高压条件下土的冻融试验装置研制及应用

深部土体冻融后的物理力学性质对深部人工冻结工程意义重大. 针对该问题, 在以往土的冻融试验装置的基础上, 设计出适用于高压条件下土的室内冻融试验装置, 并给出了高压条件下土的冻融试验方法. 基于该装置, 对有压条件下兰州黄土在不同冷端温度下的单向冻结特征进行了试验研究. 结果表明: 无压单向冻结过程中土的变形以冻胀为主, 而高压情况下则主要表现为压缩变形. 在有压单向冻结过程中, 试样内部仍然存在着明显的水分重分布过程. 试验分析表明, 该试验装置能够为高压条件下土的冻结特征及冻融作用后土的物理力学性质研究提供技术支持.     

不同冻结方式下盐渍土水盐重分布规律的试验研究

土体的冻融历史在土体的冻胀预报和评估的作用不可忽略,不同的冻结方式将影响土体中的水盐重分布及干密度的变化差异。选择土样底端温度相同情况下的单向冻结、正弦波曲线冻融循环和负温循环冻结3种冻结作用模式,对青藏高原铁路沿线红色粉质黏土进行了试验研究,分析了3种冻结模式下土体的冻胀量的变化、水分和盐分的重分布状况以及土体干密度的变化规律,试验结果表明单向冻结过程由于冰的自净作用,阻止了盐分的迁移;土体周期冻融循环后变形具有不可累加性,盐分在随水分发生对流迁移的同时会发生由浓度梯度诱导的扩散迁移;在冻融作用下,土体的压密变形是客观存在的,即体现了冻融对该试验条件下土体结构的强化作用     

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。     

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。     

非饱和粗颗粒土体的冻结试验研究

按照实际工程中路基填料的级配要求配制试样,在考虑覆盖层和补水条件下进行室内单向冻结试验,开展了土质、温度梯度和温度边界条件对非饱和粗颗粒填料冻胀特性的影响研究。试验结果表明：土质、温度梯度和温度边界对粗颗粒填料的冻胀特性影响显著。其中混合细粒的冻胀量最大、黏质黄土次之、粉质黏土最小,且其对应的试样顶部、冻结锋面处的含水量及外界补水量均具有相同的大小关系。温度梯度越大,冻胀量越大,试样顶部含水量越高,但冻结锋面处的含水量变化比较小,同时外界补水量越小。试样冷端温度边界越低,冻胀量越小,试样冷端含水量越小,但外界补水量越大。     

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。     

粉质粘土的冻胀特性研究

利用冻胀试验装置,对京包、包兰线上冻害频发地段的粉质粘土进行了开敞系统中的一维冻胀试验,分析了不同环境冻结温度下土样冻结和冻胀的全过程。试验结果表明:(1)粉质粘土属冻胀敏感性土,土质加上外界水分的补给是该地区出现冻害的主要原因;(2)环境冻结温度直接影响土样的冻结过程进而对冻胀量产生影响,土样的冻结深度随环境冻结温度的降低而增加,开敞系统中土样的冻胀量随环境冻结温度的降低而减小;(3)土样的冻胀率和冻结速率之间成反比关系,冻结速率非常小的情况下,冻结深度几乎不再增加,但土冻胀率较大。     

粉砂土反复冻胀融沉特性试验研究

针对深季节冻土区的特殊环境,通过室内试验研究了粉砂土在不同初始含水率、干密度、荷载、冻融次数条件下的反复冻胀、融沉特性。研究结果表明：粉砂土的冻结温度为-1.03 °C;其冻胀融沉变形随冻融次数的增加呈现波浪式起伏变化,并最终趋于稳定状态;经历多次冻融后,干密度较大试样整体表现为膨胀,干密度较小试样整体表现为压密;上部荷载在抑制冻胀的同时加大了试样的整体融沉变形,却降低了每次冻融的冻胀率和融沉系数;存在一个最优初始含水率,该含水率条件下,试样经历多次冻融后的高度不发生变化;由于外界水源的补给,冻融后试样内部含水率均大于初始含水率;干密度和顶端荷载的增大均有效地抑制了外界水源的补给;4次冻融循环后,粉砂土的冻胀率、融沉系数均逐渐趋于稳定。     

辽西地区冻风积土水分迁移特征的研究

对辽西地区的风积土进行了冻结过程的水分迁移试验,获得了含水量随温度和时间的变化规律;基于连续介质力学和热力学理论,建立了冻结过程中水分迁移的动力学模型,并采用差分解法进行了数值模拟分析;借助于扫描电镜从微观上研究了冻结过程中试样内部土颗粒的排列变化,从而揭示风积土的水分迁移特征。研究结果表明：时间和温度决定了水分迁移的充分性,温度的变化随深度的增加而具有衰减性,并且在冻结峰面附近形成一个冻结含水量峰值;在靠近顶端的一定深度内,冻结后的含水量并没有持续增加,反而有减小的趋势;通过扫描图像可以看出,土颗粒的重新排列直接反映了水分迁移的状态。     

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。     

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。     

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。      

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。     

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。     

BP神经网络在冻土路基变形预测中的应用

在青藏铁路冻土路基现场实测资料的基础上，用改进的BP神经网络建立起了路基变形与地温、路基高度和上限之间的非线性映射。对某一典型路基第30年的变形进行了预测，结果显示路基的累计融沉量在冻胀量的两倍以上。从绘制的路基变形过程曲线可以很清晰地看出路基一年中的变形趋势和冻胀融沉区间。在4月份以后，路基的变形由冻胀向融沉转变，变形与地温有很好的正比关系，但是当地温升高到一定值时，路基的融沉量便不再随着地温的升高而增大。路基的冻胀与地温的关系也有相似的规律，说明地温对路基变形的影响存在一个比较明显的区间，在这个区间范围内的温度对路基变形的影响较大，这为控制路基的病害提供了一个比较有价值的信息。     

浅覆土下矩形冻结加固的模型试验研究

为获得浅覆土下矩形冻结加固体的温度场分布及冻胀变形规律,以广州地铁6号线穿越3号线的冻结工程为原型,根据相似理论,设计进行了水平冻结的模型试验。结果表明,在地表散热的影响下浅埋冻结工程中紧邻地表的冻结区域降温速度较慢,形成的冻结壁是整个加固体的薄弱环节;冻结过程中冻结壁向内发展较快,其平均发展速度是向外发展速度的1.5倍左右;形成封闭的冻结壁前,采用较高的盐水温度进行冻结,可有效地控制土体的冻胀变形,冻结壁封闭后,降低盐水温度,冻胀变形会明显增加;冻胀过程中产生的冻胀力对上部土层有压密作用,使土层的冻胀变形随着埋深的变浅而减小;对于浅埋矩形地下冻结工程,上部覆土和冻结加固体之间相互影响作用明显,上部土层的散热会影响冻结加固体内温度场的分布规律,而下部冻土的冻胀作用也会压密上部土层。     

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。