基于温度场时空分布特征的寒区隧道冻胀模型

寒区隧道冻胀力随时间和隧道进深呈三维时空分布,为建立描述冻胀力时空效应的简化模型,首先以某寒区隧道温度场测试成果为基础,建立了三维温度场模型,通过Stephen公式得到围岩冻结深度变化规律,以围岩冻结深度为参数,结合冻融圈整体冻胀模型和风化层冻胀模型建立了新的冻胀模型。分析结果表明：围岩冻结深度受温度场影响呈三维时空分布,随隧道进深逐渐减小,随时间呈弦函数变化;考虑风化层和破碎层建立冻胀模型,当冻结深度小于风化层厚度时,冻胀力只由风化层产生,冻结深度大于风化层厚度时,冻胀力由风化层和扰动层叠加产生;冻胀力时空分布规律与围岩冻结深度变化规律一致。     

寒区隧道围岩最大冻结深度计算的半解析方法

寒区隧道围岩的最大冻结深度是隧道抗冻胀结构设计、防排水与保温隔热层设计的重要基础参数。基于准稳态假定,采用积分法推导了能够考虑衬砌、保温层及冻结围岩中未冻水含量的寒区隧道围岩最大冻结深度的解析计算公式;利用围岩温度场数值模拟结果反演得出了解析计算公式中的参数影响半径与冻结半径比 的取值,从而得到了围岩最大冻结深度的半解析解。将所得解的计算结果与现场实测数据及数值模拟结果进行了对比,验证了所得解的合理性。利用得到的半解析解分析了工程冻土段围岩冻结深度的影响因素,结果表明：初始地温、年平均气温对冻结深度的影响最为明显,岩体骨架导热系数、岩体孔隙率的影响次之。     

饱水裂隙岩石冻融变形特性研究

寒区岩体在裂隙水冻胀作用的影响下发生损伤劣化,严重威胁寒区工程建设安全。针对孔隙率不同的绿砂岩、红砂岩和花岗岩开展了饱水裂隙岩石的冻融循环试验,分析了不同裂隙长度、裂隙宽度和岩性的岩石在冻融循环过程中随时间和温度变化的变形规律,得到了饱水裂隙岩石冻融变形特征值的变化特征,探究裂隙长度、裂隙宽度及岩性对冻融应变特征值的影响,分析了裂隙岩石冻融变形特性和破坏机制。试验结果表明：（1）不同裂隙几何参数岩石冻融应变变化过程可分为7个阶段：冷缩阶段、冻胀阶段、冻胀趋稳阶段、热胀阶段、融缩阶段、融缩回弹阶段和融缩趋稳阶段;（2）饱水裂隙岩石冻融应变随温度变化的曲线为不能闭合的滞回环,出现“冻融滞回”现象,且随冻融次数增加,滞回环逐渐上移,残余应变逐渐增加;（3）饱水裂隙岩石冻融应变特征值包括最大应变、残余应变、冻胀幅值和融缩幅值,且应变特征值与裂隙长度、裂隙宽度和岩体岩性相关,裂隙岩石冻融破坏是残余应变逐渐累积的过程。     

冻融作用下裂隙类砂岩断裂特征与强度损失研究

寒区裂隙岩体中经常发生水冰相变产生冻胀力,冻胀力的反复作用会驱动岩体裂隙扩展、贯通甚至断裂破坏。通过在类砂岩试样中预制不同倾角的单开口裂隙,分别进行预冷和不预冷饱水裂隙冻融循环试验及冻融后的单轴压缩试验,探究冻结方式和裂隙倾角对裂隙冻胀扩展过程、断裂破坏特征及单轴强度的影响机制。试验结果表明,裂隙冻胀力是驱使裂隙冻融扩展的主要动力且与裂隙水的冻结方式密切相关,采用预冷方式冻结会引起绝大部分裂隙水挤出而难以形成冻胀裂纹;在非预冷冻结方式下冻胀裂纹一般先沿着预制裂隙共面方向扩展,但由于边界效应而逐渐转向短边,共面扩展长度与裂隙倾角呈正相关;当预制裂隙倾角在60°～90°时,岩体容易沿着冻胀裂纹方向发生压缩破坏,从而引起岩体单轴抗压强度降低。研究结果可为揭示裂隙岩体冻融损伤机制及开展寒区岩体工程建设提供借鉴。     

