大部分为弹性变形,冻胀的作用效果减弱.结论工程环境中的水通常具有一定的化学成分,会与砂岩发生化学作用,促进损伤的发展.砂岩的损伤主要是孔隙水结冰的冻胀力引起的,当冻胀力超过砂岩抗拉强度时,新的裂隙会产生,只有当下次冻融时冻胀力大于前次冻胀力时,裂隙才会继续发展.     

类毛细导水材料排水及抑制土体冻融效果研究

为解决季节性冻土地区路基土中水分积累引起的路基冻害问题,以商用高岭土为对象,通过对使用类毛细导水材料处理后的高岭土单元试样分别进行排水和冻融试验,研究类毛细导水材料排水及抑制土体冻胀的效果. 结果表明,类毛细导水材料可以在土体非饱和条件下将其中水分排出,使土样中水分含量降低20%~30%;类毛细导水材料包裹试样侧面时的排水效果优于将其埋设于试样中,且试样初始含水率越大,类毛细导水材料的排水性能发挥越充分;冻融试验中,土样初始含水率越高,其冻胀量和融沉量也就越大,类毛细导水材料能够使土样在冻胀融沉过程中的体积变化率降低5%~15%,从而有效抑制土体冻害.     

补水条件下压实黄土的二维冻融变形特性

为探索压实黄土的二维补水冻融变形特性,固定饱和度为60%,变化压实度依次为0.86、0.90、0.94和0.98,及固定压实度为0.94,变化饱和度依次为30%、40%、50%和60%,用定饱和度法进行了压实黄土在20次冻融循环内的二维补水冻融试验。二维补水冻融试验结果表明:试样竖向为冻胀和融沉,水平向为冻胀和融胀;随冻融次数的增加,试样冻结后的高度呈先迅速增大后缓慢减小的趋势,竖向融沉由小于竖向冻胀逐渐转化为大于竖向冻胀,数次冻融后试样的高度小于初始高度,试样的宽度持续增大,水平融胀是竖向融沉增大的主要原因;相同饱和度条件下,试样的冻胀率、融沉系数和体变率在某冻融次数前随压实度增大而减小,之后随压实度的增大而增大,压实度可以延滞冻融变形的发展,但会加大冻融变形的稳定值;相同压实度条件下,试样的冻胀率、融沉系数和体变率随饱和度的增大而增大,但体变率随着循环冻融次数的增加有趋同性;压实度不仅影响体变率达到稳定值的冻融循环次数,而且影响稳定值的大小,饱和度仅影响体变率达到稳定值的冻融循环次数。研究结果对季节性冻土地区压实黄土岸坡工程的冻害评价与防治有重要意义。     

冻土冻胀融沉的研究进展

论述了冻土冻胀、融沉研究的现状 ,总结了当前冻胀融沉机理、数值预报模型和防冻害措施的研究成果 ,探讨了目前冻土冻胀、融沉研究存在的不足之处 ,并对今后的研究方向进行了展望。指出应对冻胀水、热、力、位移的耦合作用进行理论和试验研究 ,建立更合理有效的冻胀、融沉预报模型 ,开发预报冻胀、融沉的软件 ,加强实验和工程验证     

多年冻土路堤水平排水板的作用机理与试验研究

为了解决青藏高原的冻土浅层雨季雨水下渗和蒸发所产生的冻土冻胀与融沉问题,在青藏高原开展水平排水板结构性路基和普通通风路基的原位模型对比试验,并从理论上探讨水平排水板在多年冻土路基中浅层重力排水和结构加劲的作用机理,确定水平排水板的铺设参数;运用光纤监测技术对水平排水板在多年冻土路基中的变形进行监测,对比分析水平排水板铺设与否这2种条件下冻土路基变形监测结果.研究结果表明:铺设水平排水板缩短了冻胀变形的冻结期,延长了相对稳定的稳定冻结阶段,减小了冻胀变形范围和冻胀变形;在铺设水平排水板的路基段,最大融沉变形为3.7 mm,累计最大冻胀变形为5.7 mm,而在未铺设水平排水板的试验路基段,最大融沉变形为3.1 mm,累计最大冻胀变形为9.2 mm.水平排水板在冻土路基工程中,可以有效控制雨水量在路堤下的下渗,减小雨水下渗量所带来的多年冻土路基的冻胀变形.     

辽源地区季节冻土输电线基础变形规律分析

在季节性冻土区,由于气温变化,输电线塔杆地基经常会产生冻融破坏,从而导致其产生偏移,造成严重的经济损失。由于冻融循环作用,导致辽源地区混凝土基础周围土体结构弱化,发生冻胀融沉破坏,为分析基础冻胀融沉破坏发生的原因,以水热力耦合方程为理论基础,通过仿真模拟分析法,分析输电线路基础在冻融循环作用下产生偏移的原因,并预测地基力学性能薄弱的月份,为季节性冻土区基础工程建设提供参考。     

