冻融循环作用下土体冻结锋面移动规律试验研究

冻融循环作用改变了土体结构及热物理性质,进而影响了土体温度变化过程,土体冻结锋面的稳定位置也随之变化。为研究冻融循环作用下土体冻结锋面的移动规律,进行了开放系统下的兰州黄土冻融循环试验。试验结果表明：冻结初期冻结锋面迅速下移,冷端温度稳定后其下移速度降低,当土体温度达到平衡时,冻结锋面位置趋于稳定;冻结锋面稳定深度随冻融循环次数的增加而增加.为阐述黄土冻结锋面随着时间变化规律,采用时间比拟法得到了冻融循环次数与冻融时间相似比拟曲线。由拟合曲线得第6次冻融循环后土体冻结锋面稳定在土样高度24.4mm处,实测稳定在24.3mm处,相对误差为0.4%。     

冻融循环作用下冻结黏土矿物物理力学性质研究

冻土工程破坏主要的原因之一是冻融循环作用。通过对高岭土(主要黏土矿物为高岭石)、膨润土(主要黏土矿物为蒙脱石)在反复冻融作用下的物理性质试验及球模仪试验,研究高岭土及膨润土在冻融循环作用下的物理力学性质变化,并由此推定不同黏土矿物含量土在冻融循环作用下物理力学的变化规律。结果表明:(1)前10次冻融循环对高岭土及膨润土的物理力学性能影响很大,冻融10次后,随冻融次数的增加,高岭土的密度下降,孔隙比增加,膨润土的密度增加,孔隙比减小;(2)冻融过程中物理性质的变化不仅与土样的种类有关,也与土样的矿物成分有关;(3)高岭土的长期强度C24远高于膨润土,但是冻融过程中高岭土的力学性能变化较大,而膨润土相对比较稳定。     

冻融循环对青藏红黏土物理力学性质影响试验研究

以红黏土为研究对象,使土样在封闭系统下进行不同次数的冻融循环作用,对冻融循环后的冻结土样进行粒度成分和物理力学性质测试,研究不同次数冻融循环作用下冻结红黏土粒度成分和物理力学性质的变化规律。结果表明：粉粒组和黏粒组质量含量受冻融循环作用次数影响较大。红黏土中颗粒在前10次冻融循环过程中向粒径小于0.001 mm及粒径在0.01~0.05 mm范围富集;冻融循环10次之后,随冻融循环次数的增加,粒径范围在0.002~0.005 mm的土颗粒含量明显增加,粒径范围在0.01~0.05 mm的土颗粒含量明显减小,其他粒径范围的土颗粒含量基本不受冻融循环次数的影响。红黏土的液、塑限大体上随冻融循环次数的增加而增加。冻融循环作用对红黏土等效黏聚力强度影响较明显,冻融循环作用10次以内红黏土等效黏聚力强度变化较大,在红黏土地区新修路基应考虑冻融循环作用引起的附加沉降影响。建议采用维亚洛夫或吴紫汪长期强度预报方程预测红黏土长期等效黏聚力强度。     

反复冻融下黄土抗剪强度劣化的试验研究

以陕西杨凌黄土为研究对象,对不同初始含水率的重塑黄土进行了长期反复冻融循环,对经历不同冻融次数的试样进行了系列直剪试验.结果表明:在控制含水率不变的情况下,黄土的黏聚力和抗剪强度一般在3～5次冻融循环之后降到最低值,并趋于稳定;内摩擦角基本不变.探讨了长期冻融循环下黄土的强度劣化特性,采用插值法修正了含水率下降对强度的影响.由试验数据拟合出黄土抗剪强度和冻融循环次数之间的经验关系,推导出一种考虑冻融循环作用的黄土强度劣化模型.经试验验证,该模型可以较好描述黄土强度的劣化特性,为黄土工程力学性质的劣化研究提供了一种新的有效途径.     

