青藏粉土-玻璃钢接触面力学特性直剪试验研究

青藏直流±400 kV输变电工程中采用表面光滑的玻璃钢覆盖基础表面,以减少切向冻胀力对基础的冻拔作用。过去的研究鲜有涉及土体特别是冻土与玻璃钢基础接触面的力学特性,为指导冻土区基础设计和安全评价,采用应变直剪仪开展了多种含水率和温度条件下青藏粉土-玻璃钢接触面直剪试验研究。结果表明,青藏粉土-玻璃钢接触面屈服时相应剪切位移很小,应变硬化阶段短暂或不显著;冻结状态下接触面应力-位移性状呈脆性破坏型,存在明显峰值;融化状态时接触面的剪应力-位移性状呈塑性破坏型,其应力-位移关系曲线为弱软化型和屈服型,没有明显峰值;融化状态时接触面抗剪强度值随含水率的增加而缓慢减小,冻结状态时其强度随负温绝对值和含水率的增加而增大,且随着土体含水率的增大,温度降低导致接触面抗剪强度增强效果更加显著,土体含水率大于19%后抗剪强度趋于稳定;温度对抗剪强度的影响主要体现于黏聚力的改变,且随着含水率的增加,温度影响增强。接触面内摩擦角随负温绝对值增加而减小,随含水率的增加而减小。     

粉质黏土-混凝土衬砌接触面冻结强度影响因素显著性分析

冻土与结构接触面的力学性能对寒区工程研究具有重要意义, 容易受到外界因素干扰。为研究不同因素对粉质黏土与混凝土衬砌接触面冻结强度的影响, 设计考虑含水率、 冻结温度、 冻结时间的三水平正交直剪试验。试验结果表明： 在冻结初期, 提高土体含水率, 降低冻结温度, 延长冻结时间有利于接触面早期冻结强度的提升, 且这种作用效果是线性的。基于显著性分析理论, 发现含水率、 冻结温度、 冻结时间对接触面早期冻结强度的显著性等级均为极显著, 三者之中, 冻结温度影响最大, 含水率影响最小。采用多元线性回归, 忽略因素之间的二阶交互作用, 建立了考虑含水率、 冻结温度、 冻结时间作用的粉质黏土与混凝土接触面的冻结强度预测模型, 为类似工程提供科学参考。     

盐渍化冻土-混凝土衬砌接触面直剪试验研究

土与结构接触面的研究一直以来是岩土工程研究的热点之一。为研究位山灌区渠系工程冻害破坏问题,开展了不同盐类型、不同含盐量、不同含水率条件下渠道下卧盐渍土-混凝土衬砌冻结接触面直剪试验研究。结果表明：冻结状态下接触面的应力-位移破坏性状呈脆性破坏,存在明显的峰值应力;剪切变形包括线性变形和非线性变形,线性变形随含水率和含盐量的增大而减小,非线性变形随含盐量的增大而增加;剪切模量随含水率的增加而提高;随含盐量的增加而降低;抗剪强度随含水率的增加而增大,随NaCl含盐量增加而降低,随Na₂SO₄含盐量增加先降低后升高;通过对变形能的分析发现,含水率w=14.7%和w=16.7%时具有相似特征,即NaCl含量为0.5%时,曲线存在极（最）小值。     

冻融作用对饱和粉质黏土抗剪性能的影响

为研究季节冻土地区冻融作用对道路边坡土体抗剪性能的影响规律,在不同冻结和融化温度、不同冻融循环次数、开放和封闭体系条件下对冻融饱和原状粉黏土试样进行了不固结、不排水剪切试验。试验结果表明:饱和原状粉质黏土冻融后,黏聚力降低,内摩擦角增大,冻结温度越低,冻融作用对黏聚力和内摩擦角的影响越小,随着冻融循环次数的增加,5～7次冻结循环后二者的变化逐渐趋于稳定。水分补给会强化冻融作用对试验土抗剪性能的影响;融化温度对试验土的抗剪性能影响很小。     

