基于修正的传递系数法的粉土质边坡冻融稳定性分析

为了给冻融边坡的稳定系数计算方法提供更多的有效途径,以G580线和田至康西瓦公路段K81+100粉土边坡为研究对象,从冻融边坡的特征入手,考虑边坡融化后的渗透力,以及热流量对融化深度的影响。对传递系数法进行修正,推导出冻融边坡稳定系数的计算公式。通过具体条件分析不同温度变化下融化深度与稳定系数的关系,得出融深1.2 m时边坡稳定性最差。基于日气温变化正弦函数公式分析,得出上午7~10时稳定系数降低幅度最大,约7.2%;14时的时候达到每日最大融深,稳定系数降至最小值1.255。通过改变粉土含水率发现当含水率大于20%,边坡开始处于最不稳定状态。最后利用Flac3D建立温度场模拟土体冻结融化的情况,得出边坡稳定系数为1.281,在水的渗流和自重情况下,竖直方向在坡体上缘发生约53.5 mm的最大位移,水平方向在滑体中下部发生约82.6 mm的最大位移。模拟数据与现实情况吻合良好,为冻融区粉土边坡稳定性研究提供了理论依据。     

湿-载-冻-融作用对洛川黄土三轴剪切强度影响实验研究

为了研究湿、载、冻、融作用对洛川黄土三轴剪切强度的影响,运用GCTS电液伺服低温高压动态三轴测试系统,进行了不同含水率、冻结条件、融化条件下的三轴剪切实验,研究含水率、载荷、冻结、融化联合作用对黄土强度的影响及其作用机理。实验结果表明：土中水通过对土颗粒联结作用的影响改变黄土的强度特性,冻结作用通过温度对土中自由水的相变结冰,改变土体承受外力的结构,从而对土体的强度产生影响,融化作用主要是由于冻结过程中土中水的体积膨胀对土颗粒联结的损伤和破坏,从而使黄土的强度会产生较大的下降。     

融雪-降雨型滑坡失稳机理

冻区融雪降雨导致的滑坡对公路交通基础设施的建养造成了巨大威胁,本研究以新疆伊犁地区某公路工程为依托,为此进行现场勘察,建立了新疆某公路6#滑坡监测站,通过建立监测站,对该边坡的位移、水分、温度等信息开展监测,利用该监测站2019年11月至2020年8月整个冻结融化期的监测数据,同时基于geostudio软件的非饱和土分析,将数值模拟土壤含水率变化与现场监测数据进行拟合,建立了有效的数值方法,并对融雪期该边坡在季节性冻土冻融影响下边坡的稳定性进行了分析,研究了融雪期表层边坡土的含水率变化与边坡稳定性的关系,并根据建立模型分析了该滑坡的初始滑动。结果表明：融雪水对土壤含水率的变化起主导作用—融雪水及冻结滞水沿着裂缝优势入渗,在融雪期初期增大土体含水率,增大土体自重;在融雪期维持土体较高含水率,随着连续降雨发生,湿润锋下移,土体孔压增大,形成暂态饱和区,边坡失稳。融雪期长时降雨是该滑坡发生的重要原因。将数值模拟土壤含水率变化与现场监测数据进行拟合,在此基础上进行边坡稳定性分析的方法具有较高可信度,可为该地区之后滑坡预警提供参考。     

重塑土冻融过程中水分迁移试验研究

为了定量研究重塑土中水分在冻融过程中的迁移,借助XT5405B型高低温冻融循环试验箱、DT615数字采集系统和T型热电偶等试验仪器,组成一套室内水分迁移试验装置.试验在几何尺寸、实验环境等相同的条件下,改变初始含水量或温度模式,研究单个因素对水分迁移的影响.通过试验观察裂缝现象、水分积聚现象、冻结后含冰不均匀现象等结果,对冻融过程中进行温度场以及冻融前后含水量的变化进行分析.研究结果表明:土样冻结后在试样中间会出现含水量明显增大的土层,出现的位置受初始含水量的影响不明显,受控温模式影响较明显;土中水的冻结温度与含水量有关;继续融化到设定位置后,在融冻界面处会出现水分积聚的土层,初始含水量越大,水分积聚现象越明显等.     

