板基法向冻胀力现场试验研究

迄今,国内外有关基底法向冻胀力的资料大多局限于小面积,现场大面积之实测值所见较少,难于在大型板基中应用。本文根据就地试验观测结果,对基底法向冻胀力与基础面积间的关系及分布情形进行了讨论和分析。 试验概况 试验场位于黑龙江省巴彦县东风水库,距输水洞出口80米的渠段上,土质之性质见表1与图1,冻前含水量为26.3％,冻     

基底法向冻胀力的近似计算

目前,国内外许多学者都在进行着法向冻胀力的研究。据文献报道,不同研究者所提出的法向冻胀力值相差很大,小者不足1kg/cm~2,大者超过60kg/cm~2。笔者认为这些值在工程实践中不宜采用,设计者难于遵循。 本文立足于工程实践需要,在室内和现场试验研究基础上,经过理论分析,提出了一个可供工程设计人员在季节冻土地区进行工程结构设计时参考的计算基底法向冻胀力的近似公式。     

法向冻胀力与基础底面积关系的分析

关于法向冻胀力与基础底面积关系的研究,目前国外文献中刊载尚少。而在国内,近几年来,一些单位通过室内和现场试验,对此进行了一定的研究。由于各地的土质、温度、水分条件不同或同一条件下基础型式、埋置深度各异,所以法向冻胀力与基础直径(或边长)关系线的斜率、单位法向冻胀力与基础底面积关系曲线的曲率也有     

切向冻胀力的研究现状及展望

土体冻胀产生的切向冻胀力是制约寒区基础工程建设和使用年限的主要原因, 同时也是基础设计中的一个重要参数, 深入研究切向冻胀力问题意义重大。通过回顾国内外相关文献, 对切向冻胀力目前的研究现状进行了总结： 从切向冻胀力产生的条件和过程角度出发, 详细描述了切向冻胀力产生发展的机理; 阐述了影响切向冻胀力的因素和切向冻胀力的分布规律; 从试验、 理论两方面入手, 简要总结了切向冻胀力的测试方法和理论计算方法; 简述了目前确定切向冻胀力取值的方法。最后, 对切向冻胀力未来的研究方向提出了展望。     

法向冻胀力作用机制探讨

冻胀基土以怎样的方式作用于基础底面,亦即法向冻胀力的作用机制问题,是多年来许多冻土学者一直在努力研究的问题,它不仅关系到能否给出正确的法向冻胀力计算图形,从而较准确地计算法向冻胀力,而且还关系到能否正确地制定防治措施的问题。     

关于法向冻胀力计算方法的讨论

近年来,由于大量水工构筑物遭到法向冻胀力的破坏而引起人们对法向冻胀力的重视,很多设计、科研、施工人员想了解国内外有关法向冻胀力的计算方法及其准确程度,以便在使用中参考。为此,本文简要介绍了一些计算方法及其主要论点,并对它们进行了分析讨论,对其中有些公式还用我们的实测资料进行了核算,希望它能对法向冻胀力的研究有所帮助,并且能为设计人员提供一些可供选择的计算方法。     

寒区破碎岩体隧道冻胀力室内对比试验研究

根据相似理论,以曲墙式、直墙式和圆形衬砌为例,通过模型试验方法研究了寒区破碎岩体隧道在不同约束条件和冻结深度下衬砌所受法向冻胀力(以下简称冻胀力)的量值和分布规律.结果表明:冻结深度越大,冻胀力越大;顶端约束越强,冻胀力越大.对于曲墙式和直墙式衬砌,顶端约束对拱部和仰供处冻胀力影响较大,对边墙处冻胀力影响较小;对于圆形衬砌,顶端约束对整个衬砌所受冻胀力影响程度相差不大;直墙式衬砌受冻胀力的量值最大,圆形衬砌受冻胀力量值最小.对于3种衬砌结构,最大冻胀力均发生在仰供脚处.试验数据与现场测试数据基本吻合,说明试验有较好的准确性.     

