波速测试法在冻结粉质黏土强度研究中的应用

采用超声波技术测定冻土强度指标和分析其影响因素是目前冻土学术界及冻土工程领域研究的重点课题,冻土纵波波速与温度和含水率关系研究是该课题研究的重要和关键内容.用SYC-2型超声波测试仪和20 kHz超声换能器实测了不同温度和不同含水率下冻结粉质黏土的纵波波速,对实验数据进行了分析,结果表明:含水量一定时,总的趋势是冻结粉质黏土纵波波速随冻结温度的降低而增加,-7 ℃是冻结粉质黏土波速增长的拐点,-20 ℃是冻结粉质黏土波速快速增长的拐点;冻结温度一定时,其纵波波速和冻土强度随含水率的增加有下降的趋势,含水率20%是纵波波速变化的拐点, 含水率大于24%时,纵波波速增长趋于平缓.文章结论对冻土工程设计与施工及基坑挡土墙冻结工程有较强的参考价值.     

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.     

冻结黏土的强度与变形特性及参数研究

为了更全面地分析冻土的强度与变形特性,以皖北某矿取样的原状黏土为研究对象,进行不同温度(-5℃、-10℃、-15℃)下的单轴抗压强度试验和三轴剪切强度试验.试验结果表明,在试验温度下,试样单轴抗压强度的应力-应变曲线为应变软化型;试验条件下,冻土三轴剪切应力-应变曲线可以用双曲线模型描述.随着温度的降低,冻土的单轴抗压强度和弹性模量均增加.初始弹性模量和极限偏应力均与围压呈正相关,与温度呈负相关.冻土的抗剪强度随围压增加而增大,随温度增加而减小.通过冻土三轴试验得到的抗剪强度指标推算单轴抗压强度,可以为人工冻结法施工提供理论依据.     

冻土未冻水含量与孔径分布的试验探究

冻土是一种特殊的土体,其性质与一般土体有较大差异。冻土中水分的含量与存在形式影响着冻土的各项性能。一直以来,冻土研究都是热点问题,由于试验手段的限制,对于冻土的分析以宏观研究较多。文中利用低场核磁共振孔隙分析仪,通过核磁信号的比值,计算各个温度点下未冻水质量含水率,绘制温度-含水率的函数曲线,结合不同条件试样的孔隙半径分布,揭示孔隙对未冻水含量的影响规律,并且探究不同初始含水率对曲线拐点的影响。试验结果表明,粉土、砂土和黏土土样冻结过程经历3个阶段:第Ⅰ阶段为过冷段,第Ⅱ阶段为迅速下降段,第Ⅲ阶段为稳定阶段;同种土质不同含水率的土样,降温过程发生冻结的拐点温度略有不同,但是差别较小;孔径分布越大,其冻结温度越低;未冻水含量与土体配合比关联较低,较多取决于土体本身的孔隙结构。     

不同冻融状态下白垩系常见岩层物理力学特性对比分析

为研究冻融过程对白垩系常见岩层物理力学特性的影响,选取甘肃新庄煤矿白垩系富水层中揭露的粗粒砂岩、中粒砂岩和泥岩,分别开展了常温、冻结、解冻后饱和吸水率试验,并对岩石在常温状态(20℃)、冻结状态(-30℃)和解冻后(20℃)进行单轴压缩试验,分析了在常温、冻结和解冻条件下岩石的饱和吸水率、抗压强度、弹性模量的变化情况,探讨了岩石由于冻融作用而产生的物理力学性质损伤。试验结果表明:低温冻结对泥岩的单轴抗压强度提升程度最大,解冻后粗粒砂岩强度折减程度最大;冻结使粗粒砂岩的塑性增强,使泥岩和中粒砂岩的脆性增强,解冻后3种岩石的塑性均增强;粗粒砂岩在弹性模量方面对冻融作用最为敏感;在相同冻结温度下,孔隙率是影响冻融损伤程度的关键因素,对应的孔隙率最高的粗粒砂岩冻融损伤程度最为显著。     

模拟K0固结后不同初始围压下冻土应力-应变特性研究

通过对经历K0固结后再冻结的冻结兰州黄土进行三轴压缩试验,分析了K0固结后冻土在轴向加载直至破坏过程中的应力-应变行为,并利用Duncan-Chang双曲线模型研究了K0固结后冻土的初始切线模量和偏主应力最大值与围压、温度的关系.结果发现:围压和温度的变化是影响深部冻土抵抗变形能力的主要因素;初始切线模量随围压的升高而线性增大,但受温度影响不太明显;当温度恒定时,偏主应力最大值随围压的升高而线性增大;当围压恒定时,偏主应力最大值又随温度的降低而增高.最后,对模型预测曲线与实测曲线进行了对比,验证了应用Duncan-Chang双曲线模型对K0固结后冻结土体在轴向加载直至破坏过程中的应力-应变行为进行预测的可靠性.     