人工冻土蠕变非定常开尔文模型

为了更好地描述人工冻土的蠕变特性,将广义开尔文模型中的经典Newton黏壶中的黏滞系数定义为与时间有关的非定常参数,通过推算得到非定常开尔文模型,用粒子群优化算法识别模型中的参数。非定常开尔文模型能模拟不同应力下的蠕变试验数据,效果都很好,充分说明了该模型的合理性。目前采用非定常开尔文模型来研究人工冻土的蠕变规律的很少,此方法的提出为人工冻土领域的计算开辟了新思路。     

土工袋防渠道冻胀水-热-力耦合数值模拟

根据水-热-力耦合计算模型,编制相应的有限元计算程序,并结合寒冷地区渠道工程进行数值计算,分析渠道建成后2 a内渠坡的温度场、水分场及位移的分布规律。计算结果表明:渠坡在冻融过程中表现出显著的冻胀、融沉变形特性,且冻胀和融沉变形不可逆;土工袋处理渠道对冻土渠坡具有较好的防冻胀效果,土工袋具有较小的导热性,可以有效减小渠坡内部土体温度受大气温度的影响,从而减小渠坡发生冻胀融沉变化的可能性;土工袋可以抑制毛细水和薄膜水的上升,可减小土工袋层及下部土体中的水分迁移,从而保持渠道内较为稳定的含水量,减小渠坡表层的冻胀量;土工袋具有一定的强度且在自身袋子张力作用下能够抑制部分冻胀变形,从而减小渠道衬砌体由冻胀引起的破坏。同时,渠道表层用土工袋处理后,渠坡内部温度可以较快达到稳定状态,运行2 a后可在地基2 m以下位置形成较为稳定的常年冻结层。     

季冻区粉质粘土路基的冻胀特性的模型试验研究

为对季冻区路基冻胀性能进行研究,以实际工程为依托,通过相似原理方法进行缩尺模型试验研究。在开敞式条件下进行单向冻融试验,分析在不同温度梯度条件下冻融循环两次过程中温度分布及冻胀特性。自行研制的冻胀设备能满足变形、温度等多项试验指标。试验测试结果表明：冻结速率随时间的增加呈现出降低趋势且具有一定的波动性;冻结深度随冻结负温的增加而增加,并且在-15℃时,最大冻深达到39cm;通过对冻结深度与时间关系进行分析提出冻结深度预测公式,通过对前人已有数据进行验证发现本文提出公式具有很好的适用性;在不同冷端温度与冻胀量关系中发现,当冻结负温在-10℃下,土体达到最大冻胀量。     

高寒地区机场道面基层底面冻胀应力的计算

传统的高寒地区机场道面厚度设计,一般较少考虑冻胀作用下道面正常使用的要求,道面在冬季均会产生冻胀现象。基于推导由冻胀引起的作用在道面面层的应力,从能量平衡的角度,推导出了作用在基层底面的冻胀应力解析式。研究结果已在某机场改造工程冻土实验中进行了验算,误差为2%,结果表明该解析解在高寒地区的机场道面和水泥混凝土公路结构层设计中均是有效和可行的。     

季冻区粉质黏土路基的冻胀特性的模型试验研究

为对季冻区路基冻胀性能进行研究,以实际工程为依托,通过相似原理方法进行缩尺模型试验研究。在开敞式条件下进行单向冻融试验,分析在不同温度梯度条件下冻融循环两次过程中温度分布及冻胀特性。自行研制的冻胀设备能满足变形、温度等多项试验指标。试验测试结果表明:冻结速率随时间的增加呈现出降低趋势且具有一定的波动性;冻结深度随冻结负温的增加而增加,并且在-15℃时,最大冻深达到39 cm;通过对冻结深度与时间关系进行分析提出冻结深度预测公式,通过对前人已有数据进行验证发现所提出公式具有很好的适用性;在不同冷端温度与冻胀量关系中发现,当冻结负温在-10℃下,土体达到最大冻胀量。     

季节性冻土路基冻胀影响因素分析

路基冻胀是季节性冻土区公路中特有的破坏现象,也是主要病害之一。研究季节性冻土区的冻胀机理及其影响因素,对保障季节性冻土区的路基稳定、控制路基沉降、提高路基耐久性具有重要意义。本文分析了季节性冻土区路基冻胀的几个主要影响因素,从土体土质、土体水分和土体温度三个主要因素分析它们对土体冻胀的影响,为季节性冻土区路基施工提供理论指导。     

冻融作用对土壤水分迁移和地下水位波动影响的实验研究

相比于非冻土分布区,季节性冻土区冬春季节的冻融作用显著影响着土壤水分运动和地下水位动态,进而改变地下水土环境中的水力条件和污染物分布特征。针对冻融作用下地下水位的波动过程尚缺乏定量化的具体研究,本文首次建立包气带、含水层水分迁移过程的冻融循环模拟实验装置,定量模拟分析了不同介质粒径和不同温度条件下冻融过程造成的水位波动差异,揭示冻融作用下土壤水分迁移和地下水位的波动规律。结果表明:冻融过程地下水位变化阶段与土壤冻融阶段相对应,且存在滞后现象;土壤的介质条件和温度条件均对冻融过程中地下水的波动具有重要影响,粒径越细,温度梯度越大,水分迁移量越大,水位波动越显著。