冻融循环作用下黄土的孔隙特征试验

为得到冻融循环后黄土孔隙分布的变化规律,以重塑黄土为研究对象,采用压汞法对历经不同冻融循环次数后黄土的孔隙特征进行研究。试验结果表明:冻融作用使土样内部颗粒发生重新排列连结,孔隙结构发生改变,孔隙分布逐步向小孔隙数量减少、大孔隙数量增多方向推进;冻融前10次过程中,孔隙分布变化不稳定,但随着冻融循环次数增加,趋势逐渐明朗,表现为0.010.10μm范围内的超微孔隙数量减少,而5.0010.00μm范围内的细微孔隙数量增多;孔隙率也随冻融次数增加先增大,在冻融第8次时达到最大,其后减小,50次后逐渐趋于稳定。根据试验结果,结合孔隙分形进行分析,认为孔隙结构在冻融循环作用下,不均匀性及复杂程度降低。     

冻融循环下花岗岩剪切蠕变试验与模型研究

为探讨冻融对寒区工程岩石剪切蠕变特性的影响,以吉林省辉白隧道花岗岩为研究对象,对经历不同冻融循环次数的试样开展细观特征分析和剪切蠕变试验。试验结果表明：（1）随着冻融次数的增加,试样裂隙、孔隙不断扩展,岩石表面损伤现象愈发明显;（2）试样主要以中小孔隙为主,孔隙度随着冻融次数的增加呈非线性增长趋势;（3）随着冻融循环次数增加,蠕变变形量和蠕变速率逐渐增大,而蠕变时长、破坏应力和长期强度均呈现明显降低趋势。根据试验结果,进行冻融岩石非定常蠕变参数的表达,提出了冻融岩石损伤黏性元件,构建了花岗岩冻融剪切蠕变本构模型。将蠕变试验曲线和理论模型拟合曲线进行对比,验证了模型的正确性和适用性。通过对蠕变参数进行敏感性分析,研究了其对花岗岩蠕变变形的影响,并给出了蠕变参数随冻融循环次数的变化规律。该研究结果对于寒区岩体工程长期稳定性评价具有指导意义。     

冻融循环下花岗岩剪切蠕变试验与模型研究

为探讨冻融对寒区工程岩石剪切蠕变特性的影响,以吉林省辉白隧道花岗岩为研究对象,对经历不同冻融循环次数的试样开展细观特征分析和剪切蠕变试验。试验结果表明:(1)随着冻融次数的增加,试样裂隙、孔隙不断扩展,岩石表面损伤现象愈发明显;(2)试样主要以中小孔隙为主,孔隙度随着冻融次数的增加呈非线性增长趋势;(3)随着冻融循环次数增加,蠕变变形量和蠕变速率逐渐增大,而蠕变时长、破坏应力和长期强度均呈现明显降低趋势。根据试验结果,进行冻融岩石非定常蠕变参数的表达,提出了冻融岩石损伤黏性元件,构建了花岗岩冻融剪切蠕变本构模型。将蠕变试验曲线和理论模型拟合曲线进行对比,验证了模型的正确性和适用性。通过对蠕变参数进行敏感性分析,研究其对花岗岩蠕变变形的影响,并给出了蠕变参数随冻融循环次数的变化规律。研究结果对于寒区岩体工程长期稳定性评价具有指导意义。     

1996—2015年黄河源区植被覆盖度提取和时空变化分析

研究黄河源区植被覆盖度时空变化对于深入理解青藏高原多年冻土区在气候变化和人类活动双重作用下的植被响应,以及为黄河源区生态环境保护和治理提供决策具有重要的意义。以陆地卫星（Landsat）影像为主要数据源,利用多端元混合像元分解模型（Multiple Endmember Spectral Mixture Analysis,MESMA）,完成了1996—2015年黄河源区4.4万km²、7个时相的植被覆盖度提取,并基于转移矩阵和一元线性回归趋势法分析了植被覆盖度变化情况。结果表明：黄河源区东南部植被覆盖度较高,西北部植被覆盖度较低,且植被覆盖度在空间上由东南向西北呈递减趋势。1996—2004年植被覆盖度整体呈下降趋势,2004—2015年植被覆盖度呈增加趋势。1996—2015年植被覆盖度呈增加趋势的区域占57.25%,基本不变的区域占16.02%,植被覆盖度呈下降趋势的区域占26.73%。植被覆盖度下降的主要原因是黄河源头及一些河谷地带、环湖地区受人类影响较大,且东南部海拔较低地区受到过度放牧的影响。尽管黄河源区1996—2015年植被覆盖度总体呈改善趋势,但毒杂草的面积也由1996年的16 060 km²增加到2015年的22 942 km²,20年间增加了6 882 km²,毒杂草面积的增加对黄河源区局部地区畜牧业的发展有不利影响。     

