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.     

负温和初始含水率对冻结粉质黏土力学性质的影响

温度和含水率是决定冻土性质的两个主要因素.通过开展低温三轴试验,研究了冻结状态下路基粉质黏土在50kPa围压,4个温度水平(-4、-6、-8、-10℃)、4种初始含水率(14.30％、16.20％、18.73％、20.60％)共计16种工况下的变形及强度等力学性质.结果表明:冻结粉质黏土的应力-应变关系在各温度及初始含...     

不同因素对浅表土冻结温度的影响

通过自制的冻结温度试验装置,以南京地区浅表土为研究对象,分析了淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、粉砂3种不同土质在不同含水率、盐分含量以及不同水质条件下的冻结温度规律。结果表明：在试验的含水率范围内,土体冻结温度随含水率增加呈近似线性升高,随盐分含量增加直线降低,而干密度的变化对土体冻结温度影响不大。     

冻结时间对冻土抗压强度影响的试验分析

为了研究不同冻结时间及含水率对冻结粉质黏土无侧限抗压强度的影响,在负温条件下对不同含水率粉质黏土进行了不同冻结时间的无侧限抗压强度试验。结果表明随着冻结时间的增加,冻结粉质黏土无侧限抗压强度逐渐增大且增大趋势逐渐减小,应力-应变曲线的弹性段得到延长,应力达到峰值后下降段斜率逐渐增大,表现出依赖于冻结时间的冻脆性特征;在17%～29%范围内,随着含水率的增大,无侧限抗压强度逐渐降低,破坏应变逐渐增大,破坏形式由脆性破坏向塑性破坏转变。     

人工冻土融沉特性试验研究

为促进人工冻结技术在城市地下工程中的推广应用,利用自制的冻胀融沉试验装置,对南京地区典型土质进行了融沉特性室内试验.结果表明:并非所有含水土体都产生融沉.只有当土体含水率超过起始融沉含水率后才会融沉.土体融沉系数随含水率增大而增大.且淤泥质黏土、粉质黏土融沉系数随含水率增大而分段线性增大.对于非饱和土,融沉系数与干密度变化规律中存在一个临界干密度,临界千密度对应土体最小的融沉系敷.开敞型冻融时,融沉系数随温度升高而增大,封闭型冻融时,融沉系数随温度升高而减小.粉砂相对于淤泥质黏土和粉质黏土属于非冻胀融沉敏感土.     

浅表土人工冻土冻胀特性的研究

利用自制冻胀试验装置,对淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、粉砂在不同冷端温度、含水率及 荷载作用下的冻胀规律进行试验研究。结果表明：在试验含水率及干密度范围内,土体冻胀率随冷 端温度下降线性降低,随土样含水率增加线性增大,随干密度增加而增大,随上部荷载增大呈指数 规律降低。同时对淤泥质黏土进行了正交冻胀试验,表明各因素对土体冻胀率的影响程度的由大到 小顺序为：含水率、冷端温度、干密度、上部荷载。最后给出了不同因素对黏性土冻胀的预测模型 。     

土体单向冻结对土中水分迁移的影响

以江苏南京、苏州、无锡等地区典型的浅表土为研究对象,对非饱和土进行了单向冻结试验,研究了不同含水率、干密度以及冻结时间对土中水分迁移特性的影响。结果表明:试样冻结锋面的位置与冻结时间有关,冻结2 h后的发展速度(1.20 cm/h)略小于前2 h的发展速度(1.55 cm/h);土中水分迁移量及迁移范围与干密度成反比,试样顶端含水率减小值及底端含水率增加值与干密度大小有关;处于非饱和状态的淤泥质黏土初始含水率越大,经单向冻结后造成的水分迁移效果越明显;粉砂中易形成快速冻结,初始含水率对水分迁移能力影响不大;相同冻结条件下淤泥质粉质黏土冻结后各冻土段含水率增量基本相同。     

水泥改良粉质黏土的冻土强度变化规律

对粉质黏土地层进行水泥改良后再进行冻结,是减小冻结过程中冻胀量的有效施工措施;而水泥改良后地层冻结强度参数是冻结设计和施工的基础。为了获得水泥改良后粉质黏土冻结强度的变化规律,通过室内实验,进行了不同水泥掺量条件下不同龄期改良粉质黏土的冻土强度测试,获得了冻土的单轴抗压强度和弹性模量。分析了水泥掺量对改良后粉质黏土的冻土强度影响规律,建立了冻土强度、弹性模量与水泥掺量之间的线性拟合关系。通过实验发现,水泥的掺入可以有效提高冻土的力学参数;而且水泥掺量越大,冻土强度越高;同时冻土弹性模量也得到了相应提高。研究结果表明,当水泥掺量小于5%时,掺入水泥对冻土单轴抗压强度和弹性模量的提高作用不明显,实际施工中一般应控制掺入地层的水泥量超过5%。     

