黄土路基毛细水上升规律试验模拟研究

针对黄土地区高等级公路路基有害毛细水问题,使用改进后的竖管法对压实度大于90%黄土土柱毛细水上升规律进行了试验研究,得到了毛细水上升高度与干密度的关系.使用滤纸法和水平入渗法测量土样的基质吸力、土水扩散系数与含水率的关系,并用Geostudio软件对毛细水上升进行模拟.试验和模拟结果表明:基质吸力的确定应该同时考虑含水量和密度2种因素;土壤的压实可以有效减缓土壤非饱和水分的运动速度;随着压实度的增加,毛细水上升速度变小;压实度为98%、95%和93%的黄土土柱,在105 d后毛细上升高度分别为74 cm、80 cm和94 cm.Geostudio软件可以用于路基毛细水运动的模拟.     

室内土体单向冻结水分迁移的试验研究

以江苏镇江、扬州等地区具有代表性的表层黏土为研究对象,对土体进行了单向冻结实验,研究了不同饱和度、不同温度梯度、不同冻结速率及不同补水条件下土体中水分迁移的现象.实验结果表明:在有外界水源补给的条件下,土体冻结时间越长,非饱和土中水分迁移现象范围越大,对于饱和土每层含水率基本波动范围不大;温度梯度越大,土体完全冻结且水分迁移达到稳定状态所需时间越短,水分迁移的范围越广;在无水源补给的条件下,冻结速率越大,土试样中水分迁移分布曲线变得越平缓;相对于无外界水源补给条件下,有外界水源补给的试样最终完全冻结时水通量更大,土样中水分迁移分布的范围更明显.     

冻结过程路基土体水分迁移特征分析

以沈哈高速铁路沿线的粘质黄土为研究对象,进行了冻结过程中封闭系统下土体水分迁移试验,试验结果表明:试样中温度的变化是先快后慢,最终试样内部温度随深度的变化呈现出一个稳定的温度梯度分布;温度势对水分迁移的影响甚微,温度梯度是导致含水量梯度产生的一个重要诱导因素,当温度的变化致使土体发生冻结时,冻结区的液态水含量急剧减小,从而引起其基质势能的急剧降低,促使土中未冻水沿着温度降低的方向迁移.基于上述试验,通过建立二维温度场与水分场耦合效应模型,应用有限元数值方法对室内封闭系统下模型试件的温度场、水分场进行了数值模拟,计算值与实测值基本吻合,验证了水热耦合数值计算模型的正确性.该模型可用于模拟季节性冰冻地区路基土体中水分迁移的变化规律,为冻胀防治提供依据.     

复合改良粉砂土性能实验研究

为了探究水泥、粉煤灰、石灰三掺料改良粉砂土路基填料的工程特性,采用静力性能实验、毛细水上升实验、动三轴实验相结合的方法,揭示粉砂土掺入改良剂前后静态指标与毛细水上升高度的变化.分析了水泥掺量6%、粉煤灰掺量2%和石灰掺量7%改良粉砂土作为路堤填料,在各工况下累积动应变曲线特征.研究结果表明：粉砂土改良后,内摩擦角增加了约25%、黏聚力提升约50倍、28 d无侧限抗压强度提高约8.6倍;改良土毛细水上升高度比天然土降低约89%;含水率对土体累积动应变发展影响较大,含水率过高时黏聚力损失应变增加更为明显;围压和压实度增加使改良土体强度增加,土体累积动应变发展速率变小;振动频率增大改良土体的累积动应变发展速率降低;拟合了理想填筑状态不同路基深度土体累积动应变曲线关系式.     

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.     

对MiLLer和Beskow冻土理论的研究

对MiLLer的抽吸理论和Beskow的毛细理论的概要进行研究,提出土冻结过程分区解释的思路,以求清晰诠释MiLLer的抽吸理论;建立毛细吸力势和有效毛细上升高度,分析Beskow理论水分向冻结面迁移特征。研讨二者的异同之处,并提出见解。     

压实黄土状粉土毛细特性试验研究

基于压实黄土状粉土的基本性质,利用一维土柱仪进行毛细作用模型试验。数据分析、图形拟合后,得到了压实黄土状粉土毛细水上升规律。试验结果表明,毛细水上升的速率随毛细上升高度的增加而逐渐衰减。当毛细水到达某截面时,该截面处的基质吸力先平缓变小,后急剧下降,随之渐趋于稳定;该截面处的体积含水率先平缓上升,后急剧增大,随之渐趋于稳定。对毛细水上升高度随时间变化曲线、体积含水率与基质吸力关系进行拟合统计。通过对比三组不同土柱高度的试验结果,表明当土柱长细比为4.68和9.54时,毛细水上升规律基本一致,故证明当长细比大于4.68时,可按一维毛细作用考虑。     