青藏冻结粉土与玻璃钢接触面本构模型研究

冻土与构筑物基础接触面的本构模型是分析冻土区构筑物与冻土相互作用、评价工程安全稳定性的基础和关键.为了降低切向冻胀力对基础的上拔作用,防止发生冻拔失稳破坏,青海-西藏±400 kV直流联网工程基础广泛采用玻璃钢覆盖基础表面,以消减冻胀力.为了合理描述玻璃钢与冻土接触面力学特性,采用应变直剪仪开展了青藏冻结粉土与玻璃钢基础接触面直剪试验,获取了不同冻结温度条件下接触面剪应力-位移曲线,分析总结了接触面的强度变化规律和受力变形特性,基于试验得到的接触面本构规律建立了耦合温度效应的冻结粉土与玻璃钢基础接触面剪切应力-位移关系.模型预测结果与试验结果的比较表明,预测结果与试验结果吻合良好,该模型能够较好的描述接触面的力学特性.     

吸力、含水率和干密度对重塑非饱和土抗剪强度影响研究

进行了一系列控制吸力、含水率和干密度的直剪试验,研究了重塑非饱和土的抗剪强度特性。试验结果表明,在试验研究的吸力范围内,非饱和土的黏聚力随吸力线性增加,而内摩擦角随吸力的变化则很小。对于控制含水率的试验,非饱和土的黏聚力和内摩擦角均随含水率增加而线性减小,且黏聚力减小的幅度更明显。干密度对非饱和土的内摩擦角几乎没有影响,黏聚力随干密度呈指数增加。对控制吸力和含水率的试验结果进行了比较,提出的考虑含水率影响的抗剪强度公式可供实际工程参考。     

含水率对煤系土抗剪强度的影响

煤系土具有遇水软化的特点,强度随含水率的增加急剧下降。以分布在广州－梧州高速公路沿线的煤系土为研究对象,在分析其物理特性的基础上,通过常规直接剪切试验测定了不同含水状态煤系土试样的抗剪强度,分析了含水率对煤系土抗剪强度的影响,并提出了实际工程中处治煤系土的建议。研究结果表明：煤系土抗剪强度与起始含水率具有明显的相关关系,且起始含水率越大,抗剪强度越小。随着含水率的增大,煤系土黏聚力总体呈减小趋势,但变化趋势具有显著的阶段性。当含水率小于某一值时,煤系土黏聚力随含水率增大变化幅度较小;当含水率高于该值后,煤系土黏聚力随含水率增大急剧降低,凝聚力对数与含水率呈线性关系。含水率变化对煤系土内摩擦角的影响较小,但在含水率增大过程中,煤系土内摩擦角先增后减,具有明显的峰值。     

冻土与结构接触面次峰值冻结强度试验研究

为探究冻土与结构接触面次峰值冻结强度影响因素、影响规律及其预估方法,选取南京河西地铁施工区域典型粉细砂为试验土样,利用改进后的大型多功能冻土直剪仪,开展多影响因素条件下的冻结强度直剪试验研究。在对次峰值冻结强度定义和量化标准约定的基础上,研究发现极限峰值后剪应力陡降、峰后剪应力周期性变化、软化衰变等典型变化规律。将次峰值冻结强度与接触面温度、粗糙度、法向应力拟合后发现其分别呈反比例线性、二次抛物线、正比例线性关系。通过关系数据库管理软件数据挖掘,得出次峰值冻结强度关键影响因素及大小依次为接触面法向应力、粗糙度,而接触面温度为非关键影响因素。经多元非线性回归,构建了耦合接触面温度、法向应力及粗糙度三因素的次峰值冻结强度预估模型,可为人工冻土区或天然冻土区冻结加固设计、盾构法施工、地下结构物设计等提供冻结强度参数选取依据。     

