淮南矿区典型冻土的力学特性试验研究

对淮南矿区3种典型人工冻结粘土力学特性的研究表明:钙质粘土力学性能最差;冻结粘土的单轴强度、变形模量和蠕变强度均随温度降低而增加,特别是当冻土温度低于-10℃时,冻结粘土强度随温度降低而剧烈增加,但温度的变化对泊松比影响较小,蠕变状态方程可用形如ε=A(T)σBtC的幂函数表示;在没有补给水源的情况下,其冻胀力可达0.8MPa,冻胀率小于5%,深层粘土的冻胀性小于浅层粘土。     

淮南弱膨胀土冻胀融沉特性

采用自行研制的冻胀融沉试验系统,对淮南弱膨胀土进行不同含水率、冷端温度等条件下的室内冻胀和融沉试验。结果表明:土体冻胀率随含水率、冷端温度和干密度的升高而增大;而随着含盐率的增加,冻胀率呈现减小的趋势,冻胀率与时间关系的可用指数函数y=a(1-e~(-bt))描述。通过温度和水分变化规律可知,距离冷端越远,温度下降速率越慢,达到稳定状态的时间越长。土体冻结深度随温度降低而增加,且与温度场发展规律一致。由于冻结过程中的水分迁移,使冻结区的含水率普遍大于初始含水率,而未冻区含水率则小于初始含水率,在冻结缘附近含水率达到最大,水分在此处集聚形成分凝冰夹层。另外,融沉试验的结果说明了土体融沉量会随含水率升高和温度降低而增大,由各级荷载下的融沉量确定融沉系数和体积压缩系数,为冻土沉降计算提供参数。     

季冻区粉质黏土路基的冻胀特性的模型试验研究

为对季冻区路基冻胀性能进行研究,以实际工程为依托,通过相似原理方法进行缩尺模型试验研究。在开敞式条件下进行单向冻融试验,分析在不同温度梯度条件下冻融循环两次过程中温度分布及冻胀特性。自行研制的冻胀设备能满足变形、温度等多项试验指标。试验测试结果表明:冻结速率随时间的增加呈现出降低趋势且具有一定的波动性;冻结深度随冻结负温的增加而增加,并且在-15℃时,最大冻深达到39 cm;通过对冻结深度与时间关系进行分析提出冻结深度预测公式,通过对前人已有数据进行验证发现所提出公式具有很好的适用性;在不同冷端温度与冻胀量关系中发现,当冻结负温在-10℃下,土体达到最大冻胀量。     

季冻区粉质粘土路基的冻胀特性的模型试验研究

为对季冻区路基冻胀性能进行研究,以实际工程为依托,通过相似原理方法进行缩尺模型试验研究。在开敞式条件下进行单向冻融试验,分析在不同温度梯度条件下冻融循环两次过程中温度分布及冻胀特性。自行研制的冻胀设备能满足变形、温度等多项试验指标。试验测试结果表明：冻结速率随时间的增加呈现出降低趋势且具有一定的波动性;冻结深度随冻结负温的增加而增加,并且在-15℃时,最大冻深达到39cm;通过对冻结深度与时间关系进行分析提出冻结深度预测公式,通过对前人已有数据进行验证发现本文提出公式具有很好的适用性;在不同冷端温度与冻胀量关系中发现,当冻结负温在-10℃下,土体达到最大冻胀量。     

单向冻结条件下裂隙岩体冻胀特性试验

单向冻结条件下寒区隧道围岩不均匀冻胀性是产生隧道冻胀力的主要原因之一.为研究寒区隧道含裂隙围岩不均匀冻胀特性,进行了单向冻结条件下裂隙岩体的冻胀试验,分析了裂隙岩体在单向冻结时的冻结过程及变形规律.试验表明,裂隙处冻胀与岩石自身冻胀存在明显差异,裂隙岩体在冻胀过程中表现出明显的不均匀冻胀特性.在裂隙较深的工况下,随裂隙宽度的增加,裂隙法向的线冻胀率增加.对于含裂隙饱和砂岩,岩石自身线冻胀率随冻结温度的降低明显增大,而裂隙法向的线冻胀率明显减小.凝灰岩孔隙率较小,岩体的冻胀变形以裂隙处的冻胀变形为主,岩石自身在低温条件下表现为冷缩.根据试验结果,在岩体不均匀冻胀系数中考虑了裂隙的影响,计算了含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数.裂隙平行于温度梯度方向时,随裂隙宽度的增加,含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数有所减小.随温度梯度的增加,含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数增加,且增幅相比岩石不均匀冻胀系数明显增大.试验初步反映了裂隙岩体的不均匀冻胀特性,为寒区隧道裂隙岩体冻胀变形计算提供了试验依据.     