压力作用下冻结粉质粘土的水分迁移特征

水分迁移是引起路基下土体冻胀的重要因素,目前国内外仍采用刚性孔隙来模拟水分迁移,这对承受荷载的土体并不适用。根据能量平衡与质量守恒原理,结合有效应力与孔隙率、体积含冰量与温度的关系,建立了压力作用下的考虑孔隙率变化的一维水热模型。基于改进的水分迁移试验装置,利用粉质粘土进行了开放系统下的水分迁移试验。研究结果表明:随着冻结时间的增长,补水量逐渐增大,导致冻胀过程经历缓慢变形、快速上升和下降3个阶段,荷载对最大冻胀速率的影响明显;最大含水率位置随着冻结锋面的下移而下移;随着荷载的逐渐增大,水分迁移量逐渐减小,开始补水的时间也推后。     

补水条件下土体水分场的动态测试

为了揭示土体中水分迁移的运动机理,应用美国水分传感器及采集设备(6050X1 trase system),对封闭系统的小型试件进行恒温条件下底部补水的动态测试,得出土体含水体积分数随时间的变化曲线、浸润面上升速率和水通量与浸润面上升高度的曲线,并回归出浸润面上升速率与上升高度以及水通量与浸润面上升高度的关系式.研究结果表明:在试件中引起水分迁移最主要的因素是基质势和重力势;土体中各点的含水体积分数从试件底部开始到试件顶部逐渐增大,土体浸润面上升速率和水通量随迁移路径的增长呈减小趋势;土体的三相介质构成及孔隙连通性等因素是影响水分迁移路径与迁移动力的重要因素.     

非饱和土路基水气迁移规律及其影响因素实验

非饱和黏土的水气迁移影响着路基服役期间的安全运行和长期使用性能的保障。研究非饱和土路基水气迁移规律对路基路床湿度的影响具有重要的工程应用价值和意义。本文通过室内试验模型,运用高低温交变恒温箱改变环境温度,模拟四季环境温度对水分迁移的影响。模拟非饱和黏性土气态水迁移过程,并进行影响因素的敏感性分析。获得非饱和黏性土的水气迁移规律并进行影响性因素评价,实验结果表明,非饱和土水气迁移过程中,含水率梯度对气态水迁移量影响较大;迁移时间对液态水迁移影响较大;低温环境下以液态水迁移为主,随环境温度升高气态水迁移量占比逐渐升高。含水率梯度,含水率水平,压实度,迁移时间,不同环境温度均对气态水迁移量均有贡献,其中压实度对其影响最小。在实际工程中应更重视水气两相迁移对路基土体性能的影响。     

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。     

土冻结过程中水热变化特性的模型试验研究

为研究正冻土水热变化特征及它们之间联系,对非饱和黏土进行单向冻结模型实验,结果表明：土在冻结温度附近降温速率最小,持续时间较长;靠近表面土降温快,较其下部土提前进入冻结,且冻结历时短;靠近顶面的测点温度曲线重合度不如其下层,可能因为受外界次要因素干扰时深层土壤受影响小;正冻土温度分布大致分为两段,冻结区线段斜率大于未冻区,随冻结时间增加,非冻结险段线段斜率会先增大后减小,最终两段线变为一段线,此时温度沿土柱高度线形分布;未冻水含量变化拐点大致在冻结锋面处,距冻结锋面越近,吸力越大,水分迁移量越大,随冻结时间的增加,非冻结区水分迁移速度变大;未冻区土水势梯度最小,正冻区及冻结区土水势梯度大小关系并不明确;未冻水含量变化与温度变化一致,未冻水含量变化分为三个阶段：缓慢下降阶段、快速下降阶段、指数下降阶段。     

冻融过程中重塑土水盐迁移试验研究

为探究盐渍土地基冻融过程中的水盐迁移规律,以内蒙古东部典型盐渍土为研究对象,通过改变土样冷端温度,初始含水率,干密度和含盐量等因素,进行室内重塑土单向冻结,双向融化试验。结果表明：试样温度的改变存在滞后性,离冷端越近,温度变化越敏感;在冻结过程中,土样初始含水率、干密度或者含盐量的增大,将造成冻结锋面的移动速度减小。试件水分迁移量随着初始含水率的增大而增大;当初始含水率较低时,冷端温度的变化对水分迁移影响较小,只有当初始含水率足够大时,迁移量才随着冷端温度的降低而增大;土溶液冻结和电导率突变存在关联性;含盐量的增加,会抑制水分迁移。试件整体盐分迁移量随着冷端温度的降低而增大;只有当冷端温度足够低时,盐分迁移量才会随着初始含水率的增大而增大;增大干密度会减少盐分迁移;含盐量的增多,使盐分往试件暖端方向汇聚。     

压实度及水分对青藏高原季冻区砂砾土冻胀特性的影响

 针对青藏高原季冻区某机场道基主要材料砂砾土,通过实验系统地研究了压实度、初始含水率及补水状况对砂砾土冻胀特性的影响规律。结果表明,在封闭条件下,若初始含水率不变,则砂砾土冻胀率随压实度的增加呈先增大后减小的趋势,在压实度为95%左右时达到最大值,若压实度不变,则冻胀率随初始含水率的增加呈线性增大;压实度和初始含水率均与冻胀率之间存在高度相关的函数关系,这些关系式在某些情况下可用于相关指标的相互预测。在开放条件下,砂砾土的冻胀率较封闭条件下显著增大,通常达3~4倍以上。为有效防治砂砾土冻胀,应严格控制压实度和初始含水率,同时采用降低地下水位、设置隔水垫层等措施阻止外界水源补充。     

