寒冷地区输水渠道冻胀破坏链式分析及减灾研究

寒冷地区输水渠道在运行过程中,由于持续负温的影响,地温逐步下降,引起渠基土体水分分布发生变化导致土体冻胀,致使输水渠道结构破坏,这种作用影响所表现出来的链式效应是冻胀破坏作用的重要特征。为了探明寒冷地区输水渠道冻胀破坏机理,分析渠道的冻胀破坏因素,引入链式破坏理论进行分析。从系统理论出发,分析冻胀破坏系统的链式关系结构,建立冻胀破坏链式效应关系模型。以寒冷地区渠道衬砌结构冻胀破坏为例,分析经过一个冻融周期,渠基土体颗粒、土体成分组成、气温、地温变化规律和土壤水分迁移规律对渠道衬砌结构冻胀破坏的影响。分析渠道衬砌结构冻胀破坏链式机理,是在外部环境气温、水分等条件输入下,地温分布受土体性质及土体水分的影响,土体水分迁移受地温和土体性质的作用,土体产生冻胀是对地温和水分分布作用的响应,以此为依据提出寒区渠道冻胀破坏断链减灾方法。     

长春季冻区路基土微观孔隙特征的定量评价

路基冻害一直是困扰东北季冻区道路建设的一个重要问题。长春冬季天气寒冷,在温度梯度作用下路基土中水分产生迁移和聚集,引起路基冻胀。春季路基解冻,集聚的冰晶体融化,路基土处于饱和或过饱和状态,承载力极低,在交通车辆作用下发生路面鼓包、弹簧、断裂和翻浆冒泡等现象,给交通运输和经济建设带来极大的危害。孔隙是水分迁移的主要通道,是影响路基冻胀主要因素之一,其特征决定土体的冻胀敏感性。本文利用WD-5配置联机图象处理系统的电子显微镜,通过图像定量分析系统,对长春季冻区路基土的微观孔隙作了定量评价。经过分析得出:3个土样孔隙直径均是小于5m的占主导地位,都具备冻胀条件;试样水平和垂直两个方向的孔隙分布较均匀,孔隙为辐射状或网状结构,多为扁圆和等轴形状;孔隙形态分维数分析认为,分维数高,大孔隙含量多,孔隙分布比较简单,在研究范围内,有利于水分迁移,冻胀性较强。     

饱和正冻土水分迁移及冻胀模型研究

正冻土在温度梯度大的情况下,冻结锋面快速移动,孔隙水变成冰,造成原位体积膨胀;而通常在天然条件下,温度梯度都不大,水从未冻区向冻结区迁移,在某一个位置引起冰的累积,形成分凝冰。由于此诱发的冻胀要比原位冻胀大很多,因此,建立一个能够模拟土体水分迁移及分凝冰形成过程的冻胀模型尤其重要。基于第2冻胀理论,建立了饱和土体冻胀模型。在模型中,假设冻结缘中单位时间内水分迁移速度为常数,以计算冻结缘内水压力,再根据克拉方程得到冰压力。根据冰压力的大小作为分凝冰形成判据,研究中假设新的分凝冰形成以后,上一层分凝冰停止生长。模型把水分迁移和冻胀速率当作基本的未知量,模拟了与可天然土体冻胀类似的底部无压补水和顶部加压的冻胀情况。通过数值模拟与试验结果进行对比,初步验证模型的可靠性,其研究结果为实际寒区工程的冻胀预测提供参考。     

单向冻结条件下硫酸盐渍土热质迁移及变形特性研究

对水盐补给条件下硫酸盐渍土中的热质迁移、孔隙流体相变过程以及硫酸盐渍土盐冻胀变形进行了理论和试验研究。基于非饱和土力学和热弹性连续介质理论,建立了非饱和硫酸盐渍土中水-热-盐-力多物理场耦合的数学模型,其中考虑了孔隙内相变对热力学和水力学参数的影响,通过数值模拟分析了开放系统单向冻结条件下土体内部温度场、水分场、盐分场及应力场的变化过程,并利用室内降温试验对理论模型的有效性进行了验证。研究结果表明：盐分在结晶时所析出的潜热会直接影响到水分冻结成冰的过程;土体孔隙溶液浓度在开放系统单向冻结条件的影响下随时间先快速增长至峰值而后逐渐下降,最终趋于稳定;在负温的影响下,土体内部水分相变成冰,并逐渐形成冻结锋面,随着冻结锋面的下移,土体盐冻胀程度越来越大。     