人工冻结粘性土的冻胀特性研究

冻结法在矿山建设方面应用已越来越多,冻胀对施工的影响也不容忽视,对冻胀进行研究很有必要.通过自行研制的冻胀仪进行试验,并根据试验结果,比较分析两淮地区人工冻结粘性土在不同地层深度和土质下的冻胀特性,以及相同土样的砂质粘土在不同含水率下的冻胀特性,得出了冻胀力和冻胀率随着地层深度的增加而减小的特性.并研究了相同砂质粘土土样在不同含水量下的冻胀特性,得出了相同土样的砂质粘土冻胀率随着含水量的增大而增大,特别当含水量大于塑限时冻胀增量更大的物理特性,对工程应用具有一定的参考价值.     

水泥改良粉质粘土的冻土强度变化规律研究

对粉质粘土地层进行水泥改良后再进行冻结,可以有效减小冻结过程中产生的冻胀量,而改良后地层的冻结强度是冻结设计和施工的基础。为了获得水泥改良后粉质粘土冻结强度的变化规律,进行了不同水泥掺量条件下不同龄期改良粉质粘土的室内实验,测试了冻土的单轴抗压强度和弹性模量参数,获得了水泥掺量对改良后粉质粘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%。     

青藏高原多年冻土冻结强度的影响因素

对青藏高原风火山现场及室内冻胀试验进行分析的基础上,对影响青藏高原多年冻土冻结强度的土温、含水率、土质、基础桩材料等因素进行了分析,得出：土温高于-7℃范围内与负温近似成线形关系,冻结强度随含水率的增加而增大,粗颗粒土冻结强度大于细颗粒土,建筑材料越粗糙,冻结强度越大.     

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。     

逐级降温工况下道基含盐砾质土盐-冻胀特性

为探明多因素影响下道基含硫酸盐砾质混合料的盐-冻胀变形特性及特征温度，基于天然级配、剔除大于60 mm粒径颗粒级配及添加5%含量(质量分数)细颗粒级配3种试样，分别开展3种含水率、7种不同含盐量条件下的盐-冻胀试验及冻结温度测定试验，结合PFC3D数值模拟，探究颗粒级配、含水率、含盐量对道基含硫酸盐砾质混合料的盐-冻胀变形规律及冻结温度特性的影响，并揭示其作用机理。研究结果表明：含硫酸盐砾质混合料的冻结温度主要受土体含盐量、含水率所对应的等效硫酸钠质量分数的影响；由于受试验降温方式及试样低含水率、低含盐量的综合影响，试验中未能监测到土试样的过冷温度；道基含硫酸盐砾质混合料的宏观盐胀温度低于冻结温度，添加5%含量细粒土试样的冻结温度略低于其他2种试样，3种试样的冻结温度为-1.58℃～0℃;试验土体的盐-冻胀变形率整体随含盐量、含水率的升高而增大，仅剔除大于60 mm粒径颗粒级配的盐-冻胀变形率与天然级配整体相差不大，而添加5%含量细颗粒使土体的盐-冻胀变形率提高3%～30%,提高程度受土试样含水率和含盐量的影响较大；5%含量细颗粒填充了试样中的大孔隙，减小了孔隙体积，对道基含硫酸砾质混...     

动荷载作用下冻结黏土破坏特性试验研究

对冻结黏土进行单轴压缩试验和振动荷载试验,研究静-动荷载作用下冻结黏土的破坏强度、起始屈服强度、破坏应变、破坏时间、破坏应变比能,并进行对比分析。研究结果表明:冻结黏土破坏强度和起始屈服强度随温度降低而显著增大,振动频率的影响较小;冻结黏土破坏应变和破坏时间随温度降低呈现先增大后减小的趋势,温度的降低导致冻结黏土脆性增强;冻结黏土破坏应变比能是衡量冻结黏土抵御破坏能力的指标,随温度降低而增大,振动频率的影响规律不明显;在振动荷载作用下,破坏强度和起始屈服强度增大,破坏应变、破坏时间和破坏应变比能减小,振动荷载使得冻结黏土脆性增强,并且有利于破坏冻结黏土。     

黏质粉土冻胀特性及微观机理研究

基于4个不同顶板温度条件下黏质粉土的单向冻结试验,研究了冻胀敏感性黏质粉土的冻胀特性及微观机理.对冻结锋面、冻胀量和补水量随冻结时间的发展变化情况,试后试样中水分的重分布情况和不同位置的孔隙的变化情况进行了定量分析.结果表明:试样的剧烈冻结发生在试验开始后的25h以内,且冻结深度与顶板温度之间存在着线性关系.试样冻结完成后,冻胀量与补水量均与顶板温度成指数关系.电镜扫描所得的微观结构反映出试样的冻胀机理是未冻水膜在负温梯度下从未冻区向已冻区迁移后发生分凝所导致的结果,试样单向冻结增加了试样沿冻结梯度方向上的各向异性.     

深井冻结壁粘弹塑性力学分析

通过大量的冻结粘土单轴蠕变试验,获得了单轴应力状态下的蠕变曲线及其参数.根据材料在弹性条件下单轴和三轴条件下的应力强度和应变强度关系,建立了三向应力状态下冻土的蠕变本构方程;分析了粘弹塑性冻结壁应力状态及塑性区的扩展规律,推导了不同区域冻结壁应力场和位移场的计算公式,探讨了防止冻结管断裂的措施.     