低温岩体裂隙冻胀力与冻胀扩展试验初探

低温裂隙岩体冻融损伤与断裂破坏一直是寒区岩体工程建设中的关键科学问题。低温下含水裂隙的冻胀扩展演化过程受冻胀力量值的控制,然而裂隙中冻胀力的大小及其演化机制一直存在争议,尚缺乏有效的试验测试方法。通过在类岩石材料中预制不同长度和宽度的宏观裂隙,进行了低温下饱和裂隙的冻胀力测试试验;利用薄膜压力传感器和温度传感器分别对饱和裂隙在低温冻结过程中的冻胀力和冻结温度进行了实时连续的监测,获取了其时空演化曲线。试验结果表明：（1）在冻结过程中,岩体裂隙中冻胀力的萌生是一个突发的过程,其演化过程可分为孕育阶段、爆发阶段、跌落阶段以及平衡阶段;（2）冻结完成后,裂隙冰发生了明显的挤出且裂隙尖端产生了可见的冻胀裂纹;（3）融化过程中,冻胀力跌落较快,但存在滞后现象;（4）对于宽度在2～5 mm范围内的半开口裂隙,从裂隙开口端冻结时,最大冻胀力与裂隙宽度线性正相关;在宽度为5 mm的饱和裂隙中最大冻胀力达到了7.2 MPa。研究成果可为认识裂隙中冻胀力的萌生演化机制以及进行裂隙冻胀扩展计算与分析提供借鉴。     

裂隙冻胀压力及对岩体造成的劣化机制初步研究

岩体在冻融循环下裂隙中会经历冻胀力的萌生、发展与消散,裂隙冻胀扩展和岩体冻胀损伤程度受冻胀力控制,基于热力学、渗流理论、界面力学和弹性理论建立了柱形封闭裂隙中冻胀力演化模型,对考虑水分迁移和不迁移两种情况下的冻胀力量值进行了研究。结果表明:不考虑水分迁移作用下冻胀力随裂隙饱和度g和岩石弹性模量sE增加而迅速增大,当sE10 GPa且g94%时产生的冻胀力超过15 MPa,足以驱动任何岩体冻胀开裂,不同岩石裂隙冻胀开裂存在一个对应的临界饱和度ming;考虑岩石的透水性,渗透率低于5×10~(-14) cm~2的低渗透性岩石中裂隙水冻结会产生较大的冻胀水压力,容易引起裂隙冻胀扩展;而在渗透率大于10~(-12) cm~2的高渗透性岩石中,饱和裂隙水冻结难以形成有害的冻胀水压,裂隙冻胀开裂主要是冻结后期在冰-岩界面间的微观未冻水膜中产生的分离压力引起。     

冻融循环条件下岩石弹性模量变化规律研究

岩体冻融损伤机制为温度降低使岩体中的水发生相变、体积膨胀、产生冻胀力的作用,岩体中的微裂隙在冻胀力的作用下扩展延伸,温度升高时,融化的水进入新的裂隙,冻结成冰再次产生冻胀作用,反复循环使裂隙网络扩展,最终造成岩体的损伤。基于此,从弹塑性力学、断裂力学的角度出发,研究了在冻胀力的作用下单裂隙扩展特性,推导了冻胀力与裂纹扩展长度之间的关系,利用Mori-Tanaka方法建立了岩体宏观损伤量与冻胀力及冻融次数之间的关系式,讨论了岩体弹性模量与冻融次数、冻胀应力以及渗透系数的变化规律,并与试验结果进行了比较分析。结果表明,岩体在冻融循环条件下的弹性模量随冻融次数的增加呈非线性减小;冻胀应力越大,岩体弹性模量衰减越快;岩体的渗透系数越大,弹性模量衰减越慢。     