不同供给源下的粗粒土水盐迁移特性分析

为探究不同供给源下的粗粒土水盐迁移时空分布特性,根据新疆盐渍土地区的实际工况,选择氯盐为研究对象,掺配3种不同细粒掺量的粗粒土,开展不同压实度与不同供给源组合的粗粒土水盐迁移试验,分析在不同供给源下,细粒掺量与压实度对粗粒土水盐迁移时空分布的影响。结果表明：随着细粒掺量由10%、20%、30%依次递增,水盐迁移趋势逐渐显著;压实度对水盐迁移的影响会因供给源的不同而不同;盐溶液供给源下的水盐迁移速率较小,但迁移高度较高;盐渍土供给源下的水盐前期迁移速率较大,但后期迁移速率有所减小。盐溶液供给源宜选用细粒掺量少的粗粒土进行换填,并尽可能提高压实度;盐渍土供给源的盐渍土部分宜适当降低压实度,换填非盐渍土宜选用细粒掺量为20%左右的粗粒土并提高压实度,由此控制水盐迁移水平。研究成果可为粗粒盐渍土路基结构设计提供一定的理论依据和技术支持。     

东北地区季冻土含水率分形研究

应用分形几何理论对东北地区季冻土在一个冻融周期下的特定时间、特定深度范围内冻土的含水率进行研究,发现两种条件下含水率皆具有多层次的分形几何特征;同时建立了分维数与时间以及分维数与冻深的相关关系曲线,得出相关关系方程,据此可为东北地区土的冻结程度预报提供一定的理论依据．     

多圈管冻结模型试验及水热耦合数学模型研究

根据相似理论推导出人工冻结温度场和水分场模型试验相似准则。以淮南某煤矿风井井筒工程条件为背景,进行了人工多圈管冻结模型试验,获得冻结壁形成过程中,温度场和水分场的变化规律;证实了温度梯度是引起人工正冻土中水分迁移的主要原因,推导了水热耦合控制微分方程。研究结果表明:位于冻结锋面处水分迁移最激烈;在冻结区内水分不发生迁移;冻结壁内部含水量为非均匀,靠近冻结管位置含水量增加,两圈冻结管之间水分迁移量最大,达到7%~10%;内圈冻结管和外圈冻结管含水量增加8%~12%。     

水热变化对季节冻土区牵引式滑坡变形的作用机制——以2020年8月11日西和县大型滑坡为例

季节冻融作用诱发滑坡的机制一直缺少定量化的研究结果,这源于缺少相应的理论模型。为了重构滑坡的变形过程并分析其变形机制,首次基于热力学理论,建立了季节冻土水分、温度和变形相互耦合的数值模型,阐述了水分变化对变形的作用机制。该模型的优点是能够体现冻土边坡中冻融作用引发的水分迁移过程和水分不均匀分布状况,并从水分对土体强度影响的角度来分析边坡稳定性。以2020年8月11日甘肃陇南市白冯村发生的大型滑坡为例,利用该数值模型计算了该滑坡处置前后边坡的水热和变形过程,并对其变形机制和稳定性进行了分析。结果表明,冷季水分向冻结锋面迁移并冻结成冰,暖季活动层内冻土融化导致液态水含量增加,从而使冰透镜体所在位置变成了潜在滑移面。在外部荷载（暴雨等）作用下滑体会沿着该滑移面产生滑动,这便是季节冻土区边坡中的水分迁移过程及其对滑体滑动的作用机制。此外,案例分析表明,滑坡处理前边坡最大垂直变形和最大水平变形分别为72.41 cm和68.57 cm。设置抗滑桩后,边坡达到稳定状态时的最大垂直变形和最大水平变形分别为2.60 cm 和2.72 cm,稳定性显著提升。而且,滞水层高度的提升导致边坡垂直和水平变形0?位移线分别升高了2.05 m和2.03 m,这使得潜在滑体体积减小,从而有利于边坡稳定。然而,抗滑桩仅从力学方面提升了边坡稳定性,但是潜在滑移面仍然存在,在外部外荷载作用下,滑坡可能会复活。     

寒区非饱和土体混合态水分迁移研究进展

综合分析了冻土液态水和气态水迁移机制以及水热耦合数值模型,归纳了土水势理论和水汽迁移成冰理论的研究进展,综述了冻土传统水分迁移驱动力理论和水汽迁移驱动力理论,分析了工程地基土体增水机理,对水热力和水热汽耦合作用理论进行了总结分析,并对比了不同数值模型的特点。因冻土冰水相压力的不明确,Clapeyron方程在冻土中的适用性还需进一步探究;水汽遇冷冷凝作用和水汽蒸发凝结作用很好地解释了非饱和土体的增水机理;传统水分迁移理论多是基于液态水展开研究,忽略了水汽运移的影响,水汽迁移成冰理论很好地解释了水汽运移引起的工程冻害;水热力耦合迁移理论没有充分表征应力场的作用,不能完全揭示土体冻胀的形成和发展过程。