天津地铁联络通道冻结施工的数值分析

采用通用有限元程序ANSYS,建立联络通道三维模型,对冻结施工过程进行三维数值分析,研究了冻土墙在设计冻结温度和厚度情况下的受力性能以及分步开挖对冻土墙和地面沉降的影响.结果表明,冻结法施工所采用的设计参数是安全的;分步开挖对地面沉降影响较小,对冻土墙底板、冻土壁和拱顶变形影响较大,其中冻土墙底板为开挖施工中结构的最不利部位,施工时应加强支护.     

考虑水盐运移的分散性盐渍土冻融破坏机制

为探究冻融循环过程中土体冻-盐胀破坏机理,结合冻结温度试验和扫描电子显微镜进行研究,分析了不同循环次数、不同盐的种类和不同含水率条件下的冻融循环对土体结构和性质的影响,得到了不同循环次数下的冻结温度变化曲线和不同含水率条件下冻土的SEM电镜扫描图片,并基于经典传热理论和水盐运移方程,建立数值模型,再现了冻融过程中的水盐运移过程,在此基础上结合试验对水盐运移过程中土体的破坏机制进行分析研究。研究结果表明：由于研究区土体的分散性,其冻结过程只存在恒定阶段和递降阶段,且随着冻融循环次数的增大,土体的冻结温度会先升高然后在某一温度保持稳定,这与冻融循环过程中土体粒度大小和颗粒排布的方式改变相关,内部的微裂隙逐渐贯通;土体在冻融循环过程所发生的水盐迁移是土体强度和结构发生变化的重要原因,且随着冻融循环过程的进行,土中的水盐成分会在温度梯度和溶质梯度的影响下产生迁移和积累;相较于碳酸氢钠,硫酸钠在冻融过程中对于土体结构的改变更为显著,具体表现在冻结过程中硫酸钠结晶析出体积变为原来的3.18倍,导致冻融循环后土体膨胀。本研究有助于揭示季节性冻土区含盐冻土工程的冻融破坏机制。     

冻土单轴抗压试验研究及盾构始发冻结优化设计

为保证浅埋深富水软弱地层的盾构隧道安全始发,采用人工冻结法进行端头加固。通过在室内进行冻土单轴抗压试验,得到可靠的冻土力学参数,并采用正交试验的方法分析冻结深度、冻结宽度和冻结温度对地表沉降和管片拱顶沉降的影响规律和影响程度,选取确定最优冻结加固方案。结果表明：土体冻结温度越低,抗压强度越大;对地表沉降和管片拱顶沉降的影响排序为冻结深度>冻结宽度>冻结温度;最优冻结方案为冻结宽度6m,冻结深度15m,冻结温度-20℃。     

天津滨海新区人工冻结粉质黏土强度特性试验研究

天津滨海新区地铁规划区域内粉质黏土分布广泛,此前缺少冻土物理力学参数的相关试验研究资料,对现场取得的大量原状土,在3种负温度下人工冻结48 h后,进行单轴抗压、抗折的室内试验研究。试验分析研究了在不同的冻结温度下人工冻土的受力变形特性,以及强度与冻结温度之间的关系,研究结果表明:在不同的冻结温度下,单轴抗压较抗折表现出很好的规律性。同时,试验的研究结果可供天津滨海新区其他软土地区的人工冻土强度取值参考。     

水-动力耦合作用下红砂岩动态强度及破坏机理

为探究水化学损伤下红砂岩的动态强度和破坏机理,通过自然、干燥和饱水红砂岩试样的静态单轴压缩和动态单轴冲击试验,结合岩石碎块的电镜扫描(SEM)图像,分析了不同含水状态和应变率荷载等级下岩石的强度特性,并基于损伤断裂理论分析了含水岩石微裂纹起裂和扩展机理.试验结果表明:红砂岩试样动态抗压强度随含水率的增加而降低,随应变率的增加而增大,饱水试样具有显著的应变率效应;冲击荷载下,饱水试样应力-应变曲线具有显著的体积压缩现象,峰值应变最大,塑性变形明显,而干燥试样弹性变形最大,峰前塑性变形最小;受孔隙水影响,饱水试样颗粒结构疏松多孔,胶结物质被溶蚀而使胶结作用弱化.根据最大周向正应力理论,对含水岩石的微裂纹起裂条件和扩展方向进行了讨论,并对裂尖的动态应力强度因子进行了修正.     