季节性冻土地区根-土复合体土质边坡稳定性分析

为了研究季节性冻土地区根-土复合体土质边坡稳定性,通过分析土体强度参数、融化层深度、融化层重度及坡度对根-土复合体土质边坡稳定性的影响,模拟了春融期土坡温度场及水分场的变化特征,运用强度折减法计算了春融期素土及根-土复合体边坡的安全系数。结果表明：春融期,素土及根-土复合体边坡在冻融界面处剪切塑性应变集中,呈条带状分布,沿着冻融界面发生平面状热融滑塌;相比素土边坡,根-土复合体边坡安全稳定系数明显增大。由此可得,植物根系穿过冻融界面处时,增加了根系周围土体强度,提高了边坡安全稳定,为季节性冻土边坡工程的设计、施工和维护提供有效的科学依据及必要的数据参考。     

不同固结度冻融软土动载下孔压模型试验研究

以冻结温度和融土初始固结度为影响因素,通过室内动三轴试验对地铁循环荷载作用下冻融软土的孔压发展规律进行研究.结合试验数据,建立了考虑冻结温度和融土初始固结度的影响因素的冻融土动孔压累积试验模型.研究表明,冻融作用改变土体内部颗粒联结形式和孔隙结构,导致在循环荷载作用下冻融土动孔压累积速率加快;冻结温度越低,冻融土孔压发展速率越快,且在振动后期的稳定孔压值越高;冻融土初始固结度对孔压发展有影响,初始固结度越高,孔压发展越缓慢,且稳定值越低;低温冻结和低初始固结度的耦合作用加剧了冻融土孔压的累积,使其结构进一步软化.     

不同固结度冻融软土动载下孔压模型

以冻结温度和融土初始固结度为影响因素,通过室内动三轴试验对地铁循环荷载作用下冻融软土的孔压发展规律进行研究.结合试验数据,建立了考虑冻结温度和融土初始固结度的影响因素的冻融土动孔压累积试验模型.研究表明,冻融作用改变土体内部颗粒联结形式和孔隙结构,导致在循环荷载作用下冻融土动孔压累积速率加快;冻结温度越低,冻融土孔压发展速率越快,且在振动后期的稳定孔压值越高;冻融土初始固结度对孔压发展有影响,初始固结度越高,孔压发展越缓慢,且稳定值越低;低温冻结和低初始固结度的耦合作用加剧了冻融土孔压的累积,使其结构进一步软化.     

冻融条件下路基温度场和湿度场分布式感知试验

搭建土体冻融多物理场感知室内试验装置,布设传统点式传感器和分布式光纤,对土体冻融过程中路基温度场、湿度场和变形情况开展试验监测,探究单端冻结、双端融化条件下土体温度场和湿度场的分布式感知特征,验证主动加热分布式光纤技术的监测效果。试验结果表明,-15 ℃单端冻结条件下,土体冻结过程按降温速率分为快速冷却、逐步降温、稳定平衡三阶段,冻结锋面逐渐下移,最大冻深约占土柱高度的35%。孔隙水受冻胀迁移力影响向冻结锋面移动,引起冻融前后土体湿度场重分布,并导致土体冻胀变形,变形量为土体最大冻深的7.8%~10.9%。分布式光纤可准确得到冻融过程中土体温度场、湿度场变化特征,识别土体内冻结区域范围,温度、湿度监测拟合优度R²分别达0.98和0.94。     

湿—载—冻—融作用对洛川黄土三轴剪切强度影响

为了研究湿、载、冻、融作用对洛川黄土三轴剪切强度的影响,运用GCTS电液伺服低温高压动态三轴测试系统,进行了不同含水率、冻结条件、融化条件下的三轴剪切实验,研究含水率、载荷、冻结、融化联合作用对黄土强度的影响及其作用机理。实验结果表明,土中水通过对土颗粒联结作用的影响改变黄土的强度特性,冻结作用通过温度对土中自由水的相变结冰,改变土体承受外力的结构,从而对土体的强度产生影响,融化作用主要是由于冻结过程中土中水的体积膨胀对土颗粒联结的损伤和破坏,从而使黄土的强度会产生较大的下降。     

铺设保温板的多年冻土边坡水热力耦合分析

为了给保温板防护多年冻土边坡提供设计依据,基于水热力耦合理论,建立了铺设保温板的冻土边坡多场耦合分析模型,运用有限元法进行了求解,依托Matlab软件编制了计算程序,结合实例分析了铺设不同厚度保温板的边坡温度、水分、应力及位移变化规律.结果表明:保温板的最佳施工时间为冻结期结束时,厚度为5~7cm;融化期结束时,在冻融交界面处未冻水含量和剪应力均达到最大,且剪应力呈带状分布,水平位移分布呈凸肚状,随着保温板厚度增大,坡面附近高含量未冻水土层的厚度依次减小,剪应力最大值增大,水平位移明显减小;冻结期结束时,铺设保温板边坡的水平位移分布呈倾倒状.保温板阻止边坡上限下移有积极作用,能提高边坡的稳定性.     