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。     

长期冻融循环引起黄土强度劣化的试验研究

以陕西杨凌地区黄土为研究对象,进行了不同含水率、不同干密度的黄土在不同冻融循环次数作用下的直剪试验,探索出进行黄土反复冻融循环试验的方法和控制标准,探讨了封闭系统下黄土在反复冻融循环作用下的抗剪强度劣化特性规律。试验结果表明:黄土在反复冻融循环作用下,表面破坏比较严重;随着冻融次数的增加,黄土的黏聚力先减小后增大,最低值发生在10次冻融循环之内;内摩擦角基本不变;反复冻融循环作用在3~5次对黄土强度有较大的影响,会导致黄土强度的劣化现象发生,但长期冻融作用则会主要体现在对黄土表面的变形破坏等其他方面。     

球形模板压入仪在冻土长期强度测试中的应用

球形模板压入仪（球模仪）在前苏联和俄罗斯等冻土区土力学性质测试中得到广泛应用。在60多年的工程实践中,试验理论、方法等方面都得到了完善。因其试验简单易行且测试结果能较好地反映冻结土的力学性质,特别是在冻结土黏聚力的长期强度评价及预测方面广泛应用。简要介绍该试验理论、试验方法、试验仪器。以莫斯科郊外冰碛粉质黏土作为研究对象。在恒定-7～20 ℃温度条件下,在封闭状态下分别进行3、6、20、40次冻融循环试验。对各试验阶段土样进行物理性质测试,之后用球模仪对冻结土样进行强度测试。冻融循环后土样的各物理指标均有不同程度的减小,随着冻融次数的增加,其强度降低。冻融过程中,土样中水体积的变化使其密度减小、孔隙率增大是造成这一结果的原因。     

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。      

冻融作用下污泥固化轻质土动力特性及结构演化

冻融作用会影响污泥固化轻质土动力特性和结构特性。为研究不同冻融循环次数和冻结温度下的污泥固化轻质土动力特性及结构演化,对冻融循环作用后的污泥固化轻质土进行动三轴试验和固结试验。试验结果表明:在冻融循环作用下,污泥固化轻质土动应力-应变曲线呈弱应变硬化型。污泥固化轻质土动强度和变形随着冻融次数（n）的增加和冻结温度（T）的降低而减小。经历前4次冻融作用后,对固化土变形和动强度影响较大,经历8次冻融循环后基本趋于稳定。冻融循环对土体动力特性的影响本质上是对土体结构性的影响。固化土冻融结构势（m_dσn）的变化规律与动强度类似,随冻融次数的增加和冻结温度的降低而下降。冻融循环次数是影响污泥固化轻质土动力特性和结构性的主要因素,冻结温度为次要因素。     

冻融循环作用下黄土无侧限抗压强度和微观规律的试验研究

青海地处多年冻土地区,属于青藏高原大陆性气候带,冻融循环是路基和地基基础的一种常见破坏因素,为研究冻融循环作用对青海地区实际工程的影响,揭示冻融循环作用对其损害的机理,通过对青海西宁地区原状黄土和重塑黄土进行冻融循环试验、无侧限抗压强度试验和电镜扫描试验,分析不同冻融温度和不同冻融循环次数对原状黄土、重塑黄土无侧限抗压强度和微观结构的影响。结果表明:当黄土经历0～6次冻融循环时,原状黄土和重塑黄土的强度逐渐降低,而8～10次冻融循环后其强度先增大后趋于稳定;原状黄土的强度随冻融温度降低而降低,而重塑黄土的强度随冻融温度降低先增大后减小;从微观角度分析,冻融温度的降低和冻融循环次数的增加,均导致黄土大颗粒逐渐分解为小颗粒,颗粒的排列方式发生改变。     

基于冻融次数-物理时间比拟理论的冻土长期强度预测方法

冻融作用可以改变土的结构,引起其力学特征的变化,从而影响到冻土工程的稳定性。由于冻融周期的设定不尽相同,因此大量的试验结果不能有效地进行对比分析。另外,对于冻融作用下土体力学特征的预测也成为研究的难点。在冻土遗传蠕变理论的基础上,利用球型模板压入仪作为测试方法,提出了一种冻融次数-物理时间比拟的方法。把冻融周期(次数)转化成物理时间(min),将不同冻融周期土的长期强度曲线簇映射到同一坐标中,利用该归一化曲线进行长期抗剪强度的预测,并选取了两种土样进行了测试,分别得到了相关的长期抗剪强度的预测方程。该方法对冻融作用下土体力学行为的成果对比研究以及长期强度的预测有重要的理论意义,对寒区工程稳定性预测分析也具有工程实践价值。     