微波照射花岗岩型铀矿石试样力学特性试验研究

为了探究花岗岩型铀矿石在微波照射下的裂隙演化和强度变化规律及破碎特征。利用JYC-3型微波高温焙烧炉,微波功率为1 kW、2 kW和3 kW分别对干燥试样和水饱和试样照射30 min和45 min,再进行自然冷却和水淬冷却;采用RMT-150B岩石力学试验机对冷却后的试样进行单轴压缩试验,分析其裂隙演化和强度变化规律及其破碎特征。研究结果表明:铀矿石试样的抗压强度随微波功率的增加而急剧降低,微波功率从1 kW上升到2 kW时,铀矿石试样的抗压强度降低了10.63%;微波功率从2 kW上升到3 kW时,铀矿石试样的抗压强度降低了21.3%;功率相同时增强照射时间能有效的降低试样的抗压强度;水淬冷却后试样的抗压强度比自然冷却的强度低;微波照射下水饱和试样比干燥试样更容易在早期开裂。     

基于蠕变试验的冻结红砂岩长期强度

人工冻结法以其独特的优势广泛应用于西部建井工程,因此研究岩石在冻结状态下强度特性尤其重要,基于冻结红砂岩蠕变试验,分别通过过渡蠕变法、等时应力-应变法、裂纹损伤应力法、稳态蠕变速率交点法得到冻结砂岩长期强度。结果表明：（1）通过过渡蠕变法可以得到冻结砂岩长期强度的取值范围,约为三轴压缩强度的45~65%左右;（2）体积应变等时曲线簇更加能够体现时间对岩石变形的关系,长期强度约为三轴压缩强度的48%左右;（3）稳态蠕变速率法能够较为简单的确定岩石长期强度,但因其方法本身具有一定的局限性,综合考虑三向蠕变速率,对其改进得到稳态蠕变速率交点法,可以更加精确反映砂岩强度,长期强度约为三轴压缩强度的49%左右;（4）引入裂纹体积应变计算方法,根据其与时间的关系得到裂纹体积应变等时曲线簇,得到的强度值与等时曲线法及其相近,因此裂纹损伤应力法也可作为确定岩石长期强度依据。将冻结红砂岩的长期强度作为监测冻结壁变形的标准,可为评价冻结壁蠕变诱发失稳破坏提供理论支撑和试验依据。     

水压作用下三维裂隙组扩展过程试验研究

坝基和边坡等受压岩体裂隙中往往有水压力的存在,真实岩体中不能直接观察内部裂隙的扩展过程。自行研制了一种在低温下具有良好脆性的透明类岩石材料,内部预制张开型裂隙组,通过导管与外部高压注水设备相连进行单轴压缩试验。详细阐述了单裂隙和平行双裂隙组试件在渗透水压和单向压缩条件下内部裂纹的起裂、扩展、贯通机制;研究了裂隙组倾角及间距对平行双裂隙组试件起裂应力和峰值强度的影响。试验表明:水压作用下裂纹的扩展贯通模式和无水情况下明显不同,水压的存在对花瓣型裂纹和反翼裂纹有抑制作用,对包裹式翼裂纹有促进作用;平行双裂隙组试件的起裂应力和峰值强度随裂隙倾角增大呈现先减小后增大的趋势,并且在45°左右时强度最低;裂隙间距增加,起裂应力和峰值强度增大并逐渐趋于单裂隙强度水平。试验成果对研究岩体中水压作用下受压裂隙组起裂、贯通机制具有重要的参考价值。     

