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。     

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。     

非充分补水条件下冬灌区压实黄土的冻融变形特性

结合宁夏的气候和黄土区域特点,以压实度和饱和度为因素,设计正交试验方案,用维持饱和度不变的一维单向冻融试验方法,研究压实黄土在非充分补水条件下的冻胀和融沉特性,分析其作用规律,建立冻胀率、融沉系数与饱和度、压实度及冻融循环次数间的关系模型.结果表明,非充分补水条件下,压实黄土的冻胀率和融沉系数均随冻融循环次数的增加而增大,在约12次时趋于稳定,且冻融循环效应随压实度或饱和度的增大而提高.冻胀率随饱和度的增大而增大,随压实度变化的规律与冻融循环次数有关,在7次冻融循环内随压实度的增大而减小,之后随压实度的增大而增大.融沉系数随压实度的增大而减小,随饱和度的增大而增大.压实度和饱和度对压实黄土的冻融变形影响显著,均是重要的影响因素.建立的关系模型预测结果准确,可用于预测非充分补水条件下压实黄土的冻融变形.     

冬灌区粉砂的反复冻融效应

结合宁夏当地气候和冬灌区粉砂的区域特点,以含水率和冻融循环次数为因素,应用封闭系统一维冻融试验方法,研究了粉砂冻胀、融沉和压缩性的冻融效应,分析了压缩性的冻融效应与冻融变形的相关性。结果表明:粉砂的冻胀率、融沉系数和压缩系数增量均随冻融循环次数的增加而增大,在前几次冻融循环内变化剧烈,随后趋于平缓,一定冻融循环后达到稳定。其达到稳定的冻融循环次数与含水率有关,随含水率的增大而增大。含水率使冻融循环效应增大,冻融循环使含水率效应提高。压缩系数增量与冻融变形率间存在非常好的线性相关性,且与理论分析吻合。研究结果对宁夏冬灌区砂土地基工程冻害评价与防治具有重要的指导意义。     

宁夏饱和黄土的冻胀融沉特性

结合宁夏当地气候和黄土的区域特点,以初始干密度、冻融循环次数为因素,研究了宁夏饱和黄土在不同补水条件下的冻胀和融沉特性,分析作用规律和机理,建立了冻胀率、融陷系数与冻融循环次数和初始干密度的关系模型,为黄土地区的工程冻害防治提供理论和技术支撑。试验结果表明:宁夏饱和黄土的冻胀性大,有外界补水时冻胀率高达14.0%;无外界补水时冻胀率也在4.0%以上。冻胀率随初始干密度变化的规律与补水条件和冻融循环次数有关;有外界补水时,试样的融沉系数大,但随冻融循环次数的变化小,融沉系数随冻融循环次数的变化规律与初始干密度有关。冻融变形达到稳定时的冻融循环次数多,有外界补水时更多;建立的冻胀率、融沉系数关系模型预测结果准确,可信。     

温度变化对高速公路盐渍土地基变形的影响分析

为了解决西北盐渍土地区高速公路出现的季节性冻胀和沉陷等变形问题,通过对G215线柳园至敦煌高速公路地基进行温度、湿度的现场监测,分析地基土中的温湿度随时间的变化规律。在此基础上,开展室内不补水冻融循环试验,对氯盐渍土的变形特性进行分析研究。结果表明：全年监测期间,地基土的温度敏感深度为85 cm,25~85 cm深度内地基中的含水率较高。在室内冻融循环试验中,含盐量为0.71%的土样冻胀变形大于融沉变形,体积累加变形量最大;压实度为95%的土样体积增加率达到1.14%,较85%压实度土样大0.7%,压实度越大的土样其冻胀变形大于融沉变形,土样体积累加变形量与压实度大小具有相关性;含水率为19.32%的土样体积增加率为7.70%,较27.32%含水率土样大7.44%,含水率小的土样融沉变形小于冻胀变形,土样体积累加变形量与含水率大小呈负相关。该研究结果能为盐渍土地区高速公路的病害分析提供参考。     

地铁软土层冻融特性试验分析及模糊随机预测

针对南通地铁软土层三类土样进行冻胀和融沉试验,发现冻胀力、冻胀率和融沉系数随着冻结温度降低而增大;在相同的温度条件下,黏土冻融特性最显著,粉质黏土中等,而粉土最弱.受土性、温度、含水率和干密度等因素的综合影响,三类土样的冻融变化规律表现出明显的不确定性.利用两类不同的权值对小波神经网络的激励和输出函数进行修正,利用梯度下降的方法对伸缩和平移参数进行优化.在此基础上,以土性、温度、含水率和干密度为输入量,冻胀率和融沉系数为输出量建立模糊随机小波网络冻融特性预测模型.工程算例表明,模型冻胀和融沉的预测值与具体工程实测值基本吻合,可作为南通地铁及周边地区地下冻结法施工冻融特性预测的有效工具.     