长春地区粉质黏土融沉性质及影响因素试验研究

粉质黏土是一种对温度极其敏感的土,在季节性冻土区通常会产生较大的融沉变形,给道路、铁路等建构筑物造成严重破坏。长春地区土层以粉质黏土最为普遍,由于纬度、海拔、气候等原因,这里的粉质黏土融沉性与其它地区的有所不同,其影响因素的影响程度也有所不同。本文以长春地区粉质黏土为研究对象,通过对原状土样进行融沉压缩试验、冻胀试验和导热系数试验,分析了融沉系数与各因素之间的关系,提出了融沉系数经验公式,并采用灰色关联理论分析了各影响因素对融沉系数的影响程度。结果表明：①融沉系数随含水率、超塑含水率增大而增大,随干密度、烧失量增大而减小,其中可塑性影响最大;②融沉性与冻胀性呈显著正相关,冻胀率和冻胀压力越大,融沉系数越大;③粉质黏土融沉系数随深度的增大而增大,最大值出现在9～12m区间内;④长春地区粉质黏土的最优干密度为1.625g/cm_³;⑤根据灰色关联分析结果,长春地区粉质黏土各影响因素对融沉性的影响顺序由大到小依次为塑性指数、干密度、含水率、超塑含水率、导热系数、冻胀率和冻胀压力。在实际工程中可采取控制最优干密度或调整级配的方法来提高地基土或回填土的密实性,研究结果可为长春地区进行公路、铁路、地铁深基坑、建筑基础施工等提供科学依据与理论参考。     

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。     

单向正融粉制黏土路基的静力学特性及显著性分析

由于正融土体相较全融或全冻土体具有不稳定性,对路基土体会产生更大破坏,为了探究单向正融粉制黏土路基的静力学特性,通过改装动静三轴试验机,对不同围压、冻前含水率、顶端冻结负温、顶端融化温度进行了静三轴剪切试验,研究应力-应变曲线和静强度的变化规律,并且基于显著性分析对静强度进行探究。试验结果表明:随着围压和含水率的增加,应力-应变曲线逐渐由弹性-应变软化型变为弹性-应变硬化型;正融土静强度随顶端冻结负温的降低和融化温度的降低而升高,冻结负温比融化温度对正融土强度贡献更大;认为存在临界含水率,小于该含水率,静强度随含水率的增长而增大,大于该含水率则随含水率的增长而减小。通过显著性分析发现,围压对静强度影响最为显著,冻前含水率次之;同时,冻结和融化温度的交互作用也有较为显著的影响。     

高温冻土剪切力学特性试验研究

利用重塑土的直剪试验,探讨-2℃条件下青藏地区3种不同土性(粉质黏土、粉砂、细砂)冻土的直剪力学特性。结果表明:高温冻土剪切特性与土性、密度、含冰量密切相关;剪切位移-剪应力曲线在相对密实条件下呈应变软化型,而在相对松散状态下呈应变硬化型;不同密实条件下粉质黏土的内摩擦角随含冰量的增加表现为先降低后增加,而细砂的内摩擦角随含冰量的增加而增加;在相同含冰量条件下粉质黏土、细砂的内摩擦角随密度的增加而增加;粉砂在不同密实条件下内摩擦角随密度的变化规律与粉质黏土类似,但在相同含冰量条件下内摩擦角随密度的变化规律与粉质黏土、细砂相反;-2℃条件下不同土性高温冻土黏聚力随密度、含冰量变化的规律不明显。高温冻土地区的工程建设应根据土性、密度、含冰量情况合理选取抗剪强度指标。     

封闭不补水条件下粉土冻胀特性试验研究

为量化初始含水率、干密度和冷端温度对路基粉土冻胀特性的影响,在封闭不补水条件下,采取改变初始含水率、干密度及冷端温度的方法,进行7组室内粉土冻胀特性试验.研究结果表明:初始含水率、干密度和冷端温度三个因素都对粉土冻结深度有影响;粉土的冻胀率与初始含水率、干密度有较好的线性关系;粉土的初始含水率每增加2%,水分迁移量增加1%左右.基于试验结果,从理论上分析冰透镜体的形成与分层,指出冻土中冰透镜体成层分布的现象是由冻结缘在移动过程中速度不匀导致的.研究结论对粉土路基设计和防治粉土路基冻胀灾害有一定的指导意义.     

