宁波地区人工冻土抗折特性研究

依托宁波地区甬舟铁路金塘海底隧道工程,针对隧道洞身范围的粉土和粉质黏土,在不同温度和不同含水率条件下进行冻土抗折强度试验,研究人工冻土抗折强度随温度和含水率变化的规律特征.结果表明:粉土和粉质黏土冻土抗折强度均随冻结温度的降低而增大,冻土抗折强度受冻结温度影响明显;不同含水率对粉土和粉质黏土抗折强度有一定影响,粉土试样...     

青藏直流输电线路冻土长期抗剪强度预测及影响因素分析

冻土是指0℃以下,含有冰的各种岩石和土壤,由于其复杂的物理力学特性,给青藏直流联网工程的施工和设计带来了很多难题。工程沿线冻土的长期抗剪强度,更是由于土质、含冰量以及密实度分布的复杂特性,影响了其在使用寿命内的安全运营和稳定性。为解决这一工程难题,室内制备重塑试样并在-2℃的温度下对3种土质类型（粉质黏土、粉砂和细砂）、3种含冰量（饱冰、富冰和多冰）的密实和松散冻土进行直剪快剪的蠕变试验,得到了不同土质、含冰量以及密实度类型的冻土剪切蠕变特性,并分析和预测了长期抗剪强度的变化规律和影响因素,结果表明:（1）短时间内冻土承受荷载的能力随含冰量的增加而增大;随着加载时间的延长,冰的流变特性表现出来,使冻土的蠕变变形加大,冻土的强度降低;（2）密实度越大、含冰量越大的冻土,初期强度越高;随着时间的增加,强度开始衰减,且含冰量越大,密实度越小的冻土衰减速度越快;（3）长期强度的变化规律不受土质的影响,说明在工程施工阶段,若单纯考虑长期强度时,只要不同土质冻土保持冻结状态,可同一对待和处理。以上结论为输电线路冻土基础设计、施工和安全运营提供了一定的理论基础,也为在青藏地区开展的其他工程活动提供了可借鉴的试验数据和资料。     

人工冻土纵波波速与温度和含水率的关系

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粘土的纵波波速,对实验数据进行了分析。结果表明,含水率一定时,总的趋势是,冻结粉质粘土纵波波速随冻结温度的增加而增加,但局部有变化,-7℃是冻结粉质粘土波速增长的拐点,-20℃ 是冻结粉质粘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。     

冻结粉质黏土三轴抗压强度和变形特性试验研究

通过对-6℃冻结粉质黏土在1～9 MPa的围压范围内进行一系列的三轴压缩试验,分析了冻土的变形和强度特性.结果表明：不同围压下,冻结粉质黏土的应力-应变曲线形态基本相似,而软化程度及初始阶段的硬化速率则有所不同.根据摩尔-库仑准则,得到广义黏聚力和广义内摩擦角随围压的变化规律,同时基于包络线理论建立非线性强度准则,以描述冻结粉质黏土强度随围压先增大后减小的变化规律.     

初始含水率对冻结粉质黏土变形和强度的影响规律研究

冻土的变形和强度受温度、水分及压力的影响甚为显著。通过对-6 ℃的冻结粉质黏土在初始含水率为12.5%～20%范围内进行一系列的三轴试验,分析初始含水状态对冻土变形和强度的影响规律。研究发现,当初始含水率较低时,随着围压的增大,冻结粉质黏土相继出现应变软化和应变硬化特征;当初始含水率大于16%时,其应力-应变关系主要呈现出应变软化特征;随着初始含水率的增大,初始切线模量随围压从线性缓慢增大逐渐过渡为抛物线形的分布。同时,根据包络线定理,建立非线性摩尔-库仑强度准则,用以描述初始含水率为12.5%、14%和16%的冻结粉质黏土强度随围压变化的非线性;当初始含水率为18%和20%时,其强度可用线性摩尔-库仑强度准则描述。     