冻融循环作用下岩石含冰裂隙冻胀力演化试验研究

为探讨寒区裂隙岩体含冰裂隙在冻融循环作用下的冻胀力演化规律,进而揭示疲劳冻融对岩体结构劣化的影响机制,采用自行设计的8通道冻胀力实时监测系统开展了不同岩性、不同裂隙几何形态下的冻胀力测试试验,获取了多次冻融循环中冻胀力演化曲线,并分析了岩性和裂隙几何形态对冻胀力演化规律的影响。研究表明:(1)冻融循环造成岩体结构劣化是冻胀力引起岩体疲劳损伤的过程,每个冻融循环的冻胀力演化过程都经过孕育阶段、暴发阶段、跌落回稳阶段、回升阶段和消散阶段,并且发现了冻胀力回升这一现象;初始冻胀力峰值可作为裂隙岩体抗冻融损伤指标;(2)在多次冻融循环作用下岩体裂隙冻胀力不断暴发、积聚和释放,期间产生的裂隙累积损伤驱动着裂隙持续扩展,引起岩体进一步的疲劳劣化;疲劳冻融作用下,初始冻胀力峰值与二次冻胀力峰值变化趋势可作为裂隙岩体受冻融影响损伤劣化程度的判断依据;(3)岩体结构特性影响冻胀力演化规律,岩体基质的微细观结构影响冻结过程中水分迁移;宏观预置裂隙几何形态影响冻胀力演化规律,扩展程度越大的裂隙积聚出的冻胀力越大。疲劳冻融下冻胀力演化规律的研究可为寒区岩体工程长期冻融稳定性预测及工程建设提供理论依据。     

冻土三轴冻胀应力-应变试验方法研究

提出了一种试验方法,研究土体或破碎岩体在不同含水率、不同温度、不同应力状态下冻结后产生的冻胀应变与冻胀力之间的关系,并针对寒区隧道提出了一种新型三轴冻胀应力-应变关系.试验设备采用应变控制式三轴仪及低温冷冻库,通过改变测力环的刚度来实现不同约束状态,进而得到土体或破碎岩体在不同约束状态下冻结后产生的冻胀应变及冻胀力,将这些特征点进行回归分析即可得到冻胀应力应变关系.根据上述试验方法,对饱和砂土进行三轴冻胀应力-应变试验.结果表明:冻胀应力应变关系呈对数曲线变化,且冻胀力随冻胀应变的对数呈线性变化;轴向约束越强,冻胀应变越小,冻胀力越大,且冻胀力随轴向约束强度的增大趋于某一极值;围压越大,冻胀力和冻胀应变越大.     

干燥及饱水状态下裂隙岩石冻融特征研究

岩体冻融风化作用主要受控于岩性、岩体结构、饱和状态及温变环境等因素。采取新疆寒区4种裂隙岩石进行温度变化下的冻融应变试验,得到了裂隙岩石在饱水及干燥冻融状态下的应变过程,即饱水状态下为8个阶段、干燥状态下为5个阶段;针对饱水裂隙岩石提出了冻融作用的胀缩率?,得到了不同岩性的?与冻融循环次数的拟合关系表达式,同时分析了在循环冻融过程中应变的变化规律,即裂隙岩石的冻胀阶段的微应变最大值都随循环次数的增加而增大。此外,通过在不同恒温下裂隙岩石冻融应变试验,分析了应变的变化规律,得到应变与不同恒温的拟合关系表达式;试验结果表明:裂隙岩石的?都随冻融次数的增加而增大,胀缩率的变化程度与不同岩样的孔隙率特征有关。饱水裂隙岩石在冻融过程中对温度具有较强的敏感性,损伤表现在温度损伤和冻胀损伤。     

