青藏铁路运营期间冻土路基裂缝问题研究

运营期青藏铁路冻土区路基工程最值得关注的变化是不同部位裂缝的发生和发展以及对线路安全运行的影响.通过对不同时期青藏铁路多年冻土区路基工程裂缝发生发展影响因素的分析,认为冻土区路基工程基底地温场的不对称以及基底土体冻融过程不同步是路基工程变形裂缝发生的主要原因,路基坡脚和周围冻土水热环境变化是裂缝发展的拉动力,路基填料性质也是不容忽略的因素;根据运营期间冻土路基热状态和工程状态分析,对运营期青藏铁路冻土路基工程状态进行了初步评价,并提出了减少或消除地温场的不对称及保护路基坡脚冻土环境,从而抑制冻土路基裂缝的工程对策.     

月球极区冻土模拟月壤钻进试验研究

月球极区已经发现水资源存在的证据,极区水资源的探测、采集与利用技术日益成为世界各国研究的热点。冻土是月球极区水资源存在的重要形式,对极区冻土实施采样返回作业是未来深空探测的重要任务内容。为满足未来冻土采样任务需求,在中国首次开展了冻土模拟月壤采样技术试验研究。基于探月三期模拟月壤制备基础,结合国内外极区冻土类月壤含水量探测与分析信息调研,进行不同含水量的冻土模拟月壤制备,开展钻取试验,初步总结冻土类模拟月壤钻进特性。通过试验得出结论,相较于高密实度的无水模拟月壤,冻土类月壤黏度更大,所需钻进力载更大,钻进过程排粉状态明显不同,需采用的钻进策略也有显著差别,样品形态因含水量不同呈现块状散体或柱状。试验获得了冻土模拟月壤钻进特性第一手资料,可支持后续冻土月壤采样技术深入研究。     

立足科研 冻土扬威——访中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研究员李东庆

李东庆博士主要从事冻土及寒区道路工程和含天然气的海底软土工程特性方面的研究工作。在有关多年冻土退化，冻土工程模型试验与冻土冻融过程数值仿真、冻土路基工程应用技术等方面的研究工作中取得了创新性的成果，对多年冻土地区路基稳定性的影响因素和不同路面类型与不同路基高度对路基下多年冻土的影响程度进行了详细的模拟分析研究．     

冻融试验机POWER TESTV32-SHT的改进建议

通过目前新研制的微机控制多功能冻土冻融试验机POWER TESTV32-SHT对各类土壤进行人工冻土的冻胀量和冻胀应力模拟试验研究,得出了不同深度不同类型土层人工冻结后的冻胀量和冻胀应力与固结应力的关系。人工冻土工程的设计、施工具有一定的参考价值。不过目前多功能冻土冻融实验机毕竟是新出的产品,在具体使用过程中有一定的局限性和不足。就其不足之处提出改进建议。     

含损伤的冻土动态本构模型研究

为研究冻土动态本构关系,基于损伤理论研究冻土的变形过程,用唯象模型将冻土看成黏性体和损伤体的并联组合体,并且利用强度理论以及复合材料等效夹杂原理获得冻土在冲击载荷作用下的动态本构模型及其参数的确定方法. 利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对冻土进行冲击加载实验,获得冻土在不同应变率冲击载荷作用下的应力-应变曲线,实验结果表明冻土具有明显的应变率相关性. 对比实验曲线和理论曲线可以看出模型计算与实验结果吻合良好,说明了建立模型的方法是可行的,且该模型能够很好地反映冻土动态加载过程的主要特征.     

基于升温作用的冻土动剪切模量与阻尼比试验研究

为了解升温冻土在动荷载作用下动力特性变化规律,探究Hardin-Dmevich双曲线模型对冻土动力特性的适用性,以青海省G101公路沿线冻土为研究对象,用GDS动三轴系统模拟土体在实际情况下的固结及不同初始负温度环境梯度升温的过程,研究冻土阻尼比和动剪切模量随温度的变化规律.结果 表明:负温对冻土阻尼比和动剪切模量影响...     