高温-高含冰量冻结黏土强度试验研究

为研究高温-高含冰量冻土的强度特性,分别开展了不同温度、不同含水率的冻结黏土单轴无侧限抗压强度试验。分析了高温-高含冰量冻结黏土在单轴压缩试验过程中的破坏类型、应力-应变关系;单轴抗压强度与温度、含水率之间的关系以及饱和冻结黏土单轴抗压强度对温度的敏感性-含水率关系。研究结果表明：当温度低于-0.9 ℃时,高温-高含冰量冻结黏土存在最不利含水率,在相同的温度条件下,该含水率状态下冻土抗压强度最小;当温度高于-0.6 ℃时,高含冰量冻土随含水率的增加,单轴抗压强度增大。     

基于小型平板载荷试验的粉质黏土变形演化状态特征分析

为掌握中低压缩性粉质黏土长期变形特征,开展了单元结构填土模型的小型平板载荷蠕变试验,测试了在最佳含水率下压实系数分别为0.90、0.95和1.00的3种填土模型在不同荷载水平作用时的竖向沉降时程曲线和回弹变形量;根据土力学流变原理中蠕变界限、长期强度和相对瞬时强度的基本概念,将土体在不同荷载水平下的变形演化状态划为快速稳定、缓慢稳定、缓慢破坏和快速破坏共4种类别;基于土体蠕变速率随时间呈现负幂函数形式的衰减规律,论证了收敛型衰减蠕变过程中塑性变形具有分形特性,建立了定量区分土体变形演化状态的"幂次判别准则",据此通过小型平板载荷蠕变试验确定了相应的3个荷载阈值;结合模型填土回弹变形量随荷载水平呈近似线性增长的特征,推求了粉质黏土4类变形演化状态对应的3个回弹应变阈值,所得成果为控制和评价地基变形演化状态提供了理论和试验依据。     

长期动荷载作用下冻结粉土的变形和强度特征

根据长期动荷载作用下的蠕变试验结果,研究了冻结粉土的变形和动强度特征.试验分3组,第一、二组是小振幅动荷载试验,且第二组的动荷载幅值为第一组的两倍;第三组是大振幅动荷载试验,荷载最小值取接近于零的值,最大值与第一组对应.试验结果表明:各种振幅的动荷载作用下,冻土的累积应变随荷载振动次数的变化规律相同(都包括初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段、渐进流阶段)但数值上有差异.在初始和稳定蠕变阶段,第三组试验的累积应变小于第一、二组的,但是第三组试验稳定蠕变阶段的应变速率很大,蠕变曲线迅速进入渐进流阶段,此后其累积应变值大于小振幅动荷载试验的;第一、二组试验的应变幅值随振次的变化规律相似,但与第三组的有明显不同,而且,第三组试验的应变幅值明显大于第一、二组试验的.各种振幅动荷载作用下冻土的残余应变随振次的变化规律相同,且偏移荷载载越大或动荷载振动幅值越大,残余应变越大;冻土的动强度随荷载振动次数的增加而衰减,直至趋于极限动强度,大振幅动荷载试验的极限动强度明显小于小振幅动荷载试验的.     

粉质黏土的真三轴试验及强度特性研究

为研究复杂应力路径下粉质黏土强度特性,利用TSW-40型土壤真三轴仪,开展了不同试验条件下粉质黏土的真三轴试验。研究了真三维应力状态下粉质黏土应力-应变曲线变化规律,探讨了含水率、固结围压和中主应力比等试验条件对粉质黏土强度的影响规律,对比分析了真三维应力状态下 平面上粉质黏土试验值与Mohr-Coulomb（简称M-C）强度准则和双剪强度准则的差异。研究结果表明：真三维应力状态下粉质黏土的广义剪应力-剪应变曲线主要表现为应变硬化型。粉质黏土强度随中主应力比和固结围压的增大而增大,随着含水率的增大而减小。 平面上粉质黏土的强度包络线随静水压力 的增大向外逐渐扩展,随含水率 的增大向内逐渐收缩。 平面上M-C强度极限线和双剪强度屈服极限线与试验值对比分析表明,M-C强度准则描述土体强度时结果偏小,采用双剪强度准则时结果偏大。     