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。     

竖向直排冻结条件水平冻胀力试验研究

竖向直排冻结方式常用于软弱地层中斜井掘进和深基坑止水帷幕的冻结法施工中,目前国内外对该冻结方式下水平冻胀力的分布研究鲜见报导。以某斜井冻结工程为背景,推导出温度场、应力场和水分场等相似模拟准则,设计了竖向直排冻结模型试验并细化具体试验方案,利用大型三维模拟冻结试验系统,对竖向直排冻结条件下不同深度土体的水平冻胀力分布特性进行了试验研究。结果表明,竖向直排冻结过程中埋深对水平冻胀力的影响明显,在其他条件相近的情况下同一水平面中水平冻胀力的大小与温度密切相关;冻胀力的变化率主要受冻结锋面位置的影响,距离冻结锋面较近时冻胀力的变化率逐步达到峰值;已冻土体的冻胀力随冻结锋面向外发展而趋于平稳。     

按基础约束范围内冻胀变形计算冻胀力

目前,在土建工程基础的设计中,为了在现场获得土壤切向冻胀力或法向冻胀力资料,最好是按设计基础的尺寸、型式和埋深(法向冻胀力基础)进行直接测定。若设计基础的尺寸过大,不能直接测量时,可用与设计基础相似的小尺寸基础测量,然后换算成大尺寸基础的冻胀力;或根据邻近相似地区同种型式、材料、埋深基础的观测成果,换算设     

再论冻胀量与冻胀力之关系

讨论了新出版的《水工建筑物抗冰冻设计规范》（DL／T5082－1998）（98版）中的地表冻胀量对法向冻胀力影响的问题，认为地表冻胀量是冻胀率沿整个冻深的叠加，法向冻胀力则是在冻结锋面上冻胀应力沿基础影响范围之内的积分，法向冻胀力与地表冻胀量没有直接联系。     

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。     

昆仑山隧道冻胀力现场测试及其数据分析

冻胀力是冻土隧道支护结构产生病害的主要原因之一,为掌握多年冻土区昆仑山隧道冻胀力的分布形态以及随温度变化的规律,进行了现场测试研究。研究结果表明,到目前为止昆仑山隧道整个支护结构是安全可靠的;冻胀力随着气温、季节的变化而变化,2004年后其变化基本趋于稳定,实测到的冻胀力最大值为0.3 MPa,分布于围岩与初期支护之间仰拱部位;初期支护与二次衬砌之间的冻胀力很小,二次衬砌支护强度可考虑适当减弱;运用影响线理论绘制出了冻胀力包络图,其为确定作用于支护结构上的最不利荷载提供了一种合理有效的方法。     

法向冻胀力计算——层状空间半无限直线变形体计算在冻土地基中的应用

国内外有不少学者对法向冻胀力的计算进行研究,但所提出的成果基本上都是经验公式的近似计算。本文提出一个新的计算方法,就是用层状空间半无限直线变形体的力学分析,即双层地基的理论计算来解决季节冻土地区的法向冻胀力的问题。将冻结深度     

负温对基坑悬臂桩水平冻胀力影响的模拟研究

寒冷地区基坑悬臂桩支护工程,在桩后土体水平冻胀力作用下,易出现桩体倾斜、水平裂缝、剪断等问题.负温是水平冻胀力产生的关键因素,采用数值模拟方法,分别模拟粉质黏土、黏土在一定的负温变化下,桩体水平冻胀力的大小和分布模式,结果表明：负温越低,土体冻结速率越大,水平冻胀力越大;桩身范围内,水平冻胀力大致呈上下小、中间大的抛物线型分布,最大值出现在基坑的中下部,为开挖深度的0.5～0.8倍,力值约为冻胀前土压力的2～15倍,同时拟合出最大水平冻胀力与温度、桩顶位移之间的关系公式;此外,桩体水平位移随负温增加而增加,桩顶位置处,冻胀引起的水平位移为开挖引起位移量的0.88～11.38倍.     

基于扩展有限元方法的裂隙岩体冻胀力理论与数值研究

为研究寒区裂隙岩体内冻胀力的变化规律, 从单裂隙入手, 基于弹性力学、 水冰相变理论以及质量守恒关系, 建立了考虑未冻水含量及水分迁移的冻胀力求解模型; 利用MATLAB平台编制程序, 采用扩展有限元方法（XFEM）计算得到了裂隙内冻胀力随冻结时间的演化规律。采用有效体积膨胀系数法计算得到的冻胀力数值解与理论模型计算结果以及其他学者的试验结果吻合较好, 并分析了水冰相变下裂隙尖端应力场, 数值计算结果与理论解吻合较好, 验证了数值方法的可靠性; 通过分析影响冻胀力发展的因素, 指出岩石弹性模量和裂隙几何形状是控制裂隙内冻胀力演化的两个重要因素。     