细粒土冻融界面抗剪强度试验研究及灰关联分析

春融时寒区冻融界面的产生会使得冻土的强度发生衰变,这会对边坡的稳定性产生影响。为了研究冻融条件下细粒土冻融界面的强度变化规律,本文开展了不同冻结温度(-12 ℃、-7 ℃、-2 ℃)、环境温度(-5 ℃、-2 ℃、1 ℃)以及含水率(9%、16%、23%)下的低温直剪试验。探讨了各因素对于冻融界面强度的影响。同时利用灰色相关理论,分析了各因素与剪切强度之间的相关性。试验结果表明:冻融面处抗剪强度随着环境温度和冻结温度的升高而降低。试件强度的变化主要与黏聚力的变化相关,内摩擦角变化较小。冻融界面强度的发展主要与未冻水含量(或含冰量的)密切相关。各因素按显著性排序依次为:含水率>冻结温度>环境温度。考虑温度对于强度的影响时,不能忽略地温(冻结温度)的作用。     

不同因素影响下层间错动带颗粒破碎和剪切强度特性试验研究

为了获得不同初始颗粒粒径分布和含水率对层间错动带颗粒破碎和剪切强度特性的影响,通过对比泥夹碎屑、泥夹粉砂、全泥型3种不同层间错动带类型与现场3种不同含水率（10%、7%和3%）试样在法向压力2～10 MPa作用下的反复直剪试验和剪切面颗粒粒径分析试验结果,可得出以下结论：①粗颗粒越多（d60越大）,采用相对颗粒破碎势Br量化的颗粒破碎程度越大;②较干颗粒（低含水率）由于磨损产生了更多的细小颗粒,而较湿颗粒（高含水率）由于破裂和摩擦产生了较大颗粒;③粗颗粒仅对峰值抗剪强度产生一定的影响,且粗颗粒越多,残余强度包线非线性越强;④黏聚力和内摩擦角随含水率线性减小,且低含水率试样残余强度包线非线性最强;⑤残余内摩擦角随颗粒破碎后的黏粒含量（<2 μm）线性减小。提出的残余内摩擦角初步预测公式可供实际工程参考。     

渠道刚性衬砌层(板)冻胀受力试验与防冻胀破坏研究

对渠道受冻胀时其刚性衬砌层(板)受冻胀力的情况进行了室内模型测试试验, 结果表明: 其边坡衬砌层(板)所受的冻胀力是平行于该衬砌层(板)的切向冻胀力, 该力大小及正负与渠床土含水量沿渠道横断面高度的分布直接相关. 另外, 渠道边坡衬砌层(板)和其下冻土层之间冻结约束的存在与否是边坡衬砌层(板)会不会受冻胀力的必要条件, 若此约束存在, 则可能受冻胀力, 若此约束不存在(被解除), 则其不可能受冻胀力. 从对试验结果的分析中, 还找到了造成渠道刚性衬砌层(板)冻胀破坏的最终原因, 并据此提出了一些针对性很强的防治渠道冻胀破坏的方法.     

基于广义Winkler弹性地基梁理论的梯形渠道冻胀力学模型

寒区渠道衬砌冻胀破坏现象普遍,而渠道的防冻工程设计大多依赖工程实践经验和定性认识,具有一定的随意性和盲目性,对衬砌结构所受的冻胀力计算缺乏简明、合理的方法。考虑冻土与衬砌的相互作用和冻土地基的连续性,基于广义Winkler地基梁理论并结合有限差分法,推导了渠道衬砌板冻胀挠曲线微分方程,建立了梯形渠道冻胀力学模型,给出了衬砌渠道法向冻胀力及切向冻结力的计算方法。同时,考虑渠道衬砌冻胀破坏的极限承载力以及冻胀过程中坡脚上抬位移对实际冻胀力的削减和释放效应,避免了冻胀力及衬砌结构内力计算值过大。为验证模型的合理性,以甘肃省靖会总干渠梯形渠道为研究对象,对其进行冻胀破坏计算。结果表明：模型由于考虑了衬砌结构与冻土间的相互作用,渠道衬砌板法向冻胀力呈非线性分布,修正了工程力学模型线性分布假设;与工程力学模型相比,冻胀力数值在坡脚处增大、跨中减小、底板上增大,计算结果更符合工程实际。研究提出的冻胀力学模型科学合理,简便快捷,具有更好的通用性,可为寒区渠道的抗冻胀设计提供参考。     