考虑裂隙附加水压的岩体断裂强度分析

修建大坝、隧洞等工程活动必将对其周围岩体产生扰动,导致赋存于岩体裂隙中的水产生附加水压,从而使岩体在扰动荷载和裂隙水压作用下沿裂隙面失稳扩展。首先基于夹杂理论,推导出扰动荷载所引起的裂隙附加水压的解析式,并应用数值分析进行验证,然后分析裂隙附加水压随岩石力学性质、裂隙形状以及裂隙倾角的变化规律。其次,应用岩石压剪断裂准则,推导出考虑裂隙附加水压的岩体断裂强度解析式。最后结合算例,进一步探讨了裂隙附加水压对岩体断裂强度的影响规律。结果表明,裂隙附加水压降低了岩体断裂强度,增大了岩体发生断裂破坏的倾角范围,使岩体更易于沿裂隙面发生水力劈裂失稳破坏;另外,岩石弹性模量、裂隙形状因子以及裂隙倾角对裂隙附加水压有显著影响,岩体断裂强度随岩石弹性模量和裂隙形状因子的增大而增大,且随裂隙倾角的增大,其增大的趋势更加明显。     

寒区级配碎石冻胀正交试验研究

级配碎石作为季节性冻土地区高铁路基基床表层填料,其防冻胀问题尤为关键。为研究在不同条件下级配碎石的冻胀特性,选取不同的含水率、细颗粒含量、冷端温度和压实度进行了室内封闭系统冻胀正交试验。结果表明,在不同因素、不同水平的组合时,级配碎石有不同程度的冻胀。当级配碎石含水率为5%时,试样的冻胀率较小;当含水率超过7%时,大部分试样冻胀率超过1%。对冻胀过程中试样温度场、冻结深度、冻胀变形过程和冻后试样含水率分布进行了分析,发现冻后试样冷端位置的含水率高于初始含水率,暖端位置的含水率低于初始含水率。当以冻胀率作为参考序列,其他试验条件作为比较序列时,灰色关联度分析结果表明,影响级配碎石冻胀率的主要是含水率,其次为细颗粒含量、压实度及冷端温度,其关联度相差不大。并得出了最有利于冻胀发展的组合。为满足寒区高速铁路变形量的要求,提出以控制级配碎石含水率小于5%为指标。     

A study of orthogonal design tests on frost-heaving characteristics of graded crushed rockEI北大核心CSCD

Seasonally frozen soil is distributed widely in the Northeast China. The prevention measures against the frost heave of graded crushed rock, which is used as the filler of surface layer in subgrade, are crucial to high-speed railway constructed in seasonally frozen soil region due to the strict requirements of subgrade deformation. In order to study the frost heave characteristics of graded crushed rock under different conditions, water content, fine content, cooling temperature and compaction are chosen as influential factors of frost heave characteristics. The closed system laboratory frost heave experiments have been performed based on the orthogonal design, showing that different frost heave amounts appear in different combinations of factors and levels. The frost heave ratio of most graded crushed rock samples is small when water content is 5%, and it exceeds 1% when water content is above 7%. The temperature field, frozen depth, frost heave deformation process and water content distribution in sample after freezing are analyzed. It is found that the water content is greater than the initial water content at the cold side, and is lower than initial water content at the warm side. Using the frost heave ratio as a reference sequence and other factors as comparison sequences, the correlation degrees among water content, fine content, compaction, temperature at cold side and frost heave ratio are analyzed with the gray correlation method. The results from this analysis indicate that water content produces the most significant effect on the frost heave ratio of graded crushed rock. The water content of graded crushed rock should be maintained below 5% in order to prevent frost heave development in the cold regions.     