低温岩体裂隙冻胀力与冻胀扩展试验初探

低温裂隙岩体冻融损伤与断裂破坏一直是寒区岩体工程建设中的关键科学问题。低温下含水裂隙的冻胀扩展演化过程受冻胀力量值的控制,然而裂隙中冻胀力的大小及其演化机制一直存在争议,尚缺乏有效的试验测试方法。通过在类岩石材料中预制不同长度和宽度的宏观裂隙,进行了低温下饱和裂隙的冻胀力测试试验;利用薄膜压力传感器和温度传感器分别对饱和裂隙在低温冻结过程中的冻胀力和冻结温度进行了实时连续的监测,获取了其时空演化曲线。试验结果表明：（1）在冻结过程中,岩体裂隙中冻胀力的萌生是一个突发的过程,其演化过程可分为孕育阶段、爆发阶段、跌落阶段以及平衡阶段;（2）冻结完成后,裂隙冰发生了明显的挤出且裂隙尖端产生了可见的冻胀裂纹;（3）融化过程中,冻胀力跌落较快,但存在滞后现象;（4）对于宽度在2～5 mm范围内的半开口裂隙,从裂隙开口端冻结时,最大冻胀力与裂隙宽度线性正相关;在宽度为5 mm的饱和裂隙中最大冻胀力达到了7.2 MPa。研究成果可为认识裂隙中冻胀力的萌生演化机制以及进行裂隙冻胀扩展计算与分析提供借鉴。     

冻融循环作用下岩石含冰裂隙冻胀力演化试验研究

为探讨寒区裂隙岩体含冰裂隙在冻融循环作用下的冻胀力演化规律,进而揭示疲劳冻融对岩体结构劣化的影响机制,采用自行设计的8通道冻胀力实时监测系统开展了不同岩性、不同裂隙几何形态下的冻胀力测试试验,获取了多次冻融循环中冻胀力演化曲线,并分析了岩性和裂隙几何形态对冻胀力演化规律的影响。研究表明:(1)冻融循环造成岩体结构劣化是冻胀力引起岩体疲劳损伤的过程,每个冻融循环的冻胀力演化过程都经过孕育阶段、暴发阶段、跌落回稳阶段、回升阶段和消散阶段,并且发现了冻胀力回升这一现象;初始冻胀力峰值可作为裂隙岩体抗冻融损伤指标;(2)在多次冻融循环作用下岩体裂隙冻胀力不断暴发、积聚和释放,期间产生的裂隙累积损伤驱动着裂隙持续扩展,引起岩体进一步的疲劳劣化;疲劳冻融作用下,初始冻胀力峰值与二次冻胀力峰值变化趋势可作为裂隙岩体受冻融影响损伤劣化程度的判断依据;(3)岩体结构特性影响冻胀力演化规律,岩体基质的微细观结构影响冻结过程中水分迁移;宏观预置裂隙几何形态影响冻胀力演化规律,扩展程度越大的裂隙积聚出的冻胀力越大。疲劳冻融下冻胀力演化规律的研究可为寒区岩体工程长期冻融稳定性预测及工程建设提供理论依据。     

桩基冻胀力的三维黏弹性问题研究

以地基土冻胀变形理论为基础,从桩基冻胀力与桩侧土体冻胀位移的关系出发,引入经典黏弹性力学理论及Mindlin半空间作用集中力的弹性解,从理论上导出了桩基冻胀力三维黏弹性问题的积分方程表达式。运用单纯形法将室内实测蠕变数据反演得到三参量模型系数,并通过已有文献中现场实测数据拟合得到土体冻结深度、自由冻胀量,以及桩基冻拔位移随时间的函数,用于桩基冻胀力的理论计算。数值算例表明,按上述推导的桩基冻胀力三维黏弹性表达式计算的冻胀力沿深度分布规律与已有计算结果吻合较好。首次以理论的方法得到了桩基冻胀力的"时空分布"三维曲面,能较直观地反映冻胀力的分布规律。     

冻土隧道冻胀力室内模型试验研究

详细地介绍了曲墙式、直墙式和圆形断面隧道衬砌在约束条件、隔热保温层及含水状况等因素变化情况下的相似材料冻胀力室内模型试验,通过分析试验得出不同衬砌断面在各种因素影响下衬砌和围岩间冻胀压力的量值和分布特征,以及由冻胀压力引起的结构内力分布特征。研究表明,直墙式断面受冰胀力最大,曲墙式次之,圆形面最小;曲墙式、直墙式断面冻胀力均呈分布荷载形态,前者拱脚及仰拱脚处冻胀力最大,后者边墙、底板处冻胀力最大。