季节性冻融作用及其对斜坡土体强度的影响——以甘肃黑方台地区为例

季节性冻土地区黄土斜坡冬春交际常发生崩塌、滑坡等地质灾害,造成了严重的生命财产损失.位于甘肃省永靖县的黄土台塬——黑方台为典型的季节性冻土地区,其3月份黄土滑坡灾害高发.通过对滑坡体的野外调查、原位监测,分析了该地区的冻融作用特征及其对斜坡土体强度的影响,证实了该地区表层土体存在显著的冻融循环作用,总结了斜坡体受冻融作用影响的宏观表现和受气温影响的斜坡表层黄土地温变化过程.在此基础上设计开展了黄土室内力学性质试验,分析了不同初始含水率对冻结黄土三轴抗剪强度参数的影响,对比分析了黄土与冻结黄土的三轴抗剪强度参数变化.由天然和饱和2种状态下的黄土经历15次冻融循环后的直剪实验得出冻融循环作用对黄土强度影响较大的结论.该结果可为冻融期黄土斜坡稳定性分析提供参考.     

Fractal characteristics of sand grain group changes under freeze-thaw cycles and its correlation with long-term strength北大核心CSCD

Seasonally frozen soils are widely distributed in China in terms of area,and the freeze-thaw cycle effect generated by the alternation of cold and warmth is one of the causes of engineering damage in cold areas during construction,and it is particularly important to restore the nature and state of the soil when it is subjected to freeze-thaw action. Therefore,sandy soil specimens with different numbers of freeze-thaw cycles were prepared,and the long-term strength of frozen sandy soil was tested using a spherical template indenter. Using fractal theory and the microstructure image processing software ImageJ,the change law of grain group and long-term strength of two frozen sandy soils under different numbers of freeze-thaw cycles were studied. The results show that：for fine sand（FS）,the fractal dimension DB has a highly significant positive correlation with the long-term strength variation,among which ≥0. 15~0. 20 mm and ≥0. 25~0. 40 mm have the best fit with the long-term strength,and are the dominant grain classes of FS. For medium sand（MS）,the fractal dimension DB is slightly positively correlated with the long-term strength,and the variation shows a“vertical N”trend,in which the grain size content of ≥0. 30~0. 40 mm and ≥0. 40 mm fits better with the long-term strength,and is the dominant grain class for MS. The content of other grain groups did not correlate significantly with the long-term strength change. The freeze-thaw action changed the content ratios of coarse and fine grain agglomerates in the soil. With the increase of the overall particle size interval,the dominant particle size also increases,which shows that the long-term strength of frozen sandy soil tends to decrease and then increase with the increase of the content of some particle sizes. The results of the study can provide theoretical reference for the determination of long-term strength in areas subject to freeze-thaw action. © 2022 Science Press (China).     

冻融循环作用下木质素磺酸钙改良黄土的力学特性研究

木质素磺酸钙作为一种绿色环保的改良材料,近年来被应用于土体加固领域。为探究木质素磺酸钙对黄土的固化效果,通过开展侧限浸水压缩试验、冻融循环试验、不固结不排水三轴剪切试验、扫描电镜试验和X射线衍射试验,分析冻融循环次数、掺量和围压对木质素磺酸钙改良黄土力学性质和微观机理的影响规律。研究结果表明：掺入木质素磺酸钙,可有效消除黄土的湿陷性。此外,改良黄土的应力-应变曲线随木质素磺酸钙掺量的增加向一般硬化型转变,而随着冻融循环次数的增加,应力-应变曲线向弱硬化型转变。改良黄土的破坏强度随木质素磺酸钙掺量的增加呈先增大后减小的趋势,木质素磺酸钙掺量为1%时破坏强度最高,各掺量改良黄土随冻融循环次数的增加先减小后趋于稳定,同时抗剪强度指标呈现下降的趋势。通过扫描电镜试验和X射线衍射试验,发现改良黄土内部有胶结物生成并填充了土颗粒间的孔隙,使土体密实度提高,进而提高土体强度;而冻融作用导致土颗粒的接触方式由面-面接触向点-点、点-面接触过渡。此外,木质素磺酸钙改良黄土中未发现有新的矿物成分生成,且冻融作用未造成土体矿物成分的消解。     