一维冻结土体冻胀曲线的分形优化

分形几何理论作为研究自然界具有自相似性质的非线性问题的主要手段，被广泛应用于岩土工程中。土体的冻结涉及到土体本身的性质、温度场、水分场和应力场的共同作用，采用数值解法又必须对其进行大量的简化，使其所求得的数值解或拟解析解与实际值存在较大差距。采用神经网络方法研究表明，在冻胀初期系统难以稳定，同时对于低含水量的土体误差也较大。近年来，通过国内外学者的大量研究，发现土体冻结过程中同样存在分形现象。通过分析土体冻胀特征，提出采用分形插值方法研究一维冻结土体的冻胀问题。采用Douglas-Peuker算法和随机中点移位法相结合的方法对一维冻结土体的冻胀曲线进行了优化。研究结果表明，采用该方法对冻胀曲线进行优化，既可保留其原有的宏观结构特征也可以反映微观结构动态；经过插值处理后，曲线的特征点和特征形状并无变化；但细节部分随着分形维数的增加，逐步得到细化。由此真实地反映了冻胀过程，为研究土体的冻胀过程提供了一种新的方法。     

非饱和土的水分特征曲线的分形模型

水分特征曲线的分形模型以分为三类：土颗粒分布的分形模型、土体孔隙表面的分形模型和土体孔隙分布的分形模型。根据土孔隙分布的分形模型，提出了水分特征曲线的通用表达式。水分特征曲线的通用表达不仅能很好地预测近饱和状态和干土状态时的水分特征曲线，也能用相同的分维估算水分特征曲线的脱水曲线和吸水曲线。     

硫酸（亚硫酸）盐渍土单次盐胀和冻胀发育规律研究

对盐胀和冻胀规律的研究有助于深入认识硫酸（亚硫酸）盐渍土的工程性质。通过对天山北麓水磨河流域细土平原区硫酸（亚硫酸）盐渍土盐胀和冻胀试验研究发现：（1）随着温度的降低,试样盐胀和冻胀率逐渐增大。试样冻结前土体产生的膨胀是盐胀,试样冻结后产生的膨胀是盐胀和冻胀,当土体达到-15℃以后,土体盐胀和冻胀趋于稳定。（2）硫酸钠含量不变的情况下,随着含水量的增大,其起胀温度降低。土体起胀温度取决于土体中硫酸钠析水结晶温度、硫酸钠结晶含量的多少、土体结构、内摩阻力、粘聚力、土颗粒间的引力、土体孔隙间和孔隙接触间吸收结晶硫酸钠的程度。（3）硫酸钠含量增加,其单次盐胀和冻胀率变化区间增大。     

土工加筋抗冻胀工作机制的研究

在分凝势理论的基础上，建立了一套考虑温度、水分及冻土－未冻土－筋材体系应力变形诸因素耦合预测加筋土冻胀和筋材拉力的计算方法，并对一维冻结室内模拟试验进行了理论分析和数值计算。通过对加筋消减冻胀及其抗冻胀工作机制的分析，提出了加筋材料对土体施加的约束，不仅减小了土体的冻胀速率，而且还使冻胀位移向未冻土区发展，从而可有效地消减土体冻胀的结论。     

单向冻结时土颗粒位移的热筛效应及对流迁移

自然界中不同粒径上颗粒的随机组合造成土体中孔隙分布的随机性。土体冻结时，由于不同孔径中水分势能的差异，导致孔隙不冻结在时间上的有序性，即在相同温度下，粗大孔隙中水分首先冻结，然后逐渐向细小孔隙发展。水分冻结体积膨胀，从而引起粗颗粒土向上抬升，称为热筛效应。     

饱和软黏土中埋地管道冻结模型试验研究

为研究软土地区埋地管道在土体冻结过程中的管道受力机理, 开展了饱和软黏土中地埋管道冻结模型试验。通过人工冻结技术, 近似还原了管土受冻过程, 研究了人工冻结过程中土体温度场、 水分场、 位移场分布情况, 以及管道的力学特性。结果表明： 在冻结过程中, 土体温度场的变化直接影响着土中水分场的分布; 在冻结锋面前缘存在着剧烈的水分迁移现象, 大量的水分向冻结锋面迁移, 使得土体产生线性冻胀; 冻胀发展速率受外部荷载的直接影响; 当冻结发展到管道处时, 位于冻胀和非冻胀过渡段位置处的管身出现应力最大值。研究结果对于正冻土中管道的安全评估具有重要的意义。     

水汽补给下砂土冻胀量与微观结构参数关联研究

水汽补给可诱发砂土填料的冻胀。基于自主研发的水汽迁移和冻胀试验仪,研究了气态水补给下砂土含水率、温度和冻胀量变化规律;利用体视显微镜对冻结过程中砂土微观结构变化特征进行了研究,结合灰色关联理论分析了宏观指标冻胀量与微观参数之间的关联关系。结果表明：在水汽补给下砂土会发生明显冻胀,冻结 7 d 时冻胀量达到 3.45 mm。砂土经历冻胀后,大孔隙面积占比增加、中小微孔隙面积占比降低,孔隙数量占比变化趋势与面积占比相反,孔隙丰度值变化不大,孔隙定向角在各区间分布趋于更加均匀,孔隙定向概率熵整体呈震荡上升趋势,孔隙分形维数呈下降趋势。此外,利用灰色关联理论,建立了宏观参数冻胀量与平均孔径等微观参数之间的关联关系式,进一步揭示了水汽补给下砂土冻胀的微观机制。     