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。     

冻融对银川平原压实砂土压缩性的影响

为了给冻融变形稳定后的压实砂土地基提供沉降分析用基础数据,设饱和度依次为30%、50%和70%,压实度依次为0.88、0.93和0.98,考虑不同的补水条件,研究银川平原压实砂土经20次循环冻融后的压缩性.研究结果表明:循环冻融使压实砂土的压缩性增大,补水冻融条件下的压缩性增量明显大于非补水冻融条件下的压缩性增量,补水条件是重要的影响因素,隔水是减轻冻融对压缩性影响的有效措施.随压实度的增大,冻融对压缩性的影响在非补水条件下减小,在补水条件下则增大.压实度和饱和度对压实砂土冻融后的压缩性影响均为显著,二者都是主导因素.压缩性增量与冻融体积变形率间存在很好的线性相关性,可用冻融体积变形率估算压缩性增量,以减少试验工作量.研究结果对银川平原压实砂土工程的冻害评价与防治具有重要的现实意义.     

垫层料冻融变形特性的缩尺效应试验

垫层料冻融变形过大会影响寒区面板坝正常运行,有必要对垫层料冻胀融沉特性开展深入研究。受仪器设置限制,室内试验时只能采用缩尺后的垫层料试样,这可能会对试验结果有较大影响。为了揭示冻融试验中缩尺效应的影响规律,对不同限制粒径的试样进行了冻融试验。结果表明,相同相对密实度和含水率条件下,随着限制粒径的增大,试样冻胀变形量呈双曲线趋势减小;而冻融后总变形率先增大后减小。对比分析显示,试验结果与孔隙模型预测值吻合较好。     

冻融循环对GCL渗透特性的影响

为探究土工复合膨润土垫(GCL)在长期冻融循环作用下的防渗性能，以6h的冷冻和6h的融化为冻融周期对GCL进行冻融循环试验，研究了经历不同冻融次数后GCL渗透系数和自由膨胀率的变化规律.试验结果表明:4h内GCL可以达到冻胀稳定状态；GCL经历冻融循环作用后，再经历冻结时易产生不均匀冻胀；GCL在经历较少(≤30次)冻融循环次数情况下，渗透系数随冻融循环次数增加而减小，其最终渗透系数的量级在10^-11~10^-10m/s之间；随着冻融循环次数的增加，GCL中膨润土的自由膨胀率先增大后减小，最后趋于稳定.     

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.     

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     

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。     

考虑蠕变损伤作用的高山草甸区路基冻胀特性——以贡觉至芒康公路为例

冻胀融沉现象是高山草甸区路基的主要病害,是急需解决的重要问题。对于季冻区路基,蠕变作用使得路基冻胀变形更加复杂,因此,建立一种考虑蠕变损伤作用的冻土数学模型尤为重要。将冻土视为非线性弹性体,考虑冻土体蠕变损伤作用,分别从水分场、温度场、应力场角度,基于各物理场的微分控制方程式及其之间的联系方程,建立冻土在三场耦合下的数学模型。基于该数学模型对高山草甸区路基进行数值计算。研究发现,路基的最大冻深位置在路基表面以下1.2 m处,冻结锋面推移最大深度达到距离路基顶端以下0.6 m处;在左右路基顶角、新旧路基填土交界处及坡脚拐点处易出现应力集中;最大水平位移约为6.44 mm,最大竖向位移约为15.8 mm,大致出现在两侧坡面与路基顶面交界角处,应重点加强两侧坡面及路基顶面交界角处的防冻胀处置措施。     

冻结凿井中冻胀数值分析

为研究土体冻胀对冻结壁受力的影响,采用ANSYS有限元软件模拟深井冻结凿井施工中的土体冻胀情况,并结合现有冻结理论分析单圈冻结下冻胀位移场和应力场的变化规律。结果表明：冻结壁外侧土体冻胀位移均为正（向外）,内侧均为负（向内）,外侧明显大于内侧;冻结壁内侧冻胀应力远大于外侧,内外冻胀应力差使冻结壁不断向外变形;积极冻结初期冻结壁内部应力复杂,积极冻结后期,其内部应力状态趋于平缓。