冻土非线性断裂破坏过程数值计算分析

冻土具有非线性特征,因此其断裂破坏过程也是非线性的并存在微裂纹损伤区(MDZ),将MDZ简化为虚拟裂纹,并考虑到冻土特性,假定在虚裂纹面上存在着胶结力,提出了冻土断裂破坏的胶结力裂纹模型,并具体讨论了张拉型破坏和压缩破坏的胶结力裂纹模型.其次,依据Paris位移公式,分别推导均布外力作用下,裂纹面上作用有非线性分布胶结力情况的裂纹尖端张开位移一般表达式,进一步导出了三点弯曲梁及压缩破坏的裂尖张开位移表达式,为冻土非线性破坏过程及特征参数的计算提供依据.最后分别对三点弯曲梁模型及有侧限压缩模型进行了数值计算.对三点弯曲梁计算了不同温度下冻土破坏过程曲线,给出了不同土质非线性破坏特征值-临界张开位移值,并与实测值进行比较,二者相符;对压缩模型,给出了裂纹张开位移过程曲线和不同土质张开位移临界值,并与理论预测值进行了比较,二者也基本相符.在计算方法上采用了有限元和解析法相结合的半解析有限元法.     

环境负温与升温温差作用下冻土强度特性试验研究

随着西部经济快速发展,冻土区工程日趋活跃,冻土灾害问题愈显突出。为了减少灾害,提高工程耐久性,必须进行冻土区地基承载力的力学特性与温度变化的关系研究。采用青海省果洛州海拔4 200 m处冻土,在室内模拟不同环境负温与升温温差的冻土常规三轴压缩试验,得到冻土在不同环境负温、不同升温温差下的应力-应变曲线以及强度-温度关系曲线。试验结果表明,低温冻土到高温冻土的破坏特征是由脆性破坏过渡到塑性破坏,其应力应变关系由广义双曲线模型变为邓肯-张模型;环境负温与升温温差的不同,使得冻土强度折减不同;设计冻土区地基承载力时,需根据当地温度和升温温差等变化特点修正冻土区地基承载力特征值。     

青藏公路冻土路基最大设计高度研究

针对冻土路基斜坡稳定性受温度场影响的特殊性,采用自行开发的数字路基仿真平台对不同地温、不同坡度和不同路基高度条件下的大量工况进行了温度场数值模拟。采用冻土力学参数与地温的拟合公式将温度场与力学场关联起来,并考虑到冻融交界面作为软弱夹层对于冻土路基稳定性控制作用,采用自行编制的冻土斜坡稳定性评价程序对各工况进行了稳定性系数计算,并考虑了荷载作用对冻土路基斜坡稳定性的影响。参照《公路路基设计规范》中对于路堤软弱层滑动稳定性的设计规定,提出了不同坡比、不同荷载作用条件下的冻土路基最大设计高度。     

上海长江隧道联络通道冻土帷幕温度场动态演化机理分析

研究了上海长江隧道联络通道冻土帷幕温度动态演化过程.运用ANSYS有限元软件建立了较为符合实际工程的三维实体模型,考虑了管片散热、冷排管等影响,用比焓值随温度的变化来反应相变潜热的动态变化过程.研究和总结了冻土帷幕温度动态演化机理,包括冻土帷幕发展规律、交圈规律、平均温度发展规律及冻土帷幕有效厚度发展规律.研究结果表明,冻土帷幕温度场的形成是一个有规律可循的连续性发展过程.有限元分析的冻土帷幕交圈时间、平均温度和冻土帷幕有效厚度与工程实测数据比较吻合.     

冻土单轴压缩损伤特征与细观损伤测试

基于冻土单轴压缩的CT动态测试，提出冻土单轴压缩下的损伤由完全不同的两个阶段组成：其一是塑性硬化下的塑性损伤，其二是由于新产生的裂隙造成的微裂纹损伤。对两种不同损伤阶段下冻土微结构变化特征进行了讨论，给出了各阶段损伤计量计算公式。采用该方法分别对饱水冻土试样和未饱水冻土试样的损伤量进行了计算，得到了塑性损伤和微裂纹损伤阶段的损伤量及总附加损伤量。得出饱水冻土的塑性损伤和微裂纹损伤产生的应变条件门槛值分别为0．75％和5．0％，未饱水冻土的分别为0．70％和4．5％。     

