季节冻土区路基土粒度成分的分形特征

以长春-四平一级公路、长春-松原一级公路及长春北某公路3处路基土样为研究对象,通过大量的室内试验数据,结合分形理论,讨论路基土粒度成分的分形结构,计算分形维数,并将分维数作为描述土粒度成分的指标,探讨其与土体冻胀的形式、冻胀量大小的关系。研究表明：分维数较大时易形成分凝冻胀,冻胀量较大;分维数较小时易形成原位冻胀,冻胀量较小。分维数与土的物理力学性质的回归关系表明,分维在一定程度上表征土的工程地质特征。     

一种易于产生冻胀的冻结模式

选取青藏铁路沿线粉质黏土,进行了一维土样在连续、分步两种不同冻结模式下的冻胀响应试验和数值模拟研究,得到并分析其温度梯度场及土样冻胀量的演变规律。结果表明,与连续冻结模式相比,分步冻结模式更易产生较大冻胀量,其机制主要在于该冻结模式使得冻结缘内温度梯度较大。     

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。     

开放系统下硫酸钠盐对土体冻胀的影响

易溶盐在土中的存在及其在冻结过程中的重新分布对土体的冻结过程有重要影响.在开放系统单向冻结条件下,对青藏铁路沿线粉质红粘土进行了冻结试验.结果表明:随着冷能的持续传递,硫酸钠盐和水分向温度较低处迁移,土体0℃曲线持续降低;但基于测定的含盐土大量冻结温度的基础上,对土体冻深的研究发现,在开放单向冻结条件下土体冻深随着水盐迁移进程的发展而减小,造成与补蒸馏水的土体相比,土体的冻胀较小.同时,利用冻深发展曲线和硫酸钠水溶液相图及溶解度曲线,对土柱中的冻胀和盐胀分别进行了计算,结果认为:土体变形主要是由冻胀引起,硫酸钠结晶膨胀只发生在未冻土段,这与试验结束后对土体冻土段和未冻土段的干密度分层测定的试验结果相一致.     

基于非均质地层参数表征的颗粒流模型构建

非均质地层参数的获取与表征方法是浅层地质体改造的重要依据。基于非均质地层的地质建模,表征具有随机不确定性和模糊不确定性的土体表观参数和物理力学参数。利用 Weibull 分布统计描述局部地层信息,并应用Diamond-Square分形插值方法,结合差分盒子维计算非均质地层分形维数,进一步合理演算整体地层参数。采用PFC3D数值模拟软件,结合马尔科夫链蒙特卡洛方法采样数据,对非均质地层块石颗粒及土颗粒进行建模。通过非均质地层模拟结果,发现其破坏过程与应力应变曲线要比均质土体复杂得多,由于块石大颗粒的含量、分布特性对土样力学性质影响显著。本文建模方法有助于非均质地层参数表征研究。     

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。     

土体一维冻结问题温度场半解析解

针对土体的一维冻结过程,采用考虑土体冻结状态下未冻水存在的等效热容模型,建立了其温度场计算的半解析方法, 并与相关文献中的数值解进行了对比,验证了方法的正确性。对等效热容模型与显热容模型进行了对比, 计算结果表明：在瞬态阶段,显热容模型计算的冻结锋面推进速度较等效热容模型慢;而在接近稳态阶段,显热容模型计算的冻土区厚度较等效热容模型厚。在冻结诱导水流较弱的情形下,土体冻结状态下的持水特性越好,采用显热容模型进行温度场计算产生的误差越显著,并且其计算结果应用于人工冻结设计是偏于不安全的     

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。     

双圈管冻结壁温度场形成特性及影响因素

为研究双圈管冻结壁温度场变化规律，以淮南某矿副井为研究对象，根据其相关地质参数，利用FLAC3D软件数值模拟双圈管冻结壁温度场形成过程以及不同因素对冻结壁平均温度的影响。研究结果表明:双圈管内土体温度最低，两侧温度逐渐升高；冻结孔间距越小，交圈时间越早，内外圈管交圈之后形成封闭的未冻承压水仓，对冻结壁不利，冻结锋面向内侧扩展速度大于向外侧扩展速度；双圈管冻结壁平均温度与冻结时间呈对数关系下降，有效厚度在内外圈管交圈后增长十分明显，且与冻结时间呈对数关系上升；双圈管主、界面温度场曲线随冻结时间近似由马鞍形分布逐渐转变为梯形分布，界面温度场扩展速度大于主面温度场；土体初始温度、盐水温度及导热系数对冻结壁平均温度影响均较大，土体初始温度和盐水温度越低、导热系数越大，冻结壁平均温度越低。研究成果为相关冻结工程的设计和施工提供参考。      

兰州地区黄土水平冻胀力分析

为研究不同含水率黄土在一维冻结融化过程中温度场和水平冻胀力的变化特征规律,选取兰州地区黄土进行了封闭系统下的一维冻结融化试验。研究结果表明:土体的降温过程分为四个阶段,降温冻结初期各深度土体的温度下降速率较快;土体温度下降到0.4 ℃时降温曲线出现转折点,土层各深度降温速曲线出现近乎平行于横坐标的平稳段;冻结后期各深度土体的温度下降速率较慢。最大水平冻胀力沿着土体深度先是稳定变化较为小,然后增大到最大值最后减小。水平冻胀力最大值随含水率有很明显的变化,含水率越高水平冻胀力越大,而其他值的大小受含水率的影响较小,水平冻胀力最大值出现在相对深度0.6～0.8处。     