冻结硫酸钠粉质黏土强度与本构模型研究北大核心CSCD

为了研究冻结硫酸钠粉质黏土的变形规律和强度特征,在1 MPa围压下,对-2、-6、-10℃三组温度下不同硫酸钠含量的粉质黏土进行负温三轴剪切试验研究。基于实验数据,计算了冻结硫酸钠粉质黏土的切线模量,研究了轴向应变与偏应力的非线性关系,推导了试样的p-q平面强度准则,提出了冻结硫酸钠盐粉质黏土强度公式,建立了含参数的冻结含盐粉质黏土的修正Duncan-Chang本构模型,并拟合了相关参数,验证了模型精度及适用性。结果表明:试样的偏应力在应变后期趋于稳定,处于向应变硬化过渡的阶段,切线模量E随含盐量的增加呈现先减小再增大再减小的变化规律,切线模量E变化幅度较小,p、q呈明显的线性关系,在0℃至-15℃温度范围内,修正Duncan-Chang本构模型对含盐量小于2.5%的冻结硫酸钠粉质黏土强度具有良好的预测效果。     

高含水量冻粉黏土应力-应变曲线特性的试验研究

为研究青藏高原粉质黏土在高含水量条件下的应力-应变特性,本文对粉质黏土试样开展了较高含水量（15%,30%,50%）、不同温度（-2℃,-4℃）及围压（0.5,1.0,2.0,4.0 MPa）条件下的三轴剪切试验,分析了冻粉黏土试样应力-应变曲线的形态和强度规律,并给出了机理性解释。试验结果表明:冻粉黏土试样的应力-应变曲线均为应变软化型。高含水量下（50%）,试样的初始切线模量随围压增大呈幂函数形式增大。随着含水量的增大,试样的破坏过程渐呈脆性。试样强度方面,含水量的增大使冻粉黏土强度呈先减小后增大的规律,即存在一个强度最不利含水量。此最不利含水量主要是由于土骨架与冰相的组合使系统处于“最弱结构”以及各组分在承受荷载时的主次地位变换而引起的。围压增大使冻粉黏土强度线性降低,但降低幅度不大。结合Mohr-Coulomb准则的分析表明,黏聚力是冻粉黏土强度的主要指标,其值在最不利含水量时取得最小值,围压对冻粉黏土强度的削弱作用也在此时得以突显。     

Experimental study on unfrozen water content and soil matric potential of Qinghai-Tibetan silty clay

A new soil moisture content sensor coupled with a new matric potential sensor that can operate in the subfreezing environment was used to measure the moisture content and soil matric potential dynamics of Qinghai-Tibetan silty clay. Combined with nuclear magnetic resonance (NMR) technique and thermal resistor temperature probe, the characteristics of unfrozen water content and soil matric potential, and their relationships with temperature were analyzed. The results show that initial water content has an impact on the freezing point and unfrozen water content. The decrease in the initial water content results in a depression in the freezing point. The Qinghai-Tibetan silty clay has more similar unfrozen water content characteristic to clay than to silt. There is approximately 3% of unfrozen water content retained when the soil temperature drops to −15°C. The change of soil matric potential with temperature is similar to that of the unfrozen water content. The matric potential value of the saturated silty clay is approximately −200 kPa when the soil temperature drops to −20°C. The measured matric potentials are significantly lower than the calculated theoretical values based on the freezing point depression. Moisture migration experiment indicates that soil matric potential controls the direction of moisture movement and moisture redistribution (including ice and liquid water) during the soil freezing.     

动力荷载长期作用下冻土振陷模型试验研究

基于低温动三轴试验资料,研究了青藏铁路北麓河粉质黏土在往返长期加荷作用下的变形特征。在不同温度、动应力幅、频率、围压条件下考察冻土轴向残余应变与振次的试验关系曲线,建立了冻土振陷模型,并讨论了模型参数及其影响因素。研究表明,(1) 模型参数受拟合所采用的振次水平影响较大,参数B（黏塑流蠕变率）随振次的增加而迅速减小,参数C（蠕变衰减系数）随振次的增加而迅速增大;(2) 除迅速破坏的试件外,当振次达到一定临界值以后,B、C两参数都逐渐趋于稳定;相同振次水平下B、C参数均随温度升高、动应力幅值增大、围压增高而增大,随频率的增加而减少,且频率大于6 Hz时对参数影响很小。此项研究对于合理预测动力荷载长期作用下由冻土残余变形而产生的沉降量具有重要意义,且为冻土动力学研究积累基础试验成果。     