渠基土在冻融循环作用下的变形和应力变化特征

受季节性气候变化和昼夜交替的影响,处于寒区的地表浅层土体不可避免地会发生冻融循环作用。冻结过程引起土体的膨胀变形,融化过程引起土体的压缩沉降变形。同时冻融交替变化会诱发渠基土的结构与物理力学性质发生显著改变,从而危害工程设施的服役性。土体所处的应力环境是影响冻融过程中土体变形发展的关键因素。为了研究不同上覆荷载条件下冻融循环过程对寒区渠基土变形与冻胀应力发展特性的影响,开展了一系列冻融循环试验。结果表明：在上覆荷载为10 kPa时,冻融循环会使土体产生膨胀变形;当上覆荷载为50 kPa或100 kPa时,冻融循环会使土体产生非常明显的固结沉降,且上覆荷载越大,沉降量也会越大。随着冻融循环次数的增加,土体在其所处的应力环境下逐渐形成相对稳定的固结结构,单次冻融过程中产生的冻胀量与融化固结量趋于相等,即冻融稳定系数趋于1。在不同上覆荷载条件下固结稳定后,保持试样两端约束的位移不变,发现土体冻融过程中产生的最大竖向冻胀应力随冻融循环次数的增加不断衰减,且冻胀应力的发展与孔隙水压力的变化具有一致性。因此,通过对恒定上覆荷载条件下冻融过程中正冻与正融界面附近孔隙水压力分布的研究,可揭示冻融过程中土体变形发展的内应力机理。     

冻融循环作用下黄土孔隙率变化规律

冻融循环作用通过破坏黄土颗粒的大小和土体的骨架及组构影响黄土的孔隙率. 通过颗粒分析实验发现冻融循环后土体颗粒有变小趋势,且集中分布在0.01～0.05 mm,在冻融10次后颗粒大小趋于稳定. 对经历冻融循环后的黄土进行压汞实验,发现随着冻融次数的增加,土体孔隙中的大孔径先减少,后增多;小孔径先增多,后减少,最后向5～10 μm范围内集中. 土的孔隙率也随冻融次数的增加而发生变化. 原状黄土的孔隙率在冻融5次时达到最小值,在冻融10次时达到最大值,冻融10次之后原状黄土的孔隙率在40%上下波动,达到稳定状态. 重塑黄土在冻融3次时孔隙率减少了6%并达到最小值,在冻融5次时孔隙率增加3%并达到最大值,最后在40%上下波动,达到稳定状态. 渗透系数的变化曲线与通过压汞实验获得的孔隙率变化曲线相似,印证了随着冻融次数的增加黄土的孔隙率呈先减小,后增大,然后趋于稳定的变化规律.     

循环冻融条件下节理岩体损伤破坏试验研究

通过循环冻融和相似材料试验,研究了节理岩体在冻融条件下的损伤破坏机制及其相应的力学特性。通过对经历冻融循环后的试件损伤破坏模式的观察和单轴压缩试验,重点研究了节理倾角、节理贯通度、节理条数、节理充填物厚度、节理充填物类型、试件饱和度、冻融循环次数等对试件冻融损伤破坏模式、单轴抗压强度和弹性模量的影响。研究发现：节理存在及其物理力学性质对岩体的冻融损伤破坏模式及强度均有很大影响。节理倾角通过影响冻融裂纹的起裂位置进而影响其破坏模式和强度;随着贯通度的增加,试件表面裂纹由稀变密;随着节理条数增加,试件受冻融影响明显加剧;随着节理充填物厚度增加,试件冻融损伤程度先增加后减小;节理充填物类型对试件冻融损伤程度也有一定影响;随着试件饱和度的增加,试件冻融损伤程度先减小后增加;随着冻融循环次数的增加,节理试件表面因冻胀引起的裂纹逐渐增多、变宽,且其抗冻融特性较完整试件差。上述研究成果对寒区岩体工程建设及安全运营具有重要的参考价值。     

