中国冻胀研究进展

中国的冻胀研究从５０年代末期开始，经科研单位、勘察设计院和大专院校冻土工作者近４０年的努力，通过现场观察、原位测试、室内试验和计算机模拟等多种手段，开展了冻胀量、冻胀力、冻胀机理、冻胀预报和各类工程防冻胀措施研究，取得了丰硕成果。提出了冻土工程分类、冻胀量和冻胀力的设计值和估算方法，以及各类工程防冻胀破坏的行之有效的方法。目前，研究工作正朝着从表象到机理、从宏观到微观的方向深化。进一步研究多孔介质中热质迁移的物理过程，特别是水分迁移的驱动力与温度或温度梯度间的相互关系，提出能反映过程物理本质且简便的冻胀预报模式及研制出对冻胀不敏感的新材料应成为今后工作的重点。     

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。     

水汽补给下砂土水分迁移规律及冻胀特性研究

利用自主研发的水分迁移和冻胀试验装备,研究了不同初始含水率、冷端温度、干密度对砂土水分迁移规律的影响,分析了三因素作用下砂土水平冻胀力和冻胀量的变化规律,确定了冻结锋面位置。研究表明：初始含水率和冷端温度对砂土的水分迁移和冻胀效果影响明显;初始含水率从0%增加至10%,试样含水率峰值增大了5.00倍,水平冻胀力和冻胀量不断增大,冻结锋面位置上移至2.5 cm高度处。冷端温度从?5 ℃降低至?15 ℃,试样含水率峰值增大了4.38倍,水平冻胀力和冻胀量不断增大,冻结锋面位置上移至2.6 cm高度处。干密度对试样水分迁移和冻胀特性影响相对不明显,整体呈现出在较小干密度下,试样含水率、水平冻胀力和冻胀量增幅稍大的趋势,冻结锋面集中在2.2～2.5 cm高度处。针对不同影响因素提出了水平冻胀力和冻胀量预测公式,为认识水汽补给下砂土水分迁移规律及合理预防冻胀提供参考。     

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。     

分层冻胀量的观测方法研究

当前使用的分层冻胀量观测方法有单体冻胀尺法、叠合冻胀尺法和磁环法, 分析了这3种方法各自的优缺点, 从冻胀的机理出发, 在正冻土中的水分迁移和成冰规律的基础上, 提出了表面冻胀量和冻深对比法. 依据内蒙古永济冻土试验场、内蒙古巴林左旗二龙灌区冻害试验场和大庆地区等3个季节冻土区的分层冻胀量观测结果, 分析了该方法在季节冻土区不同地下水位和不同土质条件下的适用性; 同时, 还据青海江仓的资料, 对在多年冻土地区的应用性进行了评估. 结果表明, 对比法只可以用于近似确定季节冻土区的分层冻胀量, 要确定多年冻土区的分层冻胀量, 该方法是失效的.     

添加剂对土体的加固作用及冻胀防治研究

将研制的高分子有机材料作为添加剂，加入到土体中，经过拌和夯实、干燥固结，能够起到稳定和提高土体的强度，并具有低渗透和低吸水等特性．冻胀试验表明：加入添加剂不仅能阻止土体冻胀的产生、外来水源的入侵及水分的迁移，还能隔断土体孔隙之间的联系，使水分在土体孔隙中不能运移，从而达到了防治冻胀的目的。     

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。     

掺微胶囊相变材料粗粒土的冻胀试验研究北大核心CSCD

微胶囊相变材料(PCM)是一种可以通过转变形态而影响温度变化的材料。为了研究相关材料对路基土冻胀的影响,对普通粗粒土及掺入不同含量(5%、8%、10%)微胶囊相变材料粗粒土进行单向冻胀试验。结果表明:与普通粗粒土相比,掺入微胶囊相变材料能延缓粗粒土的温度变化,且土体具有较高的温度终值;同时,能对土样冻结深度的发展产生影响,降低粗粒土最大冻结深度值;也能减弱粗粒土的水分迁移能力,土体的补水量以及最终含水率均有不同程度的减小;掺入微胶囊相变材料能抑制粗粒土冻胀的发展,冻胀量以及冻胀率均得到一定程度的减小。比较掺入5%、8%和10%含量微胶囊相变材料粗粒土冻胀试验结果发现,更高含量的微胶囊相变材料在影响粗粒土的温度、水分以及冻胀等方面表现出更佳的改善效果。因此,在冻土区高铁路基土中掺入微胶囊相变材料,对改善路基冻胀的发生具有一定的工程意义。     

