单向冻结条件下裂隙岩体冻胀特性试验

单向冻结条件下寒区隧道围岩不均匀冻胀性是产生隧道冻胀力的主要原因之一.为研究寒区隧道含裂隙围岩不均匀冻胀特性,进行了单向冻结条件下裂隙岩体的冻胀试验,分析了裂隙岩体在单向冻结时的冻结过程及变形规律.试验表明,裂隙处冻胀与岩石自身冻胀存在明显差异,裂隙岩体在冻胀过程中表现出明显的不均匀冻胀特性.在裂隙较深的工况下,随裂隙宽度的增加,裂隙法向的线冻胀率增加.对于含裂隙饱和砂岩,岩石自身线冻胀率随冻结温度的降低明显增大,而裂隙法向的线冻胀率明显减小.凝灰岩孔隙率较小,岩体的冻胀变形以裂隙处的冻胀变形为主,岩石自身在低温条件下表现为冷缩.根据试验结果,在岩体不均匀冻胀系数中考虑了裂隙的影响,计算了含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数.裂隙平行于温度梯度方向时,随裂隙宽度的增加,含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数有所减小.随温度梯度的增加,含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数增加,且增幅相比岩石不均匀冻胀系数明显增大.试验初步反映了裂隙岩体的不均匀冻胀特性,为寒区隧道裂隙岩体冻胀变形计算提供了试验依据.     

地下换热管冻胀变形实验研究

针对地下换热管0℃以下低温运行工况,开展土壤冻胀挤压换热管变形的实验研究.本实验以U型换热管为例,基于变温运行模式,应用冻结锋面追踪和应变测试手段,研究冻结区发展和管截面变形特性,以及换热管初始变形对其冻胀变形的影响.研究表明,土壤冻结区不均衡发展,发展速度逐渐降低;受其影响,管截面呈现椭圆化变形,变形程度随冻结区发展而不断增大,且增大速度逐渐降低;初始变形可使换热管在冻胀过程中变形程度增加.     

地下换热器温变模式对其冻胀作用的影响

为研究地下换热器的低温运行模式对其冻胀变形影响,通过建立管土结构冻胀实验系统,选择连续降温、恒温、大幅度和小幅度周期性变温4种运行模式,采用冻结半径追踪和管体应变测量方法,研究了岩土温度、冻结区发展、换热管受力以及变形特性。结果表明:连续降温模式可产生最大的冻结范围,周期性变温模式的最大冻结范围大于恒温模式;连续降温模式可产生最大的岩土冻胀力,恒温模式次之,周期性变温模式最小;各模式下的换热管均发生椭圆化变形,椭圆化短轴位于进、出水两管中心连线方向,管体变形程度与冻胀力相对应,周期性变温可减轻管体变形;但变温幅度的作用效应有限。可见在实际工程中,应采取措施避免换热管连续降温,在长时间低温运行后,应及时通过升温来减缓管体受力变形的危害。     

基于冻融循环本构的预应力对拉式挡墙的冻胀效应研究

预应力对拉式挡墙的冻胀受力状态复杂,墙背的冻胀力分布尚不明确,进一步探究预应力对拉式挡墙的冻胀力分布具有重要意义。根据哈尔滨某地区的实际监测温度,采用ABAQUS数值模拟软件模拟温度场在模型空间的合理分布。基于冻融循环后混凝土塑性损伤本构,在所建立的温度场上进行热力耦合分析,研究预应力筋、冻胀时间对预应力对拉式挡墙冻胀效应的影响。研究结果表明：挡土墙所受冻胀力呈现“上小下大”的上三角分布趋势,且随着冻胀时间增加,冻胀力会呈现先逐渐增大然后逐渐减小的趋势,并在冻胀后120 d冻胀力达到最大。相比之下,由于预应力钢筋的存在,预应力对拉式挡土墙会使冻胀力在该处产生应力集中而增大,最大可使冻胀力增加200 kPa左右。在预应力钢筋的作用下,挡土墙的水平位移会减小40%～116%。本文研究结果可以为季节性冻土区的预应力对拉式挡土墙施工和设计提供技术支撑。     

黏质粉土冻胀过程中水分重分布和密度变化规律

为了探究黏质粉土冻胀过程中水分重分布和密度变化规律,通过4个不同顶板温度条件下黏质粉土的单向冻结试验,采用切层法和计算机断层扫描(CT)对试样冻结前后的分层含水率数据和分层密度数据进行了分析。结果表明:试样冻胀是由水分迁移和初始土样中的水分重分布后在已冻区和冻结缘区域发生相变后体积膨胀所控制的;试样冻胀后已冻区密度减小,未冻区密度增大,与含水率的变化规律相反。整体试样的宏观冻胀包含了已冻区的冻胀作用和未冻区的固结作用。     