渠道抗冻胀垫层设计方法研究与数值模拟

基土换填是常用的抗冻胀措施。目前非冻胀性土缺乏科学标准的定义,换填厚度基本按照经验公式和工程类比确定,不尽科学合理。在对垫层抗冻胀机制的分析基础之上,根据层状土毛管水土水势理论给出了垫层材料的选择依据,结合热阻等效原理在考虑了衬砌结构允许位移的基础上给出了渠道垫层厚度的计算公式,并根据传统算法与该方法对山东打渔张北干渠弧形坡脚梯形渠道进行抗冻胀垫层设计;同时采用ANSYS有限元软件对渠道铺设垫层前后进行热力耦合数值模拟。研究表明,垫层通过改善水分场、温度场削弱了冻胀发生的因素;该垫层算法比传统算法合理、工程造价较低。数值分析表明,渠道冻胀量、冻胀力明显被削减,其中对阴坡的削减可达90%以上。     

竖向直排冻结条件水平冻胀力试验研究

竖向直排冻结方式常用于软弱地层中斜井掘进和深基坑止水帷幕的冻结法施工中,目前国内外对该冻结方式下水平冻胀力的分布研究鲜见报导。以某斜井冻结工程为背景,推导出温度场、应力场和水分场等相似模拟准则,设计了竖向直排冻结模型试验并细化具体试验方案,利用大型三维模拟冻结试验系统,对竖向直排冻结条件下不同深度土体的水平冻胀力分布特性进行了试验研究。结果表明,竖向直排冻结过程中埋深对水平冻胀力的影响明显,在其他条件相近的情况下同一水平面中水平冻胀力的大小与温度密切相关;冻胀力的变化率主要受冻结锋面位置的影响,距离冻结锋面较近时冻胀力的变化率逐步达到峰值;已冻土体的冻胀力随冻结锋面向外发展而趋于平稳。     

雀儿山隧道冰碛地层冻胀力原位测试及计算分析

以国道317线雀儿山隧道为工程依托,进行了隧道洞口冰碛地层的冻胀力原位测试,同时结合数值模拟、理论模型计算等方法,得到了冻融圈厚度、冻胀压力以及冻结前后衬砌结构内外测的应力。在此基础上,计算得到了衬砌结构的轴力、弯矩分布和变化规律,并与已有研究结果进行了比较分析。研究结果表明：寒区隧道洞口段冰碛地层作为高原常见季冻土受低温影响显著,低温持续22 h时冻融圈厚度达2 m左右;采用隧道冻胀力计算模型计算得到的冻胀压力在19.8～158.3 kPa之间,原位测试的冻胀压力在40～240 kPa之间,其中拱脚处最小,仰拱处最大;冰碛地层冻结前后的衬砌结构内侧、外侧应力各自具有复杂的变化和分布规律,冻结状态下衬砌结构轴力呈“扇”形分布,弯矩呈“蝶”形分布。与相关研究成果比较分析表明,现场采用的原位测试方法合理,结果更准确。     