裂隙岩体冻融损伤关键问题及研究状况

工程岩体冻融损伤问题是寒区常见的工程难题,其主要诱因是岩体中水分的冻胀融缩作用。目前国内外学者关于冻岩问题的主要研究内容可大体归纳为冻岩物理力学性质、相变过程、低温多场(THM)耦合、冻融损伤模型及数值分析等4个大方面。几十年来,国内外学者通过理论分析、数值模拟、现场及室内试验等多种途径对冻岩问题展开研究,取得了丰硕的成果,但目前对冻岩问题的研究远未成熟,很多研究尚停留在试验探索阶段。要真正意义上揭示冻岩损伤机制,应以水冰相变为切入点,立足细观尺度,充分考虑冻胀融缩作用与裂隙扩展的相互影响,进而拓展至冻融作用对岩体裂隙网络发展的影响。     

水下隧道裂隙围岩渗流控制因素敏感性层次分析

在分析裂隙介质水力特性的基础上,采用层次分析法,结合工程实践经验,分析影响水下隧道裂隙围岩渗流控制的主要因素,并确定它们各自的权重。结果表明,每延米洞长洞室围岩断层等破碎带的平均宽度权重最大,是影响裂隙围岩渗流控制的最主要因素;其次为上覆含水体富水性和每延米洞长洞室围岩张开裂隙的平均数量。当洞室位置和洞室尺寸等参数设定后,每延米洞长洞室围岩断层等破碎带的平均宽度、上覆含水体富水性和每延米洞长洞室围岩张开裂隙的平均数量是影响水下隧道裂隙围岩渗流控制的最主要因素。研究结果可以为海底隧道及地下水封储油岩洞库等水下隧道的渗流控制及灾害防治提供科学的依据。     

1000－7598－(2003)增1―0001―08

随着地下工程的发展,对于埋置较深和地质环境较为复杂的隧道工程,高地温问题已经成为一个重要的工程问题并引起了国内外学者的广泛关注。研究隧道的温度场分布问题对于解决寒区隧道冻融问题、高温隧道问题、隧道火灾灾害等是十分必要的。针对高地温环境中的圆形隧道,假定其具有一定长度且承受轴对称的温度荷载和地应力作用,建立两端简支的二维稳态的热传导方程和平衡方程。利用无量纲化和微分方程级数求解的方法,得到了包含温度场、位移场及应力场的热弹性理论解。依据上述研究结果,以某包含衬砌的圆形断面隧道为例进行了热弹性分析,并得到了由于隧道开挖而引起的围岩的温度变化范围。研究所得结论可为隧道施工及运营过程中隧道的保温隔热提供重要的理论依据。     

泥化弱胶结软岩地层中矩形巷道的变形破坏过程分析

在西部地区,一定数量的矿区处于泥化弱胶结软岩地层,此类软岩胶结性差、强度低、遇水泥化。矩形是采区巷道的常用型式,但其断面受力不均、稳定性差。在上述软岩地层中的矩形巷道承载力低、变形量大、变形持续时间长,给煤矿的安全生产带来极大困难。以内蒙古新上海一号煤矿皮带顺槽矩形巷道为背景,运用FLAC3D软件中的Cvisc黏弹塑性模型,对矩形巷道的变形破坏进行了数值模拟,并将模拟结果与现场监测结果对比分析。结果表明:巷道开挖支护后,受断面形状影响,矩形巷道四角出现压应力集中和顶板受拉区,巷道顶板下沉量大,底板底臌严重,两帮向巷道挤出;受围岩岩性影响,围岩进入塑性的时间快短、范围大,塑性区超出了支护体的作用范围,造成锚杆(索)的锚固效果难以完全发挥,围岩出现整体滑动的现象;巷道变形呈现出流变变形的特性,变形量随时间持续增加,持续的蠕变变形超出了支护体的可控范围,最终引起巷道的失稳破坏。