塑料排水板处理软基的离心机试验研究

京沪高速铁路沿线软土分布广,为了选择合理的软土路基处理方法,通过无处理软土路基和塑料排水板地基的土工离心模型试验,探讨了路基不同点沉降与时间的关系、不同深度处横向位移的大小以及塑料排水板对路基沉降控制的效果.结果表明,最大沉降都发生在路堤面中心线处,最大水平位移发生在坡角下6.6 m的地基中,荷载影响深度约为13 m.塑料排水板地基与无处理地基相比,沉降有所减小,但竣工3年时沉降仍未稳定下来,因此应与其他软基处理方法联合应用.     

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.     

季节性冻土区铁路接触网立柱桩基础冻胀变形数值模拟研究

季节性冻土区铁路接触网基础常因土体冻胀影响,发生拔起、倾覆等工程病害,严重影响电气化铁路供电安全与平稳运营。为分析接触网基础受土体冻胀的影响过程,本研究基于热-力耦合理论,考虑土体冻胀正交各向异性、温度对路基土体冻胀率的影响等关键因素,选取川藏铁路沿线昌都、康定、理塘三地区全年气温变化条件,分析全年不同时期接触网立柱基础冻胀变形特征。结果表明:桩基整体呈现上拔、外倾趋势,桩基整体位移量与冻深呈现正相关关系,而冻深与全年气温条件显著相关。建议可以通过保温隔热等防护措施减小冻深,从而达到改善桩基冻胀变形,提高基础冻胀抗拔稳定性的目的。     

注盐法整治季节性铁路路基冻害可行性试验研究

以青藏铁路鸟岛段季节性冻土区路基冻害为研究背景,在室内填筑路基实体模型,进行封闭系统中反复冻融循环条件下的模型试验,分析冻融循环条件下普通路基和注盐路基的温度和位移规律。结果表明：随着环境温度的周期性变化,普通段和注盐段的温度均呈现出正弦曲线变化规律,试验段温度波动范围为环境波动范围的三分之一左右;普通段两个断面路基土体在固结沉降过程中呈现出有规律的抬升和下沉,注盐段呈缓慢下沉;普通段和注盐段两个试验段四个断面路基土体冻胀最大值分别为0.23 mm、0.10 mm和0.06 mm、0.05 mm,注盐之后路基冻胀减小平均约74%,说明注盐对于路基土体冻胀有很大的抑制的作用,注盐法整治路基冻害是可行的。     

高纬度林区多年冻土片块石路基降温效果及变形特征

在边坡滑塌、不均匀沉陷等路基病害极易发生的多年冻土区,片块石路基是一种常见的路基结构,而其在高纬度林区的应用研究还相对较少。本文针对高纬度林区多年冻土体积含冰率高、对温度变化敏感等特征,以高纬度林区某段公路多年冻土片块石路基工程为例,建立冻融循环热力耦合数值模型,分析了片块石路基温度场和应力-应变场的变化规律,研究了路基冻胀融沉的热力学机制。结果表明：高纬度林区多年冻土片块石路基的温度场,在地下2 m内受地表温度影响显著,而地下2 m以下受影响较小,温度稳定在-1.5 ℃。多年冻土片块石路基的变形以融沉为主,在11月达到最大值,为13.5 mm；而冻胀量在4月达到最大值,为7.5 mm。路基融沉主要归因于冻土的融化,而路基冻胀是由于路基结构本身的冻胀变形引起的。因此,在高纬度林区多年冻土路基采用片块石冲压层和填筑层的结构是可行的,对路基下冻土起到良好降温效果的同时,路基的变形量也控制在了规范要求范围内。     

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。     

冻胀变形下高速铁路车辆-轨道-路基耦合系统的动力效应

季冻区严酷的自然环境对高速铁路的高标准运行产生了极大影响，甚至会对高速铁路造成永久性破坏。为探究季冻区高速铁路路基冻胀变形作用下对车辆-轨道-路基耦合系统动力效应的影响，以银西高速铁路某冻胀区段为背景，结合车辆-轨道-路基系统动力学的原理和分析方法，建立了简化后的动力学模型；选取了典型的单波余弦冻胀波形（冻胀波长 λ =10 m, 冻胀峰值 f =10 mm），分别探讨了轨道系统与车辆系统的动力学效应，并据此确定了轨道刚度的合理取值。研究结果表明：在路基冻胀变形作用下，轨道系统中轨道各部件动压力、动位移及动加速度幅值在低频段（0~200 Hz）发生明显波动，扣件刚度与道床刚度的最优刚度比为0.5，轨道总刚度的合理取值在62~87 kN/mm范围为宜；车辆系统中车辆轮重减载率及车体垂向加速度与冻胀波长 λ 成反比关系，与冻胀峰值 f 成正比关系。     