考虑荷载影响的黄土冻胀特性研究

黄土的冻胀特性与土体的含水率、 土体的密度以及外部荷载关系密切。在室内对不同含水率、 不同密度的黄土试样施加不同荷载, 进行了冻胀试验研究。结果表明： 黄土试样的冻胀率随着荷载增加呈指数形式递减; 冻胀率在土样含水率越大时随干密度的变化越大; 在自由冻胀状态下, 冻胀率随干密度的变化较大, 施加荷载后随干密度的变化较小。在荷载水平较高时, 冻胀率随着含水率增大而增大, 但增加幅度相较于自由冻胀显著降低。对于密度相同、 作用荷载相同的土样, 含水率增大时冻胀率线性增大。黄土地区的冻胀影响因素中, 荷载、 含水率、 干密度对冻胀影响是依次减小的。对不同含水率、 不同干密度以及不同作用荷载条件下的黄土冻胀试验结果进行拟合, 得到了可综合考虑含水率、 干密度和荷载的冻胀预报模型。     

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.     

秸秆加筋粉土的冻胀特性研究

粉土在中国分布广泛,工程中大量涉及,常表现为冻胀敏感性,在冻土地区工程建设中需重点考虑其冻胀特性。为减少粉土冻胀对工程的影响,基于环保的理念,以防腐处理后的麦秸秆作为加筋材料,将其切断后随机掺入粉土中;并对粉土和秸秆加筋粉土试样分别进行了开敞系统下的一维冻胀试验,重点研究了秸秆掺量和长度对粉土冻胀特性的影响。结果表明：秸秆加筋对粉土的冻胀有明显的抑制作用,少量的掺加（0.2%、0.4%）可将接近强冻胀的粉土改良为弱冻胀或不冻胀;在其他条件相同的情况下,试验范围内粉土的冻胀率随秸秆掺量的增加而线性增大,但总体远小于未改良土;秸秆掺量一定时,存在最优秸秆长度,在该长度下,秸秆加筋粉土的冻胀变形量和冻胀率均最小。     

不同因素对排水沟渠水平冻胀力的影响

多年冻土地区的排水沟渠经常遭受水平冻胀力的破坏,严重影响构筑物的服役性能。根据青藏高原多年冻土区路基坡脚U型槽排水沟渠的现场试验,并通过数值计算与理论分析,分析了结构埋深、粗颗粒换填范围以及结构形式对其温度场和水平冻胀力的影响。结果表明：改变工况,对土体温度场分布的形状影响较小,仅对其大小有一定影响。不同工况下水平冻胀力均沿深度非均匀分布,最大水平冻胀力主要出现在结构中部,而其上部和下部较小,结构侧壁在1/2至1/3处易发生冻胀破坏。梯形结构所受的水平冻胀力较U型结构增大13%～15%左右,但其分布形式基本相同。因此,U型结构在降低水平冻胀力方面优于梯形结构。随着换填范围增大,排水沟渠的水平冻胀力最大值逐渐减小;对于埋深1.7 m的排水沟渠来说,其侧边的0～2.8 m是影响水平冻胀力的主要换填宽度范围,而当换填宽度超过2.8 m后,水平冻胀力几乎不再降低。     

饱和粉土冻结过程中的水分迁移试验研究

改变边界温度和土样高度,对饱和粉土进行了冻结试验,研究其水分迁移、水分重分布、冻胀和冰透镜体的发展规律。试验结果表明：当温度稳定时,水分持续迁移到冻结锋面附近,含水率急剧增大,易形成冰透镜体。饱和粉土冰透镜体几何形态较为规则,无枝状交叉结构,已冻土为整体状且无网状裂隙。冻结过程中存在起始冻胀时间,在起始冻胀时间之前,土中水分被排出,冻胀发生之后水分补给到冻土中,且补给水分产生的冻胀量和总冻胀量数值接近。土样高度影响水分迁移量和冻胀量,土样越高,冻胀量越小,冻土含水率增量越小,但水分增量分布区域越分散,且起始冻胀时间越长。     