冻土扭剪强度与其它试验结果的比较

本在试验研究的基础上，将由冻结黄土扭转试验得出的扭剪强度与其它试验结果进行对比分析，结果表明，冻土的剪切强度不仅与土的物理性质有关外，而且还与其试验条件和方法有关。     

不同温控曲线对石灰改良黄土强度影响研究

青海季节性冻土地区工程建设受冻融循环作用和黄土湿陷性的双重影响,工程上常采用石灰与黄土拌和作为垫层材料以满足工程要求,但冻融循环作用依旧对地基土体的性能有所影响。为探究青海季节性地区气候变化对地基土所带来的不利影响,采用3种温控曲线（1#、2#和3#温控曲线）模拟了青海季节性冻土地区气候变化规律,通过无侧限抗压强度试验和SEM等微观试验,分析不同温控曲线对2∶8、3∶7灰土强度和微观结构的变化规律。结果表明3∶7和2∶8灰土的应力-应变关系均呈现应变软化型,0~6次冻融过程中试样的无侧限抗压强度随着冻融循环次数的增加逐渐降低,继续增加冻融循环次数后其强度有所上升;冻融循环6次时灰土内部孔隙分布相较于冻融20次时多,且随着冻融循环次数的增加颗粒间接触方式由点-点、点-面接触向面-面接触转变;1#温控曲线的微观定量参数较2#、3#温控曲线变化明显,经历1#曲线时试样内部孔隙更为圆滑,结构排列疏松,1#温控曲线对试样结构和强度的影响程度相对较弱。     

冻融作用下三类纤维加筋固化土的抗压抗拉性能

合成纤维、矿物纤维和植物纤维加筋土,增强了土的强度和抗变形性能。开展冻融作用下的无侧限抗压试验和劈裂抗拉试验,研究聚丙烯纤维、玄武岩纤维和棕榈纤维加筋石灰固化土的抗压和抗拉性能随冻融次数的变化规律。结果表明：未冻融和冻融环境下,聚丙烯纤维加筋固化土、玄武岩纤维加筋固化土和棕榈纤维加筋固化土的最优质量加筋率分别为0.2%、0.2%和0.4%。随冻融次数增加,三类纤维加筋固化土的抗压强度和抗拉强度均呈阶段性下降,纤维加筋固化土的破坏应变均大于石灰固化土。冻融作用下,聚丙烯纤维加筋固化土的抗压强度、抗拉强度和抗变形性能均优于另两类加筋固化土。纤维与土颗粒间的界面作用力和纤维对土的空间约束作用,增强了土的冻融耐久性。对比三类纤维加筋固化土的试验结果,聚丙烯纤维加筋固化土的抗冻融性能最优。     

基于冻融作用的非饱和黄土-混凝土界面力学模型

在季节冻土区,周期性的冻结与融化作用持续改变着浅层非饱和土体的微结构和物理力学性质,从而直接影响着土与结构物之间的相互作用。土体与结构物接触面的应力-应变关系及其强度特征是确定季节冻土区基础工程承载力、安全性和分析结构与土体相互作用的基础和关键。为了更好地服务于实际工程,通过对不同含水率、不同冻融循环次数的非饱和黄土-混凝土试样进行直剪试验,并同时采用滤纸法测试相应黄土的基质吸力,获取了不同试验条件下的应力-应变关系曲线以及接触面强度参数、基质吸力随冻融循环次数的变化规律。同时,基于试验数据,建立了非饱和黄土与混凝土界面剪应力-位移-冻融循环次数的本构模型,该模型对黄土-混凝土界面经过多次冻融循环后不同压力下的剪应力-位移的关系曲线起到了很好的描述作用,为解决实际工程中季节冻土区基础承载力的数值计算提供了参考。