土冻结过程中的水热力三场耦合数值分析

冻土在冻结、融化的过程中，未冻区和正冻区发生的物理过程均涉及温度场、水分场、应力场三场的耦合作用问题。尤其在土体的冻胀变形和分凝冰的形成过程中，冻胀应力对冻土地区结构物具有不容忽视的影响。为此，提出了“三场”耦合分析的一般数学格式，采用有限元思想导出相应的时空离散化方程，并给出了非线性数值求解的迭代计算步骤。另外，还给出具体的数值算例，以验证方法的可靠性、有效性和计算精度。     

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。     

降雨入渗对锚杆加固多级边坡稳定性分析

降雨入渗对多级锚杆支护边坡稳定性的影响尚不清晰,基于非饱和土渗流-应力耦合理论,采用Geo-studio软件建立了降雨入渗锚杆加固多级边坡的流固耦合有限元分析模型,研究不同降雨持时、雨强时锚杆加固多级边坡的渗流、应力、变形场稳定性变化规律,以及锚杆受力特性。研究表明：随着雨强和持时的增大,锚杆轴力及坡面位移均增大,边坡安全系数降低;第三级边坡的锚杆轴力提升幅度最大;同一级边坡内,坡脚处的锚杆轴力值大于坡顶处锚杆力。     

永冻区埋地管道周围土壤水热力耦合数值计算

基于中俄原油管道永冻区工程建设特点,建立冻土多孔介质水热耦合数学模型。地表环境温度采用周期性边界条件,利用SIMPLER算法进行数值求解,得到埋地热油管道自第一年4月末投产,不同月份土壤温度场、水分场、冰水相变界面移动规律随环境温度周期波动的变化关系,并利用ANSYS软件对土壤水热耦合温度场进行冻胀应力分析。结果表明:在地表温度的周期波动下,较长时间内管道周围土壤温度变化剧烈,且受温差和重力的影响,土壤中水分产生了沿管道中心线自上而下的自然对流,随地表以下不同土层温度的不断变化,自然对流涡旋中心形态及强度变化明显,温度梯度对水分迁移影响较大;随着地表温度的升高,管道上方土体的融沉速率略大于管道融沉速率;伴随着融化圈的不断扩大,管道附近土体受较小应力作用范围大,容易发生不均匀冻胀。     

土工袋防渠道冻胀水-热-力耦合数值模拟

根据水-热-力耦合计算模型,编制相应的有限元计算程序,并结合寒冷地区渠道工程进行数值计算,分析渠道建成后2 a内渠坡的温度场、水分场及位移的分布规律。计算结果表明:渠坡在冻融过程中表现出显著的冻胀、融沉变形特性,且冻胀和融沉变形不可逆;土工袋处理渠道对冻土渠坡具有较好的防冻胀效果,土工袋具有较小的导热性,可以有效减小渠坡内部土体温度受大气温度的影响,从而减小渠坡发生冻胀融沉变化的可能性;土工袋可以抑制毛细水和薄膜水的上升,可减小土工袋层及下部土体中的水分迁移,从而保持渠道内较为稳定的含水量,减小渠坡表层的冻胀量;土工袋具有一定的强度且在自身袋子张力作用下能够抑制部分冻胀变形,从而减小渠道衬砌体由冻胀引起的破坏。同时,渠道表层用土工袋处理后,渠坡内部温度可以较快达到稳定状态,运行2 a后可在地基2 m以下位置形成较为稳定的常年冻结层。     

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     

冻融循环对永和原状黄土影响的试验研究

山西省内黄土分布广阔,对山西黄土地质灾害进行研究可以减少人民和国家的经济财产损失,对灾害的预防有重要意义。以山西省临汾市永和县阁窑沟渠原状黄土为试验对象,通过对比在封闭情况下冻融循环前后原状黄土的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角的物理力学性质,研究原状黄土冻融后的变化规律。实验结果表明:冻融后土体含水率降低,黏聚力减小;土体在经历反复冻融后土体结构性减弱,抗剪强度降低;内摩擦角在围压较小时原始土大于冻融后土体,随着围压的增大冻融后土体的内摩擦角变大并大于原始土。最后通过室内试验的研究,分析了阁窑沟渠发生的滑坡与土体的冻融循环之间的联系,也为减少类似地质灾害的发生提出几点建议。