淮南矿区典型冻土的力学特性试验研究

对淮南矿区3种典型人工冻结粘土力学特性的研究表明:钙质粘土力学性能最差;冻结粘土的单轴强度、变形模量和蠕变强度均随温度降低而增加,特别是当冻土温度低于-10℃时,冻结粘土强度随温度降低而剧烈增加,但温度的变化对泊松比影响较小,蠕变状态方程可用形如ε=A(T)σBtC的幂函数表示;在没有补给水源的情况下,其冻胀力可达0.8MPa,冻胀率小于5%,深层粘土的冻胀性小于浅层粘土。     

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。     

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。     

局部差异冻结作用于既有井壁的冻胀力研究

针对板集矿副井井筒局部差异冻结修复的工程问题,使用ABAQUS/Standard数值分析软件,结合冻土试验得到热、力学参数,建立局部差异冻结条件下土体热—力耦合模型并进行有限元分析,分析了冻结172 d内土体冻结温度场的分布状况,研究了外层井壁位置处冻胀力的发展变化规律,并对井筒进行安全性评价。结果表明:-300 m层位交圈时间较-450 m层位晚22 d,冻结壁平均温度较-450 m层位高5.2℃;两层位冻胀力自冻结30 d起呈现出线性增长趋势,在交圈后的14 d内有阶跃性增长,其后冻胀力增长速度放缓,各方位上冻胀力总体呈现类同心圆的发展形式。172 d时,-300 m层位冻胀力占初始地应力的17.94%;同期-450 m层位冻胀力占初始地应力的41.54%。井壁混凝土的最大环向应变值与等效应力值均在准许范围内,表明既有井壁仍处于弹性受力阶段,井筒安全可靠。由此可见,局部差异冻结技术可以有效控制冻结壁向内发展速度,限制土体冻胀,避免对井壁造成二次破坏,该项施工技术可为今后类似工程的开展提供重要参考。     

考虑寒区隧道围岩冻结温度渐变的冻胀力解析解

为考虑寒区隧道围岩单向冻结和径向冻结温度渐变会引起的不同方向和不同冻结深度处的非均匀冻胀变形,通过引入冻胀围岩径向冻结温度Tr和平行与垂直冻结方向的非均匀冻胀系数k反映围岩的非均匀冻胀性,理论推演建立了寒区隧道冻胀力解析解,并进行了案例和影响因素分析。研究表明：忽略冻结温度渐变影响时冻胀力明显偏大,考虑冻结温度渐变可有效提高冻胀力计算的可靠性;考虑冻结温度渐变影响的冻胀力随着非均匀冻胀系数k的增大呈对数函数增大,随冻结与未冻围岩的弹性模量比E_Ⅱ/E_Ⅲ的增大而线性减小,且E_Ⅱ/E_Ⅲ越大时冻胀力产生所需围岩达到的临界k值也越大;隧道冻胀力随围岩冻结圈外径、未冻围岩弹性模量和原岩应力的增大而增大,但随衬砌内径、冻结围岩单位温度冻胀系数的增大而逐渐降低。     

不同土样冻胀融沉特性实验和数值模拟研究

为了研究土样、荷载、吸水量以及温度等因素对冻胀量和融沉量的影响,运用多功能冻胀融沉实验系统,分别以粉细砂、粉质黏土、黏质粉土和杂填土为研究对象,进行在试件周边和底部限制变形条件下顶部施加不同荷载的冻胀融沉实验。研究结果表明:(1)土样冻胀变化趋势主要分为三个阶段:缓慢冻胀阶段、快速冻胀阶段以及稳定冻胀阶段;(2)随着冻结温度的降低,土样冻胀量均逐渐增大,并最终趋于稳定;(3)冻结过程中吸水量和冻胀量成正比,变现出良好的想关性;(4)在试样上部施加荷载对试样的冻胀产生明显的抑制作用,随着荷载的加大,冻胀量逐渐减少最终接近于零;(5)无论土样是否受到载荷作用,粉质黏土的冻胀率均为最大,而杂填土的冻胀率最小,且黏质粉土的冻胀率大于粉细砂;(6)冻胀量对融沉量影响较大,冻胀量越大融沉量也越大,且融沉量大于冻胀量。研究成果对土体冻胀融沉的研究具有重要的指导意义。     

地基冻-融循环离心模型试验研究

在清华大学已完成的模型的模拟试验基础上 ,对地基经两个冻 -融循环进行离心模拟的重复试验 ,两个重复试验数据几乎一致表明该套寒区离心模型试验装置和测试系统是可行和可靠的 ;相同条件下有荷和无荷地基在冻 -融循环下重复试验显示 ,适当的荷载可抑制地基冻胀 ;自由冻胀量与实际相符 ;地基内温度变化情况和相应的冻胀融沉特征相同、数据相近 ,说明试验数据正确     