辽西地区风积土冻融特征的试验研究

针对辽西地区的风积土进行了单向冻结试验,研究了土样在冻结过程中的温度变化规律和温度梯度对冻胀的影响;分别针对封闭系统和开敞系统进行了有外加荷载和无外加荷载作用下的冻融试验,对在一定温度条件下荷载和水分对风积土冻融性质的影响进行了试验研究,获得了温度、外荷载和水分对冻融影响及其冻融演变规律。研究结果表明,温度和温度梯度是影响土体冻胀的主要因素,而外荷载主要对融沉的演化过程和最终冻胀量产生影响,水分的迁移则主要对冻胀的演化过程产生影响。     

季节冻土区高铁路基冻胀研究进展及展望

随着我国高速铁路建设的快速发展,穿越广阔季节冻土区的高速铁路越来越多,工程面临的冻胀问题已成为研究和工程人员关注的焦点,并取得了许多研究成果。基于前人研究,总结了我国季节冻土区高速铁路路基冻胀特点和分布规律,探讨了高铁路基粗颗粒填料的冻胀特性及其影响因素,分析了路基在冻融过程中水热变化情况,讨论了现有高铁路基防冻害措施以及其适用性。在此基础上,提出季节冻土区高铁路基冻胀研究面临的主要问题及展望,为季节冻土区高铁路基冻胀及其防治工作研究提供新思路。     

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。     

青藏粉质黏土单向冻结冷生构造发育及冻胀发展过程试验研究

通过对青藏饱和粉质黏土进行开放条件下的单向冻结试验,并结合土样冻结过程的图像数据,分析土样在单向冻结过程中冷生构造的发育和冻胀变形的发展规律,得到以下结论：试样冻结稳定所需时间为26 h左右,基本不受顶板温度变化的影响,但土样冻结后形成不同冷生构造带的位置及薄厚与土样顶板温度（顶底板温度梯度）密切相关,顶板温度越低,微薄层状和薄层状构造带的厚度越大,最暖端厚层冰透镜体以及未冻土部分整体状构造带的厚度越小。研究结果还表明,土样的冻胀变形经历了快速冻胀、稳定冻胀和线性冻胀3个阶段,其中线性冻胀阶段是冻胀发展最快的阶段,也是冰透镜体生长最快的阶段。研究成果揭示了土样单向冻结过程中冷生构造发育和冻胀发展的动态过程,为冻胀机制的认识以及冻胀模型的建立与验证提供了试验基础。     

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。      

隧道水平冻结施工引起地表冻胀的历时预测模型

隧道水平冻结施工过程中,土体冻结引起体积膨胀,进而会在地表产生冻胀现象。实际工程一般采用多根冻结管形成冻结壁。冻结壁交圈前,地表冻胀由多个冻土柱的叠加膨胀变形引起;冻结壁交圈后,地表冻胀则由整个冻结壁的膨胀变形引起。鉴于此,考虑冻结壁的形成过程,基于随机介质理论,建立了隧道水平冻结施工引起地表冻胀位移的历时预测模型。同时对冻结外锋面半径和冻胀区域外半径这2个关键参数的取值方法进行了相关探讨。最后针对两个工程案例,采用该计算模型对地表冻胀位移进行分析,得到地表冻胀位移随时间的变化规律,并与现场实测结果相比较,验证了模型的可靠性。该模型应用于隧道水平冻结施工前、冻结期内任意时刻的地表冻胀位移预测,可为工程冻结实施方案的合理确定提供有效依据。     

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。     

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.     

封闭系统单向冻结淤泥质黏土水分迁移特性研究

高含水率饱和淤泥质软黏土在封闭系统中由冻结引起的土体内部水分迁移是影响其冻胀速率的重要因素。为揭示冷端温度对沿海软黏土水分迁移特性的影响,采用上海第四系滨海-浅海相淤泥质黏土,在-5~-20 ℃冷端温度条件下开展了封闭系统单向冻结试验,测定了试样冻胀量及沿着温度梯度方向的试样温度,得到了冻结锋面高度随冻结时间的发展规律、引起水分迁移的临界温度梯度、水分迁移入流通量及入流速率。结果表明:试样冻结锋面高度是关于冻结时间的函数,其拟合公式形如X(t)=t(at+b)-1;冻结区内温度梯度降低至临界温度梯度是水分迁移起始的判据,随着冷端温度的降低,临界温度梯度线性增大;水分入流速率随冻结时间的延长先增大后减小,水分入流通量-冻结时间曲线随冷端温度的降低由“S型”逐渐趋于线性;结合临界温度梯度-冷端温度关系式和冻结锋面高度-冻结时间拟合公式,可预测某一冷端温度条件下封闭系统单向冻结过程中试样内部水分迁移的起始时刻。以上试验结果有助于推进封闭系统单向冻结过程中高含水率软土水分迁移特性的定量研究,为沿海软土地区冻结法施工中冻胀量预警提供重要参考依据。