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 。     

不同饱和度冻结红砂岩动态压缩性能及能量特性试验研究

为研究饱和度对冻结红砂岩动态压缩性能及能量特性的影响,对饱和度分别为0,25%,50%,75%和100%的冻结红砂岩进行SHPB动态冲击压缩试验。研究结果表明：不同饱和度的冻结红砂岩破坏机制主要受未冻水弱化效应、冻结强化效应和冻胀损伤效应3种机制的影响;当饱和度低于25%时,未冻结合水对岩石的动态力学性能产生弱化作用;当饱和度介于25%～75%之间时,冻结强化作用占主导地位;当饱和度高于75%时,水冰相变导致的冻胀损伤占主导地位。冻结红砂岩的峰值强度、耗散能、能量利用率随饱和度的增加均呈先减小后增大再减小的三段式分布规律,且具有明显的应变率效应,而冻结红砂岩冲击压缩破坏的分形维数随饱和度的增加呈先上升后下降再上升的趋势。冻结红砂岩的冲击压缩力学性质及其能量特征均与冻结强化和冻胀损伤的相互作用密切相关。     

地下换热管冻胀变形实验研究

针对地下换热管0℃以下低温运行工况,开展土壤冻胀挤压换热管变形的实验研究.本实验以U型换热管为例,基于变温运行模式,应用冻结锋面追踪和应变测试手段,研究冻结区发展和管截面变形特性,以及换热管初始变形对其冻胀变形的影响.研究表明,土壤冻结区不均衡发展,发展速度逐渐降低;受其影响,管截面呈现椭圆化变形,变形程度随冻结区发展而不断增大,且增大速度逐渐降低;初始变形可使换热管在冻胀过程中变形程度增加.     

联络通道富水卵砾石层冻结施工冻结壁温度及变形的模型试验

应用室内强度试验确定富水卵砾石层相似材料配合比,并进行冻结温度场、水分场与应力场的相似准则推导,设计研发出以物理模型箱,包括加载、制冷、监测系统为一体的多功能物理模型试验平台,根据等散热能量原则设计冻结管布置方案,研究了富水卵砾石层冻结过程中冻结壁温度及变形规律。通过模型试验监测模拟富水卵砾石地层冻结壁形成、地层冻胀及开挖过程中温度场与位移场变化,发现距离冻结管近端温度下降比远端快,随着时间的不断增加,冻结壁冻胀位移一直增大,最后达到峰值,不同位置由于冻胀引起的位移还是存在稍许差异,具体表现在拱顶冻胀位移最大,拱角次之,拱底最小。结果表明:冻结壁内侧温度下降比外侧下降快,离冻结管越远的测点差异性也越大,距离冻结管近端温度下降比远端快;冻胀阶段位移拱顶处最大,其次为拱角,拱底最小,而开挖阶段拱底处位移变化最大,其次为拱角,拱顶最小。两阶段位移都是先增大而后趋于平缓,但开挖位移开挖断面处有突变。     

冻结红层软岩的蠕变特性研究

为研究第三系红层软岩在低温下的蠕变特性,对冻结红层进行单轴蠕变试验,试验结果表明,在应力水平较低时,软岩只存在衰减蠕变,随着应力水平的增大,当超过流变长期强度时,出现了非稳定蠕变;同时,随着温度的降低,软岩的瞬时应变量和蠕变量都会明显减少,而长期强度则有较大幅度的增长,说明温度对软岩及冻结壁的流变性质影响十分显著。引入与时间和应力相关的非线性黏滞系数和时间开关函数,对西原模型进行改进,得到了可以描述加速蠕变的非线性流变本构模型,通过试验数据对冻结红层软岩的参数进行了辨识。将流变模型嵌入到abaqus有限元程序,并对井筒开挖进行数值模拟,获得冻结壁最大位移与时间曲线,通过与实测值进行比较,两者较为吻合。可见,建立的流变模型能够很好的描述冻结红层软岩的蠕变规律。     

岩石低温单轴压缩力学特性

以非线性热弹性理论为基础,建立了考虑岩石冰胀效应的变物性本构方程,给出了干燥低温和饱和冻结状态下单轴压缩强度和力学特性参数随温度的变化关系.借助花岗岩在两种状态下的压缩试验结果,探讨了低温花岗岩的单轴压缩力学特性.饱和冻结状态下的抗压强度大于干燥低温状态的抗压强度,其相差量随着温度降低有增加趋势;在同种状态下抗压强度随温度降低呈增长趋势,增长率逐渐减小.低温附加强度主要由岩石基质热力效应所贡献,而由岩石孔隙冰胀效应引起的附加强度相对较小.花岗岩在干燥低温和饱和冻结状态下,变形模量均随温度的降低呈增大趋势,而泊松比变化相对较小.     

冻粘土的技术蠕变理论及在冻结法中的应用

对冻粘土试件进行了三轴应力状态下的蠕变试验。提出了冻粘土的技术蠕变理论及相应的流变本构方程，并导出了冻结壁厚度和径向位移计算公式。