基于NDVI的新疆玛纳斯湖湿地植被覆盖度变化研究

以2000年、2006年、2010年、2013年和2016年5期的Landsat遥感影像为基础数据源,基于像元二分模型反演了玛纳斯湖湿地植被覆盖度。通过动态度、转移矩阵对比不同时期各等级植被覆盖度的转化比例,分析植被变化的驱动力。结果表明： 2000-2016年,玛纳斯湖湿地植被覆盖度总体较差。极低植被覆盖度所占比例由19.6%增加到了46.3%,低植被覆盖度所占比例由60.6%减少到了28.7%,中植被覆盖度所占比例由9.4%减少到了4.6%,中高植被覆盖度相对变化较小,所占比例由2.9%增加到4.2%,高植被覆盖度所占比例由7.4%增加到16.2%。整个地区的荒漠盐碱土地和农田土地利用面积在逐渐增加,影响植被覆盖度和湖泊萎缩干涸的主要因素是过度利用水资源和人类活动对主要源流流域土地资源的大规模开发。     

高温与冻融共同作用后类岩石力学性能的试验研究

为了研究高温和冻融共同作用下对岩石力学特性的影响,对类岩石试件进行高温和冻融作用,然后对试件进行单轴压缩试验,研究高温和冻融作用的先后顺序对试件的抗压强度、峰值应变的影响。结果表明:(1)试件经历各种温度高温作用后,再进行冻融循环作用,随着循环次数的逐渐增加,试件的抗压强度也逐渐降低,试件的峰值应变基本呈逐渐增加的趋势。(2)试件经历冻融循环后、再经高温作用,强度均随着高温温度的增加而逐渐降低,峰值应变随着高温温度的增加基本呈逐渐增加的趋势。(3)先经冻融循环25次、再经高温作用的强度,比先经高温作用、再经冻融循环25次作用的强度高。     

基于RS和GIS的班戈县植被覆盖度动态变化分析

运用RS和GIS技术,选取了1990年、2000年、2009年三期遥感影像,采用基于归一化植被指数（NDVI）的像元二分模型,计算了这三个时期的植被覆盖度,并对班戈县1990～2009年间植被覆盖度的变化情况进行了定量分析。结果表明,班戈县的植被退化面积,从1990年31.80×104 hm2减少到2009年156.28×104 hm2,植被覆盖面积减少了77.89×104 hm2。从动态变化看,1990年到2000年草地退化较严重,2000年到2009年,草地退化程度增加趋势不明显。     

砂岩循环冻融损伤的低场核磁共振与声发射概率密度研究

为了研究不同水化环境下的砂岩经多次冻融循环后的损伤情况,将饱和蒸馏水与3%NaCl水溶液的砂岩试样,在冻结温度为-30℃、融化温度30℃的环境下进行循环冻融试验;并同步采集冻融中的声发射信号,每3次冻融循环后进行1次低场核磁分析与光学显微观测,在冻融循环结束后再进行单轴压缩试验。试验结果表明:蒸馏水环境和3%NaCl溶液环境作用下,随着冻融循环次数的增加,砂岩试样的T_2谱向右偏移、T_2谱总面积增加、孔隙度增加、内部显微结构破坏,且3%NaCl溶液冻融组变化更为严重;循环冻融后砂岩的单轴压缩声发射绝对能量概率密度依然满足幂定律分布,但临界指数增加,而3%NaCl循环冻融组的增量更大;每次冻融循环过程中,随着循环次数的增加,声发射概率密度的临界指数表现为先增加后降低,与已有的超声波检测试验结果相一致,而融化过程的临界指数峰值超前于结冻过程,冻融损伤主要是因静压、渗透压破坏以及水化介质对岩石的溶解、侵蚀造成的。本研究将为寒区岩体工程损伤破坏机制和稳定性评价提供一定的参考价值。     

黏度时变浆液结石体冻融条件下力学特性试验研究

高寒山区岩体裂隙发育的边坡及复杂地层,常采用灌浆进行加固处理,浆液结石体常面临着强烈的冻融循环作用。通过对自主研发的黏度时变（SJP）浆液结石体进行冻融循环试验及电镜扫描方法,研究浆液结石体在冻融条件下的力学特性,讨论结石体的冻融损伤机理。试验结果表明:冻融条件下,SJP浆液结石体的耐久性能明显优于普通水泥结石体,随着冻融循环次数的增加,SJP浆液结石体的抗压强度和相对动弹性模量不断减小,而劈裂抗拉强度呈现先增加后减小的趋势;SJP浆液在助剂的综合作用下,C-S-H产量增多,并与纤维针状水化衍生物相结合,使得结石体内部的孔隙结构更加密实,有效地减缓了冻融损伤的积累,进而显著提高了其在冻融条件下的耐久性,从而更加适合在寒区工程建设中应用。     