砂砾土地基道面结构不均匀冻胀防治

为有效解决砂砾土地基道面结构不均匀冻胀问题,分析了道面结构冻胀防治现状及其问题,以及不均匀冻胀问题产生的主要原因;对果洛机场现场试验段的土质进行了颗粒分析试验,对天然砂砾土和表层细粒土的冻胀敏感性进行了评价。实测了现场土基的含泥量和含水率,设计了5种道面结构方案,并评价了各自的优缺点,优选出了跑道与道肩一体化方案,并对该最优方案进行了抗冻性验算和成本费用分析,最后对应用效果进行了验收评价。结果表明该方案不仅能够有效避免不均匀冻胀,且满足抗冻性要求,同时具有一定的经济适用性。根据实际工程反馈该方案冻胀防治效果良好。根据分析、试验、实测及验算等研究成果和工程实际情况,总结性地提出了工程措施建议。     

非补水条件下同心压实黄土的冻融特性

为揭示宁夏压实黄土在非补水条件下的冻融特性,结合当地地域特点,设计正交试验方案,采用封闭系统一维单向冻融试验方法,研究了宁夏压实黄土的冻胀融沉变形随压实度、饱和度和冻融循环次数变化的规律,建立了冻胀率、融沉系数与压实度、饱和度和冻融循环次数的关系模型。结果表明：非补水条件下,冻融循环对压实黄土的冻融变形有明显影响,饱和度越大,影响越明显;饱和度<40%时,试样表现为冻缩融胀现象,且压实度越大,冻缩融胀越明显;冻胀率与融沉系数均随压实度的增大而减小,随着饱和度的增大呈非线性增大;压实度和饱和度对冻融变形的影响非常显著,尤其是饱和度的影响,饱和度由40%增加至85%,冻胀率最大增量约5%;建立的冻胀率和融沉系数的模型显著性高,与各因素有很好的相关性,可用于预测封闭系统非补水条件下压实黄土的冻融变形。     

人工冻结粘性土的冻胀特性研究

冻结法在矿山建设方面应用已越来越多,冻胀对施工的影响也不容忽视,对冻胀进行研究很有必要.通过自行研制的冻胀仪进行试验,并根据试验结果,比较分析两淮地区人工冻结粘性土在不同地层深度和土质下的冻胀特性,以及相同土样的砂质粘土在不同含水率下的冻胀特性,得出了冻胀力和冻胀率随着地层深度的增加而减小的特性.并研究了相同砂质粘土土样在不同含水量下的冻胀特性,得出了相同土样的砂质粘土冻胀率随着含水量的增大而增大,特别当含水量大于塑限时冻胀增量更大的物理特性,对工程应用具有一定的参考价值.     

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.     

整体式U形渠道不同断面结构抗冻胀性研究

针对倾角与渠道衬砌抗冻胀性定量关系存在不足的问题，以河套灌区D80整体式U形渠道为例，结合力学模型和数值模拟，分析不同条件下适用于当地冻胀环境的整体式U形渠道断面结构.结果表明:倾角越小渠道越窄深，渠顶水平冻胀量越大，渠底应力越大；反之，倾角越大渠道越宽浅，渠底竖向冻胀量越大.渠基土冻胀性、渠道混凝土衬砌强度和厚度对渠道抗冻胀性影响较大.对于亚黏土基土，选择0.07m厚衬砌，10°倾角为宜；对于粉土基土，选择0.08m厚衬砌，13°倾角为宜.     

封闭系统条件下压实黄土的二维循环冻融变形特性及其评价

道路、渠道和土石坝等工程的冻融为二维冻融,为探索土在二维循环冻融作用下的变形规律和评价方法,以宁夏同心黄土为对象,压实度和饱和度为因素,试验研究了压实黄土在封闭系统条件下的二维循环冻融变形特征,变化规律,分析了因素的作用机理和显著性,提出了二维冻融变形评价方法。试验结果表明:封闭系统条件下,压实黄土的二维循环冻融变形以水结冰膨胀效应为主导,竖向表现为冻胀和融沉,水平表现为冻胀和融胀。水平和竖向冻胀变形的比值随冻融循环次数的增加而增大,最大比值约2倍。水平融胀明显地小于竖向融沉,二者的比值平均约0. 43。较一维封闭系统竖向冻融,二维冻融的竖向融沉变形占竖向冻胀变形的比例大,竖向冻融变形波动明显,且冻融体变率高。压实度和饱和度对压实黄土二维冻融变形的影响均非常显著,是主控因素。评价指标合理,能直接或间接表征冻融对土的几何、物理和力学性能的影响。研究结果对宁夏压实黄土岸坡工程的冻害评价与防治具有重要的现实意义,对土二维冻融效应的深入研究具有引导和促进作用。     

The Informatization Construction of Fenghuoshan Tunnel in Permafrost

1BriefIntroductionoftheProject LocatedinKekexilidepopulatedzone,350kmtoGolmudcityofQinghaiProvince,Fenghuoshan TunnelofQinghai TibetRailwayis1338mlong,withatrackelevationof4905mabovethesealevel.It’sthehighesttunnelintheworld.Fenghuoshanregionhasformidablenaturalconditions,witharcticalpineclimate,deficient oxygen,andvulnerableenvironment.It’ssurroundedbyhillswithseverepartialundulation.Ithastypicalaltitudeiceandsnowclimate,whichchangesconstantly.Theregioniscalledtheforbiddenareaforlives…