裂隙倾角对泥质白云岩强度影响试验研究

地下岩体中普遍存在的裂隙是影响岩体拉压性能的重要因素之一。依托贵阳轨道交通工程,采集泥质白云岩,开展劈裂试验和单轴压缩试验,分析了不同裂隙角度对泥质白云岩拉、压性能的影响。结果表明:(1)劈裂试验中,泥质白云岩抗拉强度为3～7 MPa,平均值为5. 03 MPa,抗拉强度随裂隙角度的增大呈下降趋势,劈裂模量为0. 1～2. 84 GPa,整体呈幂函数下降趋势;(2)泥质白云岩的抗压强度较高,分布在60～130 MPa之间,平均抗压强度为87. 25 MPa;随裂隙角度的增大,试样抗压强度呈先减小后增大趋势;通过理论推导,得出岩体中最易破裂裂隙角度为22. 5°～45°,与试验结果相符;弹性模量随裂隙倾角整体呈上升趋势;(3)通过对泥质白云岩拉压强度对比,得出泥质白云岩抗压强度平均值与抗拉强度平均值之比为18. 97。     

单轴压缩声发射试验的页岩损伤演化规律

为获得受载页岩准确的损伤演化规律和声发射特征,完善以往受载岩石损伤单调增大的理论,进一步扩展对受载岩石内部损伤演化机理的认识,对陆相页岩进行单轴压缩声发射试验。试验结果表明:页岩单轴压缩过程分为4个阶段:压密阶段-弹性变形阶段-弹塑性变形阶段-峰后破坏阶段,压密阶段、弹性变形阶段和弹塑性变形前期有少量声发射信号,页岩峰值应力前后有大量声发射信号,特别是峰后破坏阶段,声发射信号急剧上升,声发射探头能够捕捉岩石的压密、裂纹的扩展和连通信息,声发射信号能够反映页岩内部微细观损伤演化过程;页岩平行层理面方向和垂直层理面方向的岩石损伤演化和声发射特征差别较大,因此对于层理性岩石不能忽略层理对岩石力学性质的影响;页岩压密阶段内部的微孔洞、微裂隙、宏观裂缝、层理被压实,损伤减小,页岩弹性模量不降反增,应力-应变曲线呈下凹型,首次提出受载岩石损伤先减小后增大,建立了更加合理的基于声发射特征的页岩单轴压缩损伤本构模型。     

基于数字图像技术的类岩材料直剪破坏试验研究

为研究裂隙倾角对岩体破裂失稳以及变形场的影响,分别制作了倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°的7种预制单裂隙类岩试样,利用ZTRS-210岩石直剪仪和非接触全场应变测量系统进行直剪试验,并对裂纹扩展和全场应变进行同步监测。结果表明：类岩材料的峰值剪应力随裂隙倾角增加表现出增-减-增-减的趋势,裂隙倾角15°时最大,60°时最小;随着裂隙倾角的增加,试样的破坏模式由共面剪切破坏向拉剪复合破坏转变,倾角90°时为沿剪切面剪切破坏,并伴随较多的次生裂纹;相同倾角时,应变场随荷载增加由应变均匀分布转变为应变集中分布;应变均方差在压密阶段以及弹性阶段较小且增长缓慢,在塑性阶段以及破坏阶段骤增。研究结果可为岩体工程稳定性分析提一定的参考。     

击实粘土Ⅰ型断裂韧度测试新方法研究

为研究击实粘性土断裂韧度,研制了土体断裂韧度测试新仪器,通过新仪器对粘性土进行了断裂韧度测试,讨论了试验方法的合理性,并结合前人的研究成果探讨了土体断裂韧度与抗拉强度之间的关系。结果表明,击实粘性土中的裂缝扩展规律符合线弹性断裂特性,可采用线弹性断裂理论对其进行研究;击实粘性土断裂韧度与抗拉强度之间存在线性关系,但土体颗粒性质、颗粒机配、试样含水量、试验方法等均对土体断裂韧度有影响,需进行更深入的研究。     

V形裂隙类岩石材料单轴压缩光弹性试验

天然岩体内交叉裂隙按几何形状可分为X形、T形与V形等,其中V形裂隙可以近似看作前两者在“短交叉”情况下的特殊形式,其裂纹扩展破坏规律与其它两种形式存在显著不同。为了探究V形裂隙在荷载作用下对于岩体损伤破坏规律的影响,开展了不同裂隙倾角的类岩石材料单轴压缩光弹性试验,根据应力–光学定律计算试件表面的应变场,分析V形裂隙岩体的损伤破坏规律。结果表明,岩体强度随裂隙倾角增加而增加,但增长速度不断减小,并建立了裂隙倾角与单轴强度的拟合曲线;V形裂隙岩体裂纹扩展首先发生在非交叉端,随后在交叉端产生沿加载轴向的裂纹,当裂隙倾角不大于45°时,随着荷载增加在两个非交叉端之间也会产生宏观裂纹。