列车作用下冻土路基动力响应的数值模拟

为研究高温冻土铁路路基内部的动力变化规律,以人工数定激励力法模拟列车荷载,采用ABAQUS有限元软件建立冻土路基模型,对列车作用下的冻土路基进行动力响应模拟.结果表明:在列车振动荷载作用下,冻土路基内部各点的应力和位移均由路基的顶部中心位置向两侧和下部逐渐减小,路基的最大应力和最大变形均发生在其顶部中心处;路基内各个点的竖向振动随着深度增加逐渐衰减.该结果可为高温冻土路基的强度变化研究提供借鉴.     

宽厚板坯连铸结晶器流场、温度场及应力场的耦合数值模拟

利用ProCAST软件对2400 mm×400 mm宽厚板坯结晶器建立三维动态模型,采用移动边界法实现结晶器内流场、温度场及应力场的耦合模拟.结果表明：考虑凝固坯壳的影响,下回流区位置向铸坯中心靠拢,真实反映了钢液在连铸结晶器内的流动情况.自由液面的钢液从窄面流向水口,速度先增大后减小,距水口约0.7 m处,出现最大表面流速,约为0.21 m· s-1.结晶器出口坯壳窄面中心厚度最小且由中心向两侧逐渐增大,最小厚度约为10.4 mm;受流股冲击影响较弱的宽面坯壳与窄面相比生长更均匀,宽面偏角部和中心的坯壳厚度分别为18.9 mm和27.6 mm.铸坯坯壳应力变化趋势与温度基本保持一致,表明初凝坯壳应力主要是热应力.结晶器内铸坯宽窄面上的等效应力均沿着结晶器高度下降方向呈增大趋势,铸坯角部、宽面中心及窄面中心位置的最大应力各约为200、100和25 MPa.     

寒区公路路基温度场的自动监测与特性

针对寒区公路路基温度场的观测存在外部环境复杂、自动与连续观测难以实现等困难,采用DS18B20温度传感器、STC89C58单片机、DS12C887时钟和AT24C256外部扩展数据存储器组成观测系统,外接锂电池供电,对路基温度场实现了自动采集、储存和无间断观测。结果表明:在冻融循环期内,最大冻深在路基顶面下2.3 m,比天然地基深0.85 m,说明路基填筑改变了原天然地基温度场的状态;与气温变化时间相比,路基冻深变化在次年3月份达到最大,存在50 d左右的滞后期;在路基冻融过程中呈现不均匀现象,融化期内,路基内部存在马鞍形未化冻土区域,并在融化末期产生未化冻土核;其观测结果可作为寒区公路路基病害的分析依据。     

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。     

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。     

重塑黏土单向冻结过程中水分迁移试验研究

利用室内水分迁移试验装置,通过改变土体初始含水率和温度梯度,进行土样单向冻结试验,研究含水率和温度梯度对土体中水分迁移和土样冻结过程的影响。结果表明:土样冻胀后在上部冻结区产生了不规则网状裂缝,裂缝最密集区域含有大量冰晶体,导致此处出现含水率峰值,峰值大小主要受初始含水率影响,但其出现位置主要由温度梯度决定; 上部冻结区增加的含水量来源于外界水分补充和未冻结区的水分迁移,下部未冻区的含水率较初始状态降低,其降低程度主要受初始含水率控制; 在整个冻结过程中,外界水分一直向土样内部迁移,水分迁移速度先增大再降低,温度梯度增大导致入流量和入流通量相应增加,初始含水率越大则入流量越小; 土样冻胀速率和冻结速率主要受温度梯度影响,整体趋势都是先增大到峰值,再逐渐降低并趋于稳定。     