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。     

人工冻结软土的蠕变特性试验研究

结合宁波轨道交通中冻土蠕变的工程实例,研究了人工冻结后土体物理力学性质的变化。在-10℃条件下,对相关地层进行了不同应力水平的蠕变试验,结果表明:宁波地区人工冻土表现出了明显的蠕变特征,是典型的蠕变材料。在加载水平较低时,②2-2和③2土层的蠕变特性较其他各土层强。随着加载水平的增加,③1层含黏性土粉砂和③2粉质黏土的应变随时间迅速增加,土层蠕变特性显著衰减,其他土层的蠕变特性随加载而增强。在试验基础上,结合蠕变数学模型,获得各土层的蠕变模型参数。此外,宁波地区人工冻土的长期强度衰减很快,随着时间的延长,其衰减过程逐渐趋于平缓,强度趋于稳定。     

基于差示扫描量热法的冻土冻融过程未冻水含量计算模型

通过差式扫描量热法(differential scanning calorimetry,DSC)试验,研究不同初始含水率下黏土在冻融过程中未冻水含量与温度的关系,将融化和冻结过程中冻土未冻水含量的特征点作为参数,建立黏土未冻水含量与温度关系半经验模型,并分析初始含水率对参数的影响。结果表明:模型计算值与试验值吻合较好;初始含水率对黏土冻结时的过冷温度影响较小;完全融化温度随初始含水率增大略有上升;不同初始含水率的相同土质的未冻水含量在同一温度点的变化较小。     

上海冻结软土的单轴抗压强度试验

对两种典型的上海饱和冻结软土进行单轴无侧限抗压强度试验,在温度为-20,-10,-5 ℃和加载速率为1×10-3,3×10-4,5×10-5s-1的条件下,共进行了2组18个土样的试验.通过对试验数据的分析,得出饱和冻结软土的单轴抗压强度受温度、应变速率、含水量及干密度等因素的影响规律：(1) 抗压强度随应变速率的增加以幂函数的形式增大;(2) 抗压强度随温度的降低线性增大;(3) 在相同的应变速率及温度条件下,含水量越大,冻结软土的抗压强度越大,干密度越大,抗压强度越小,得出抗压强度与温度、应变速率关系的幂函数模型参数;(4)弹性模量随加载速率对数的增加呈幂函数形式增加,随温度的升高线性降低.     

黏粒含量对粉质黏土土水特性影响的试验研究

粉质黏土分布广泛,其土水特性受黏粒含量影响显著。为揭示黏粒含量对粉质黏土土水特性的影响规律,采用离心机对不同黏粒含量粉质黏土进行脱水条件下土水特性测试试验。首先,制备六组干密度相同的不同黏粒含量粉质黏土试样,并通过密度计与筛分联合测定法获得试样颗粒级配曲线和黏粒含量。然后,通过调节离心机转速得到不同基质吸力对应的土样总质量与含水量,并基于Van-Genuchten模型拟合土样土-水特征曲线,进而分析黏粒含量对土-水特征曲线的影响。研究结果表明:(1)不同黏粒含量粉质黏土的体积含水率均随基质吸力增加逐渐减小且变化趋势基本一致:当基质吸力小于20 k Pa时,含水率接近饱和含水率,大于20 k Pa后含水率随基质吸力增加快速减小;(2)黏粒含量越高,粉质黏土持水能力越强,土体含水率越大,含水率受黏粒含量增加影响的程度呈现先增大后减小的趋势;(3)相同基质吸力条件下,黏粒含量越高,土体含水率越大,在基质吸力大于80 k Pa后不同黏粒含量土样的含水率相差越来越小;(4)残余含水率偏高,吸附的水分仍达到其饱和状态含水量的40%左右。这为进一步进行非饱和粉质黏土软基的水力特性评估提供了技术支持。     

预制裂隙冻结黏土单轴冲击压缩试验与分析

为研究裂隙对冻结黏土动态力学性能的影响,制作了不同位置、不同条数、不同长度和倾角的预制裂隙冻土试样,利用Ф50 mm杆径的分离式Hopkinson压杆装置进行了不同预制裂隙冻结黏土的冲击压缩试验。研究表明,侧面预制裂隙对人工冻结黏土试样动态抗压强度和弹性模量的弱化程度要大于端面预制裂隙,当侧面预制裂隙倾角垂直时,试样的强度劣化系数最大,弹性模量最小,分别为25.99%、172 MPa;端面裂隙条数为1～2条时强度劣化系数增长幅度较为明显,侧面裂隙条数为1～2条时增幅较小,弹性模量随裂隙条数的增加逐渐减小。当端面裂隙长度为8 mm、12 mm和16 mm时,强度劣化系数分别为0.47%、7.97%、22.22%,弹性模量分别降低了3.59%、15.69%、44.77%,随着裂隙长度的增大,冻土抵抗破坏的能力变弱。     

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.