砂岩循环冻融损伤的低场磁共振与声发射概率密度研究

为了研究不同水化环境下的砂岩经多次冻融循环后的损伤情况,将饱和蒸馏水与3%NaCl水溶液的砂岩试样,在冻结温度为-30℃、融化温度30℃的环境下进行循环冻融实验;并同步采集冻融中的声发射信号,每三次冻融循环后进行一次低场核磁分析与光学显微观测,在冻融循环结束后再进行单轴压缩实验。实验结果表明:蒸馏水环境和3%NaCl溶液环境作用下,随着冻融循环次数的增加,砂岩试样的T_2谱向右偏移、T_2谱总面积增加、孔隙度增加、内部显微结构破坏,且3%NaCl溶液冻融组变化更为严重;循环冻融后砂岩的单轴压缩声发射绝对能量概率密度依然满足幂定律分布,但临界指数增加,而3%NaCl循环冻融组的增量更大;每次冻融循环过程中,声发射概率密度的临界指数随着循环次数的增加表现为先增加后降低,与已有的超声波检测试验结果相一致,而融化过程的临界指数峰值超前于结冻过程,冻融损伤主要是因静压、渗透压破坏以及水化介质对岩石的溶解、侵蚀造成的。本研究将为寒区岩体工程损伤破坏机理和稳定性评价提供了一定的参考价值。     

冻融循环作用下富平黄土微观结构几何类型变化研究

冻融循环作用可通过影响寒区土体结构致使基础设施发生破坏,而导致工程失稳宏观现象的根源来自于冻融作用改变了土体的微观结构。为探索冻融作用下土体微观结构变化规律,将富平黄土作为研究对象,分别对其进行0、4、6、8、10、50、100次冻融循环下的电镜扫描观测试验,得到对应次数下的微观照片,对其从颗粒形态、连结方式、排列形式对孔隙的影响三方面进行分析,并且将微观照片中出现的颗粒接触方式以几何模型的方式进行归类,研究几何模型随冻融循环次数增加后的变化规律。结果表明：随着冻融循环次数的增加,土颗粒大小朝着均一性的方向发展,平均粒径呈先减小后增大趋势;颗粒的连结形式从面胶结为主逐渐演变为点接触为主最终再回归为面胶结为主;土体在0~6次冻融循环时孔隙率呈下降趋势,6~8次冻融循环时孔隙率快速上升,之后随着冻融循环次数的增加孔隙率逐渐减小;粒状粒子几何模型变化规律从棱边接触逐渐过渡为粒面接触,扁平状粒子几何模型变化规律从初始粒面接触为主逐渐演变为棱边接触为主,最终再演变为粒面接触。     

砂岩循环冻融损伤的低场磁共振与声发射概率密度研究

为了研究不同水化环境下的砂岩经多次冻融循环后的损伤情况,将饱和蒸馏水与3%NaCl水溶液的砂岩试样,在冻结温度为-30℃、融化温度30℃的环境下进行循环冻融实验;并同步采集冻融中的声发射信号,每三次冻融循环后进行一次低场核磁分析与光学显微观测,在冻融循环结束后再进行单轴压缩实验。实验结果表明:蒸馏水环境和3%NaCl溶液环境作用下,随着冻融循环次数的增加,砂岩试样的T_2谱向右偏移、T_2谱总面积增加、孔隙度增加、内部显微结构破坏,且3%NaCl溶液冻融组变化更为严重;循环冻融后砂岩的单轴压缩声发射绝对能量概率密度依然满足幂定律分布,但临界指数增加,而3%NaCl循环冻融组的增量更大;每次冻融循环过程中,声发射概率密度的临界指数随着循环次数的增加表现为先增加后降低,与已有的超声波检测试验结果相一致,而融化过程的临界指数峰值超前于结冻过程,冻融损伤主要是因静压、渗透压破坏以及水化介质对岩石的溶解、侵蚀造成的。本研究将为寒区岩体工程损伤破坏机理和稳定性评价提供了一定的参考价值。     

冻融循环条件下片麻岩蠕变特性试验研究

为探讨寒冷地区隧道围岩的长期稳定性,选取吉林省辉白隧道中的片麻岩进行冻融循环条件下的三轴蠕变试验,分析了冻融循环作用对片麻岩蠕变特性的影响机制。试验结果表明：随着冻融次数的增加,片麻岩的蠕变变形量逐渐增加,而蠕变破坏应力、蠕变时长、长期强度均有明显降低的趋势。同时冻融循环温度的幅度对片麻岩的各蠕变参数也有一定影响,表现为冻融循环次数相同时,温度越低,岩样的初始瞬时蠕变越大,而蠕变时长与长期强度越小。同时基于试验结果,利用1stOpt优化软件对Burgers模型参数进行辨识,可得模型理论曲线与试验曲线在蠕变减速段和稳定段吻合较好。最后通过SEM扫描和能谱EDS分析了冻融循环对片麻岩微细观结构的影响机制。岩样在长期荷载作用下的破坏模式均为剪切破坏,随着冻融次数的增加,岩石的破裂程度越来越严重、破坏块度越来越小。研究结果为寒区岩石工程的支护设计和防冻害设计提供了参考和依据。     