热-湿-应力耦合作用下框架锚杆支撑的边坡冻融特性分析

为探究季冻区框锚支护边坡的冻融规律，根据传热传质理论，给出了土体在冻融过程中温度场、水分场和应力场的数学模型方程，使用有限差分法对温度场和水分场进行分析，在每个时间步长内使用有限单元法对应力场进行分析。同时，针对土体与结构的协同作用，提出了零宽度四节点单元作为二者的联结单元，来体现二者的联结关系。基于MATLAB软件平台编制了计算程序，并结合室外试验验证了程序的可靠性。结果表明：边坡顶部受温度影响较大，地表温度在冻结和融化时对土体最大影响深度分别是2.0m和1.5m；冻结时的剪应力大约是融化时的2.5倍，在坡面上分布较均匀，边坡处于稳定状态；融化时的剪应力在坡脚处出现应力集中，在融化区和未融化区交界面发生剪应力突变，边坡处于不稳定状态；3种工况下冻结时锚杆轴力最大，大约是初始工况的2.4~2.5倍，融化时锚杆留有残余轴力，大约是初始工况的1.1~1.3倍，表明冻融过程中的冻胀变形对锚杆内力影响较大，一旦超过其抗拉极限，就会发生锚杆被拔出的现象致使防护失效，边坡失稳。因此由冻结引起的变形会对锚杆内力产生不可忽略的影响，此类边坡工程中需要加以重视。     

季冻区高速铁路路基冻融变形特征研究

为研究季冻区高速铁路路基冻融病害及其变形特征,以兰新高速铁路K1934+190无砟轨道路基断面作为研究对象,在已有的水分迁移控制微分方程、瞬态温度场控制微分方程及土体单元应力-应变方程的基础之上,建立了无砟轨道路基受水分、温度及应力影响的数学计算模型,通过模拟和现场监测对比分析了自2019年10月初至2020年5月初路基的动态变化规律。结果表明,由于水分场、温度场对季冻区高速铁路路基的耦合作用,致使路基水分变化、温度变化及由此产生的温度场重分布、水分场重分布是导致路基发生冻胀融沉的关键因素,其变形在时间域上呈规律性变化,这一结论可为研究冻土地区高速铁路路基冻害治理提供参考。     

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。     

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。     

斜风作用下季冻区隧道冻胀力分布规律及结构安全性评价

为分析不均匀冻胀荷载对季冻区隧道结构受力及安全性的影响,本文依托某新建铁路隧道工程,在凝练工程区气象特征的基础上,利用数值模拟手段分析了斜风作用下隧道温度场的分布特征,解析得到了支护结构的冻胀力荷载,在此基础上分析了支护结构的受力特征并开展了安全性评价。研究结果表明：斜风作用下隧道较小进深范围内迎风侧与背风侧温度场存在差异,进深10m处差异最为显著;未铺设保温层条件下迎风侧围岩冻结深度约为背风侧的1.8倍,铺设保温层后迎风侧围岩冻结深度减小了约80%,背风侧围岩冻结区基本消失;围岩冻结深度不一致导致冻胀力荷载不均匀分布,冻胀力荷载作用下支护结构迎风侧的应力、轴力、弯矩均明显高于背风侧;未铺设保温层条件下仅仰拱区域符合安全性要求,铺设保温层后各区域均满足要求,但迎风侧安全性明显低于背风侧。     

中国寒区粗粒土力学研究现状与进展

在寒冷地区,粗粒土是路基、土石坝等工程主要填料,也在高寒山区斜坡上广泛分布。寒区高铁路基冬季冻胀病害和高海拔斜坡春季滑塌灾害等的防治与评价,均与冻融作用下粗粒土的力学特性密切相关。在查阅大量国内外文献的基础上,从本构关系、物理特性、力学性质和界面问题等方面对寒区粗粒土力学理论的研究现状进行综述,得出如下结论：通过引入不同新理论建立了考虑剪胀性、颗粒破碎性、非线性和冻融效应等粗粒土特殊性的本构模型;明确了粗粒土的基本物理性质、水理性、热物理和电学特性;基于大型直剪试验、大型三轴试验、数值模拟以及理论分析等手段深入研究了不同因素水平和应力条件下常温和冻融粗粒土的抗剪强度、变形规律以及作用机制;探讨了粗粒土-结构界面、冻-融界面的剪切力学特性及其与斜坡稳定性的关系;并且,针对目前研究现状,对寒区粗粒土力学特性研究进行展望分析。     

青藏公路冻土路基最大设计高度研究

针对冻土路基斜坡稳定性受温度场影响的特殊性,采用自行开发的数字路基仿真平台对不同地温、不同坡度和不同路基高度条件下的大量工况进行了温度场数值模拟。采用冻土力学参数与地温的拟合公式将温度场与力学场关联起来,并考虑到冻融交界面作为软弱夹层对于冻土路基稳定性控制作用,采用自行编制的冻土斜坡稳定性评价程序对各工况进行了稳定性系数计算,并考虑了荷载作用对冻土路基斜坡稳定性的影响。参照《公路路基设计规范》中对于路堤软弱层滑动稳定性的设计规定,提出了不同坡比、不同荷载作用条件下的冻土路基最大设计高度。