粉质黏土水泥土冻胀融沉特性研究

为研究水泥土冻胀融沉特性,对南京地区典型粉质黏土进行了不同条件下的冻胀融沉试验。试验控制因素包括水泥掺入比、含水率、龄期、冷端温度和荷载等,各控制因素在包含基准数值的区间内选取代表性条件进行单一变量试验。试验采用自制冻胀融沉仪进行,冻胀融沉仪下部为制冷块,上部设置补水装置,模拟真实土体冻结时水分迁移过程。结果表明：粉质黏土水泥土冻胀率随水泥掺入比增大、龄期增加呈指数规律减小,随含水率增大、冷端温度升高和荷载减小呈线性增大;融沉系数随水泥掺入比变化规律与冻胀率类似,同一条件下融沉系数均大于冻胀率;水泥土完成融沉的时间随解冻温度升高而减少,但最终融沉系数相同;冻胀融沉存在合理水泥掺入比,粉质黏土的合理水泥掺入比为10%,此时冻胀率为1.56%,融沉系数为2.15%。据此提出,冻结法施工时,预先在土体中按合理水泥掺入比掺入水泥,既可有效抑制土体冻胀融沉,又可提高施工效率。     

Study on frost heaving characteristics of sandstone under different freezing conditions北大核心CSCD

At present,artificial freezing method has become one of the effective methods for coal mine shaft to pass through water-rich soft rock strata,which can stop the movement of groundwater and limit the deformation of surrounding rock. In order to study the frost heaving characteristics of sandstone under different freezing conditions,frost heaving tests of saturated and dry Cretaceous red sandstone samples under different freezing rates （10 ℃·h-1,5 ℃·h-1,2 ℃·h-1,1 ℃·h-1）and different confining pressures（5 MPa,10 MPa,15 MPa,20 MPa,25 MPa）were carried out by using GCTS（Geotechnical Consulting & Testing Systems）servo-controlled low temperature and high pressure triaxial rock testing system. In this paper,based on the existing theory of physical and mechanical properties of frozen soil,we studied the frost heaving law of sandstone under different freezing conditions and explored the frost heaving mechanism. The result shows that in the process of cooling,the dry rock sample always produce cold shrinkage deformation,while the saturated rock sample first produce cold shrinkage deformation,then produce frost deformation,and finally the deformation tends to be stable. The deformation of saturated rock samples is much larger than that of dry rock samples. The larger the stress level of rock samples at the same temperature is,the smaller the frost deformation is,which shows a linear negative correlation,mainly because the high confining pressure limits the volume expansion of the water phase in the pore inside the rock samples when it becomes ice. The frost deformation of rock samples is mainly affected by confining pressure and water content,while the frost heaving rate is mainly affected by cooling rate. Under this test condition,the higher the cooling rate of sandstone is,the higher the frost heaving rate is,and the relationship between them is approximately linear. For saturated rock samples,the confining pressure reduces the rock frost heaving by limiting the expansion during the phase transformation of ice water,and the temperature affects the rock frost heaving by affecting the freezing rate of pore water and the thermal expansion and cold contraction of rock skeleton. For dry rock samples,the deformation is mainly due to the volume contraction of rock mineral particles caused by thermal expansion and cold contraction effect,and the greater the temperature change,the greater the deformation. Based on the experimental results and theoretical analysis method,a calculation formula of rock frost heaving considering the influence of confining pressure was established. By calculating the frost heave of sandstone samples under different confining pressures,it is found that the calculated values are in good agreement with the experimental results. Moreover,according to the calculation formula of frost heaving,the influence factors of rock frost heaving during freezing can be divided into two categories：internal cause and external cause. The internal cause includes porosity,saturation,volume modulus of ice and rock skeleton,and the external cause includes temperature and confining pressure. For saturated rock,the frost heaving is mainly affected by factors such as confining pressure,temperature and porosity. When the saturation,porosity and freezing rate are low,the rock may only produce shrinkage deformation,because these indicators determine whether the rock produces frost heave or freeze shrinkage. The mechanism of rock frost heaving is very complicated due to the interaction and restriction between the internal and external factors and the dynamic changes of rock micro-structure and mechanical properties during the process of frost heaving. The research results can provide theoretical reference for freezing construction scheme design of deep coal seam mine construction,and also provide a theoretical basis for the study of physical and mechanical properties and engineering application of soft rock in frozen soil area. © 2022 Science Press (China).     

粗颗粒土冻胀特性和防治措施研究现状

室内试验和现场监测数据表明, 粗颗粒土的冻胀敏感性与土的级配、初始含水量、温度、外载等诸多因素有关; 在一定的组合条件下, 粗颗粒土也可以发生显著的冻胀. 以认识哈大高铁路基冻胀特性为目的, 在分类梳理有关粗颗粒土冻胀特性研究文献的基础上, 简要论述了粗颗粒土的冻胀理论及其发展现状, 然后重点论述了有关影响粗颗粒土冻胀特性的几个关键因素--细颗粒含量、水分特征及温度状况方面的研究成果和存在的问题. 最后, 讨论了研究粗颗粒土冻胀模型及其冻胀机理时应关注的问题, 以更好地评价、防治公路和铁路路基土冻胀.