冻融循环作用下植被混凝土团聚结构变化对养分固持能力的影响北大核心CSCD

植被混凝土生态修复技术是当前国内用于裸露陡边坡植被恢复的典型技术之一,具备肥力持续供给能力是植被混凝土有别于其他建筑材料的基本属性。冻融循环作用下物理结构剧变导致养分固持能力减弱是限制植被混凝土在高寒地区应用的关键因素,但养分固持能力变化的深层原因尚不清楚。通过控制性试验,以初始含水率和冻融循环频次为变量,测定了植被混凝土水稳性团聚体粒径分布、团聚特征参数、主要养分含量及其淋溶流失率的变化规律。结果表明:随初始含水率提高,植被混凝土中水稳性微团聚体向大团聚体转化,尤其以≥1~2mm粒组增幅最多,团聚特征参数变化也反映出团聚体稳定性随之提高;冻融循环导致水稳性团聚体平均粒径不断减小,但会随冻融频次增长逐步趋于稳定。初始含水率的提高促使各养分含量略有增加;冻融循环作用下有机质、铵态氮、有效磷、速效钾含量仍有增长,但硝态氮含量不断降低。同时,冻融循环还会导致各养分淋溶流失率不断增大,最大增幅可超过90%,并随冻融频次增长趋于稳定。这说明冻融循环对养分固持能力的影响会逐步减弱,而且侧面反映出团聚结构与养分固持能力间存在紧密联系。Pearson相关性分析进一步表明,团聚特征参数与各养分淋溶流失率均达到显著相关水平,综合考虑显著性水平与相关性系数绝对值,认为团聚特征参数中几何平均直径与各养分淋失率相关程度最高,最适合用于表征植被混凝土的养分固持能力。上述研究结果证实,冻融循环作用下团聚效应减弱是导致植被混凝土养分固持能力降低的深层原因。     

基于温度路径的冻融作用下黄土强度及微观结构研究

在季节性冻土区,冻融作用诱发黄土滑坡的本质是冻融循环作用下黄土物理力学性质的劣化,探明冻融作用下温度以及水分迁移对黄土强度的影响及其机制是必要的。以山西省柳林县某黄土边坡为例,采用一种新的冻融循环方式即按照土体每年历经的温度路径进行冻融循环,研究在温度动态变化的冻融循环作用下土体的抗剪强度变化规律以及反复冻融循环作用对土体黏聚力、内摩擦角和微观结构的影响。结果表明:在一轮冻融循环过程中,土体强度与温度呈负相关关系,低温对土体强度影响较大。随着冻融次数的增加,土体黏聚力呈指数函数下降,内摩擦角几乎没有明显变化。微观试验表明,随着冻融次数的增加,土体内大颗粒破碎化,孔隙增多,表现为颗粒趋于均一化,中等大小(5~10 μm)孔隙占比最大。本次研究模拟了土体经历的温度变化过程,为该地区季节性冻融型黄土滑坡防治提供了借鉴作用。      

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。     

冻融环境下黄土微结构损伤识别与宏观力学响应规律研究

冻融环境下黄土物理力学性质劣化是寒区工程建设必须要考虑的问题之一,取延安市黄陵县黄土为研究对象,以初始含水率、冻融循环次数为变量,借助扫描电子显微镜、Leica Qwin、Canny算子边缘检测、分型理论定量评价冻融环境下黄土微观结构损伤状态;通过GDS探究不同初始含水率、不同冻融循环次数对试样强度指标的影响,并用显著性理论进行评价。结果表明：随着冻融次数的增加试样内部裂隙不断发育演化,土体内部的大颗粒不断分解为若干小颗粒,骨架连接方式发生转变,由面-面接触转变为点-面、点-点接触;随着冻融循环次数的增加面孔隙度、分形维数不断增大,冻融循环10次后趋于稳定,试样在冻融环境下内部微、小孔隙不断向中、大孔隙转化;随着冻融循环次数的增加试样的黏聚力不断减小,内摩擦角不断增大,冻融10次后强度指标趋于稳定,试验结果与图像探伤结论相一致;对试样黏聚力、内摩擦角进行显著性分析可知冻融循环次数、初始含水率及其交互作用（耦合作用）对试样强度指标有特别显著的影响。