冻结温度对原状黄土物理力学性质的影响

在陕西省黄土地区典型地点取土样,开展不同含水率、不同干密度土样在不同温度下的冻结试验,探讨冻结温度下黄土的冻胀规律。研究表明,在干燥状态下陕西黄土样不发生冻胀或冻胀量很小。黄土的冻胀性随含水率的增加而显著。随着冻结温度的降低,黄土冻胀量变化率逐渐减小,最终冻胀趋于恒定。含水率较低时,冻结温度对土样的干密度影响不明显,随着含水率的增大,在高含水率条件下,孔隙率越小,影响越显著。低含水率条件下,冻结黄土呈现收缩现象,中等含水率略有增大,高含水率增大明显。在冻结过程中,冻胀力的作用使得土颗粒间的接触点增多,大孔隙所占的比例下降,导致土体内摩擦角增大;冻结温度越低,土样含水率越高,黄土内摩擦角的增加量也越大;冰晶的生长破坏了土颗粒间联结,引起结构弱化,黏聚力减小;含水率越高,孔隙率越小,冻结作用对黄土黏聚力影响越明显。      

哈尔滨-齐齐哈尔客运专线路基防冻工程模型试验研究

季节冻土地区修筑铁路客运专线面临着严重的路基冻胀问题,为研究保温板（XPS）在季节冻土地区路基工程中的防冻胀效果,开展了室内模型试验研究. 试验结果表明：经过2个周期的试验,保温板上下温差十分明显,保温板上下温差在负温期高于正温期,保温板下土体冻结速率随保温板厚度的增加而减小. 30 cm保温板下黄土的含水率随冻融过程呈单一变化规律,其他3个试验模型土体含水率在冻结开始时先减小,冻结结束时增大,最终保持稳定的趋势. 4个试验模型中的下层土体冻胀量均远大于上层土体,无保温板黄土试验模型冻胀量远大于其他3个保温板试验模型;AB料冻胀量随保温板厚度的增加而减小,AB料冻胀率远小于黄土冻胀率. 因此,在季节冻土地区路基设计中宜采用保温板路基,路基填料优先采用AB料.     

浅埋隧道冻结法施工地表冻胀融沉规律及冻结壁厚度优化研究

浅埋隧道对地表冻胀、融沉变形有严格要求。针对珠机城际轨道交通项目联络通道冻结壁设计改进问题,基于热?力耦合理论,利用有限差分数值计算方法对冻结法施工全过程进行模拟,通过比较研究不同厚度冻结壁模型引起的地表冻胀、融沉变形及隧道管片变形规律,实现冻结壁厚度的优化设计。研究表明：（1）该数值模型可有效模拟地表冻胀、融沉变形,利用已查明数值误差对计算结果进行折减可得到较为准确的实际变形预测值;（2）不同模型地表冻胀、融沉规律大致相同,但变形量及影响范围随冻结壁厚度减小呈递减趋势,当冻结壁厚度为2.5 m及以下时变形基本满足规程要求;（3）土体冻胀、融沉变形并非简单的互逆过程,融沉变形通常大于冻胀变形,平均超出量达40%,应特别注意;（4）冻结壁厚度越大相应产生的冻胀力越大,通过优化冻结壁厚度可有效控制隧道管片附加应力及变形的产生,保护已建隧道结构安全;（5）综合选定2.5 m为冻结壁改进厚度,成果直接应用于4#联络通道冻结法施工,经现场监测表明该优化方案有效、可行,对类似工程冻结壁厚度设计具有较好的推广应用价值。     

寒区破碎岩体隧道冻胀力室内对比试验研究

根据相似理论,以曲墙式、直墙式和圆形衬砌为例,通过模型试验方法研究了寒区破碎岩体隧道在不同约束条件和冻结深度下衬砌所受法向冻胀力(以下简称冻胀力)的量值和分布规律.结果表明:冻结深度越大,冻胀力越大;顶端约束越强,冻胀力越大.对于曲墙式和直墙式衬砌,顶端约束对拱部和仰供处冻胀力影响较大,对边墙处冻胀力影响较小;对于圆形衬砌,顶端约束对整个衬砌所受冻胀力影响程度相差不大;直墙式衬砌受冻胀力的量值最大,圆形衬砌受冻胀力量值最小.对于3种衬砌结构,最大冻胀力均发生在仰供脚处.试验数据与现场测试数据基本吻合,说明试验有较好的准确性.