冻结方式对冻土试样制备的影响

冻土试样的制备是进行冻土试验最为基础而重要的工作,其中土样在冻结过程中受到的影响直接关系到试样内部状况.为研究冻结方式对粉质粘土含水量和干密度分布的影响,采取不同的冻结方式即单向冻结和多向冻结方法,对比分析不同状态下兰州黄土和北麓河粘土冻结试样各部位含水量与干密度的分布状况.结果表明:试样内含水量和干密度的分布程度取决于土的类型、饱和状态和冻结方式,具体为:非饱和兰州黄土在多向冻结情况下,可以取得比单向冻结更加均匀的冻结试样;饱和兰州黄土冻结试样无论是单向冻结还是多向冻结都较为均匀;北麓河粘土无论饱和与否,均以单向冻结为好.     

冻结作用下粉土-混凝土接触面抗拉强度试验研究

为探究冻结作用下土与结构接触面抗拉强度的影响因素及变化规律, 开展了冻结状态下多种含水率、 温度及干密度的粉土-混凝土接触面抗拉强度正交试验研究。试验结果表明： 在试验温度下,粉土-混凝土接触面的冻结抗拉强度约为饱和黄土的1/10, 粉质黏土的1/10 ~ 1/7; 含水率对接触面的冻结抗拉强度影响最大, 其次是温度、 干密度; 在试验含水率范围内, 接触面的冻结抗拉强度与含水率正相关; 温度降低会增大接触面冻结抗拉强度, 在-2 ℃至-6 ℃, 冻结抗拉强度迅速增长, 在-6 ℃以后, 冻结抗拉强度的增长速率显著减小。结果证明： 低温、 高含水率、 低干密度条件下, 接触面冻结抗拉强度达到最佳; 三种因素对接触面冻结抗拉强度具有不同的影响程度, 其中含水率、 温度影响显著, 干密度影响不显著; 在试验含水率区间内, 接触面冻结抗拉强度随含水率增长呈线性增长态势, 且含水率、 温度之间存在交互作用; 随温度降低, 存在一临界负温, 接触面冻结抗拉强度由迅速增长转为缓慢增长。     

碱激发材料固化低液限粉黏土路用性能及抗冻融特性研究

以伊犁地区S315线蜂场至尼勒克段低液限粉黏土为研究对象,以碱激发材料为固化剂,对粉质黏土和其固化土开展了路用性能指标试验与冻融循环试验,并利用电镜扫描试验(SEM)与X射线衍射试验(XRD)研究了固化土的微观特征,探讨了碱激发材料对粉质黏土路用性能指标与抗冻融特性的影响.试验结果表明,固化土的无侧限抗压强度与抗剪强度...     

Inference of creep mechanism in underground soil loss of karst conduits I. Conceptual model

Karst is widely distributed in the southwest of China, especially in Guizhou Province. The phenomenon of desertification in these areas is very serious. And soil erosion is the key link in the process of desertification. Through field monitoring, underground soil leakage is derived to the main mode of soil loss in this area. Shear strength tests and creep experiments were carried out with the aim of analyzing the creep mechanism in underground soil loss. It is shown that the water content can lead to the great influence on the shear strength of the brown clay. This variation has been combined with creep characteristics besides the structural geology, hydrology condition and brown clay distribution circumstance (field observation). A conceptual creep model of the brown clay sliding along the karst conduits has been unveiled to show the detailed inference of the creep mechanism in the underground soil loss: geology and hydrology control the development of the karst conduit system; and penetration of water induces the weakening of the shear strength of the surface soil and accelerates the creeping and sliding of the brown clay along the karst conduit system. This understanding of the creep mechanism has significant implications for the future management of the soil erosion in the karst area.