季节冻土区高速铁路路基冻胀监测系统及冻胀规律研究

季节冻土区修建高速铁路的主要问题是路基冻胀. 依托我国东北、华北多个高速铁路路基冻胀监测工作实践,研究了一套冻胀监测系统的构建方法并成功应用于哈齐客专、大西客专、牡绥线等路基冻胀监测工作中. 综合监测成果,对高速铁路路基冻胀规律进行了分析,对冻胀原因进行了总结. 结果表明：冻胀监测系统应充分考虑严寒、低温、高速条件下,利用先进传感器及物联网技术来实现各子系统集成;季节冻土区铁路路基冻胀存在一定规律可循,季节冻土区铁路路基冻胀不可避免但是可控. 填料质量是防冻胀控制的根本,施工质量过程管控是基础保障.     

土体冻结过程中的热质迁移研究进展

土体的冻胀，融沉问题归根结底是热质迁移问题，文章概述了近年来在国际上有关这方面研究的新成果，总体上讲，冻结缘的厚度，分凝冰形成温度以及冰透镜体形成条件等作为热质迁移试验研究的重点受到关注，质的迁移研究不仅仅限制在水分的迁移，而且对于矿物质，溶质，气体等的迁移以及对水分迁移的影响都有不同程度的研究，对于冻胀预报模型，已从经验型过渡到依据基本物理，力学，热动力学理论而建立的理论模型，今后的研究发展方向是加强室内参数测试水平以及对理论模型的普遍性验证。     

砂-砂砾换基防治渠道冻胀的研究

本文依据140组渠道工程上的实测数据,建立了残留冻胀率与换填比间的定量关系,据此得出了在地下水深埋和浅埋两种情况下,不同土质所要求的换填比。同时根据冻胀试验场220组粗粒土敏感性试验资料得出,当冻层与地下水距离大于或小于50cm时,应分别控制砂砾料内含土量不大于10％和5％。文末提出了防治砂砾料被含砂渠水污染及设立排水设施以保证换填防冻效果的两项措施。     

补水压力对土体冻胀的影响北大核心CSCD

为了研究冷端温度、土质和补水压力对土体冻胀影响的强弱以及现行评价土体冻胀敏感性的方法在土体有压补水冻结时的适用性,开展了三因素三水平的冻胀正交试验。基于灰色关联度法得到的结果表明,影响土体冻胀率的因素由强到弱依次为补水压力、冷端温度和土质。补水压力、冷端温度与冻胀率的关联度较大,土质与冻胀率的关联度较小。在较高的补水压力作用下,非冻胀敏感性的砂类土产生了明显的冰透镜体,且部分砂类土的冻胀率超过了黏质土的冻胀率。发现仅凭细粒含量评价水压作用下砂类土的冻胀敏感性存在缺陷,应根据土体所处的实际环境进行综合评估。通过讨论冻胀敏感性、融沉敏感性与冻害敏感性之间的关系,提出受水压影响的寒区工程构筑物须通过设置隔水和排水设施以及使用换填法来综合防治冻害的方法,可为相关工程的设计及安全运营提供参考。     

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.     