冻土电阻率与其温度的关系研究

为研究冻土电阻率与温度的关系,采用自制电阻测量装置,对不同温度的砂土和黏土试样进行了电阻测试。结果表明,当温度大于0 ℃时,土的电阻率变化不大;当温度小于0 ℃时,土的电阻率随温度的下降而明显上升。出现这种现象的原因在于,当温度降低至0 ℃以下时,土中水分随温度的降低将逐渐部分或全部冻结为冰,而冰的电阻率大于液态水的电阻率。此外,冻土的电阻率还与土的类型有关,在干密度、含水量、温度均相同的条件下,砂土的电阻率大于黏土的电阻率。     

土壤冻结温度测定试验研究

在研究越冬期土壤的水热耦合运移规律时，通常需要同步测定土壤冻结深度，为了分析冻融期土壤剖面的冻结情况，我们在室内对3种土质的土壤进行了土壤冰点测试实验，测定了土壤冻结的时间过程及不同含水率、含盐量条件下的3种土质的冻结温度(冰点)。分析了土壤冻结温度随土壤含水量及含盐量的变化规律，为确定试验区越冬期土壤冻融状况提供了依据。     

基于细观力学方法的冻土本构模型研究

从复合材料的细观力学机理出发研究冻土的材料特性,用混合律方法得到了冻土材料的等效弹性常数,并利用这些弹性常数建立了含损伤的冻土弹性本构模型.对于在不同冰体积含量和不同温度下的冻结砂土,由该损伤本构模型计算的结果与实测的应力-应变曲线比较吻合,表明该模型能够较好地描述实际冻土材料的力学特性.     

冻土抗剪强度特性及试验研究

通过研制冻土变角剪切试验仪来测定冻土抗剪强度指标,即冻土内摩擦角和粘聚力;冻土变角剪切试验仪由WDT-100冻土试验机和变角试验装置两部分组成.试验加载和数据由计算机自动控制和采集,试验系统精度高、结果可靠.每组试样按照四种固定剪切面进行剪切试验;通过大量的试验结果表明冻土抗剪强度可用摩尔-库仑强度理论来描述,变角剪切试验仪是测定冻土抗剪强度行之有效的方法之一.     

冻结黏土分数阶损伤蠕变模型参数确定及验证

为表达介于理想固体和理想流体之间的人工冻土蠕变特性,常用弹簧元件、黏壶元件与滑块元件间的复杂组合来实现。基于分数阶导数理论则可用较简单的模型来表达人工冻土蠕变性质。分析山西某矿井井筒检查孔黏土不同冻结温度下的单轴抗压、蠕变试验曲线,得到温度对冻结黏土单轴抗压应力应变及蠕变特性的影响规律。在Singh-Mitchell模型的基础上,引入分数阶导数理论,建立受冻结温度、加载等级影响的分数阶冻土蠕变模型。通过分析蠕变与时间取对数的拟合曲线发现两者具有线性关系,进而得出与温度有关的模型参数。鉴于建立的分数阶冻土蠕变模型不能反映冻土蠕变加速阶段,将损伤因子引入建立的分数阶蠕变模型,建立人工冻土分数阶损伤蠕变模型。对比分析分数阶蠕变模型计算值与试验值,表明该模型能够很好地反映人工冻结黏土在稳定蠕变阶段、加速蠕变阶段变形发展特点。建立的S-M分数阶蠕变模型参数少、易于确定且有一定的物理意义,便于工程应用。     

原状冻土Ⅰ型断裂韧度KIc试验研究

针对原状冻土没有被扰动、土体内在微细观结构没有发生变化的特点，给出了试样制备与加工、初始裂纹预制及采用着色法测量裂纹尺寸的新方法．通过对当地土质进行分层冻胀量的观测，得出了不同埋深处冻胀量、冻深与时间的关系，并以此来严格控制试样制作及试验时的温度，以保证试验时试样的温度变化与实际相同深度冻土层温度变化一致．利用改造后的试验装置得到原状冻土Ⅰ型断裂韧度KIc值，说明了该试验方法是可行的．