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。     

季节性冻土区人工盐化路基冻胀模型试验

以青藏铁路西格段季节性冻土区路基冻害为研究背景,在室内分普通和盐化两个试验段填筑路基实体模型,进行封闭系统中反复冻融循环条件下的模型试验,分析冻融循环条件下普通路基和人工盐化路基的温度和位移规律,并探讨水分、盐分的迁移规律。结果表明:路基土体温度与环境温度变化趋势一致,路基土体的温度滞后于环境温度约36 h;越靠近冷端的位置,温度波动范围越大,温度随着深度的增加逐渐减小,温差也随之减小,路基土体温度的波动范围约为环境温度波动的一半;温度是影响水分迁移的主要因素,水分迁移在路基顶面以下一定的范围内达到最大,越靠近冷端,水分迁移量越大;路基土盐化之后冻胀量减小约73.9%,说明人工盐化路基土的方法可以整治季节性冻土区路基冻害。     

基于雷诺护垫的高寒多水路基防护结构冻胀适应性模型试验研究

对冻土环境下的输水干渠边坡的雷诺护垫防护工程进行了模型试验,建立比例尺为1：4的模型,进行两次冻融试验,在试验过程中对雷诺护垫结构段面的冻胀量、冻融过程中土体结构内部温度场分布进行实时监测.试验结果表明：雷诺护垫可以增加热阻,减少能量传递,且护垫下卧土体温度场分布均匀,可有效减小冻深及冻胀量,并抑制不均匀冻胀的发生;在有水份充分补给的条件下,最大冻胀量位置发生在渠底固脚处,其次是渠坡1/3处,设计时应充分考虑该位置的冻胀变形;残余变形最大值在渠底固脚位置,渠坡发生融沉变形,说明雷诺护垫结构本身具有自愈的功能,有比较显著地适应冻融变形的效果.设计及施工过程中要考虑固脚的稳定.     

基于数字图像技术的土冻胀试验系统研究

开展土冻胀过程的研究对于认识土冻胀机理具有重要的意义,以往学者多采用建立模型进行数值分析的方法,但是在试验中却不能对模型预测的冷生构造、冰分凝、水分迁移等实时过程进行验证。通过建立包括实时图像采集系统、图像预处理系统以及图像数字化系统为一体的基于数字图像技术的土冻胀试验系统,对青藏粉土的冻胀发展过程和冰分凝过程进行了研究分析。结果显示：试样冻胀后已冻区纵剖面的冷生构造可以分为微薄层状构造区、薄层状构造区以及最暖端厚层状构造区三个部分,其中薄层状构造区下部的冰透镜体的分凝作用是冻胀的主要贡献部分,最暖端厚层状构造区中冰透镜体的分凝作用导致了试样未冻区的固结,试样中冰透镜体的分凝过程与试样的冻胀过程和试后含水率的结果能够相互验证。建立的试验系统可以对土冻胀过程中包括冷生构造发育、冻胀变形、冰分凝等过程进行实时采集和定量分析,为冻胀模型的建立和验证提供了试验方法和技术支撑。     

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。     

高海拔季节冻土区高速铁路路基水-热-冻胀变形特征研究 ——以兰新客专民乐段为例

兰新第二双线是世界上第一条修建在高海拔季节冻土区的高速铁路,路基填料采用通常认为是冻胀非敏感性材料的粗颗粒土（A、B组填料）。基于2015-2017年军马场-民乐区间（长约38 km）运营期现场监测发现,部分路段仍有较大冻胀量发生,对列车高速运营存在安全隐患。现场监测结果表明：该区间高铁路基平均冻结期为5个月,最大冻深介于3.0~3.8 m,约是天然冻深的2倍,路基2.7 m以上地层最大冻胀量可达27.5 mm。0~0.5 m级配碎石层含水量很低,控制在4%以内,暖季较高,寒季由于冻结而降低;0.5 m以下地层含水量相对较高,介于8%~15%之间,暖季较低,寒季较高,呈现“正弦”式分布,且随着路基深度增加而逐渐减小。路基冻胀发展过程大致可分为三个线性阶段,其中第二阶段（12月中下旬至次年1月中旬）为冻胀发展最快时期,历时约20天可达到稳定冻胀量。