上海人工二次冻融土无侧限抗压强度研究

随着上海地下空间的开发利用,冻结法越来越广泛地用于隧道建设中。为了避免冻结法施工中可能产生的地质灾害问题,有必要对上海软土地区的土体冻融过程中物理力学性能进一步地研究。通过对上海软土某工程3种不同的土样原状土、一次冻融土、二次冻融土进行不同状态下土力学试验,得到了土体在二次冻融循环作用下物理力学特征的变化规律。研究结果对隧道的设计提供了有价值的参考。     

有载冻融作用对深部重塑黏土抗剪强度影响的试验研究北大核心CSCD

深厚表土层冻结法凿井工程中,深部土体由于经历了高压冻融作用,导致其工程性质变化,认识冻融作用对其强度与变形影响,对于冻融病害防治有一定意义。本文通过室内试验对深部重塑黏土进行了有载冻融,并对不同干密度、围压、冻结温度和融化温度条件下的深部冻融重塑黏土进行三轴剪切试验,探讨有载冻融作用下深土重塑土抗剪强度的变化规律。研究结果表明:冻融作用使深部重塑黏土的偏应力-应变关系由软化型转变成硬化型;同时,经冻融作用后其抗剪强度与割线模量都产生了一定的下降,在本试验条件下,抗剪强度最高下降了48.8%,割线模量E_()最大下降了72.0%。通过对各影响因素的显著性分析,发现初始干密度对抗剪强度和割线模量影响最为显著,围压对两者的影响最弱。     

侧装式弯曲元高压冻融试验装置研制与初步应用北大核心CSCD

研究深土冻融过程的声波响应特性,对于声波技术应用于深厚表土层人工冻结工程有重要意义。深土原位冻融始终处于高地应力环境下,但目前声波测试装置尚不具备高压冻融条件下的测试功能。为此本文结合弯曲元测试技术,研制了侧装式弯曲元高压冻融试验装置,以了解高应力条件下深土冻融过程的剪切波速。该试验装置主要由试样承压舱、加载系统、控温系统、数据采集系统和弯曲元测试系统构成。系统核心单元——试样承压舱采用双层筒结构,内筒为聚四氟乙烯筒,外筒为钢筒,弯曲元探头设置于内层筒侧壁。通过数值计算确定内筒壁厚8mm,外筒壁厚15mm,该结构可满足高应力下承压舱的抗变形、隔热和隔振要求。利用弯曲元测试系统研究了声波走时确定方法,以及激励波形和频率等测试参数。根据测试结果,本试验条件下声波走时采用初达波法确定,激励波形采用方波,高密度冻土和未冻土的激励频率分别选择4kHz和5kHz。最后,利用该装置测试了有载条件下深部黏土不同负温下的剪切波速,初步验证了装置的适用性。     

大埋深粘土三轴高压卸载变形与强度特征

以取自山东巨野矿区埋深近 4 30～ 6 0 0m的深部粘土样为例 ,分析测试了土的常规物理力学性质参数。考虑该埋深土的天然应力水平及其在煤矿建井开挖中的卸载应力变化 ,在三轴伺服仪上 ,进行三向等压分别达 11MPa、12MPa、14MPa下的卸除围压、保持轴压的三轴高压卸载试验 ,分析了深部粘土三轴高压卸载变形和强度特点 ,得到了相关力学参数。成果丰富了土的高压卸载力学性研究 ,并为巨野矿区煤矿立井建设提供了工程地质基础参数     

冻融作用对青藏粘土工程性质的影响

以青藏粘土的重塑饱和土样为研究对象,使土样在封闭系统下经历一个冻融循环,通过试验考察土的工程性质在冻融作用下的变化规律.试验表明: 冻融循环对不同初始密度的土具有双重作用,使低密度的土变得密实,而高密度的土密度降低.密度变化的同时,其力学性质也发生相应的变化.试验分析了在相同冻结条件下,随着初始密度变化冻融后力学参数的变化规律.     

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。     

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     

冻融作用对冻土区路基边坡的影响

在冻土地区公路建设中,由于冻融作用的存在,路基边坡土体的力学性质在周期性的冻融作用下极易发生变化。选取不同条件下的青藏公路典型路基边坡为研究对象,通过有限差分法对边坡进行剪应变对比研究。结果表明,在冻结条件下土体冻结时剪应变变化量很小,处于较稳定状态;而消融到最大状态时在含水量大的冻融界面形成软弱带,剪应变变化量很大,路基边坡处于欠稳定状态。冻融条件下土的粘聚力、内摩擦角、重度的折减引起该边坡整体抗剪强度不足,致使路基边坡有较大的剪应变。      

“开敞系统”下单向冻融试验装置的研制与应用

季节冻土区的冻胀和融沉作用显著,对该地区构筑物造成了不同程度的冻害破坏,尤其对地下水埋深较浅区域尤为严重,故开展可对大尺寸模型进行不同地下水水位下单向冻融过程模拟的系统装置的研制,具有重要的科研意义和工程价值。研制的该冻融系统装置,主要包括箱体结构、制冷/热系统、边界温控系统、供电系统、地下水补给系统、保温隔热系统和量测系统等组成。箱体结构由6 mm厚钢板材料制作而成;制冷/热系统主要由基于帕尔贴效应的半导体制冷片组成实现制冷/热;边界温控系统主要依靠电子温控器进行控温;地下水补给系统主要利用改进型的马里奥特瓶进行地下水的补给;保温隔热系统主要采用V0级橡塑保温板;量测系统可根据试验目进行自由搭配组合。使用该试验装置对大尺寸新疆粉质黏土土样进行了在地下水埋深分别为80 cm和40 cm下的单向冻融过程试验研究,试验结果表明:在冻结和融沉过程中,温度的变化速率与土层距制冷/热板的距离成反比;冻结锋面的迁移可分为2个阶段;冻结过程中含水率变化分为快速和缓慢变化2个阶段;冻胀量的变化可分为2个阶段;融沉量的变化可分为3个阶段。温度、含水率、冻结锋面和冻融量变化等试验结果均证明了此试验装置的可靠性,此装置可为研制能对大尺寸模型进行开放条件下单向冻融模拟的设备提供借鉴。     

深部复合地层力学性质研究

为了研究深部复合地层在不同围压、不同软硬层厚度比条件下的力学性质,以水泥和纯白高岭土为原料,人工制作复合地层物理模拟样品进行单轴及三轴压缩力学试验,同时结合FLAC~(3D)数值模拟,研究不同围压、软硬层厚度比对复合地层力学性质的影响。研究表明,人工制作的复合地层可以满足强度差异要求;随着围压升高,复合地层会出现应变硬化,之后由于软硬岩不协调变形,应变硬化消失,软岩中的不规则裂纹增多;若不考虑结构面等因素,深部复合地层力学性质由占比多的岩性决定;数值模拟与试验得出的应力–应变曲线具有相似的趋势,都表明深部复合地层的变形主要发生在软岩部分。     

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%。     

冻融循环作用下城市污泥固化土动强度特性研究

污泥具有高含水率、力学性质差和污染物含量高等特点,可以通过固化技术将其转化为固化土,达到城市污泥安全处理与合理利用的目的。为了得到在多变的自然气候环境影响下固化土的动力特性,以城市污泥固化土为研究对象,在不同冻融温度和不同冻融循环次数条件下,通过动三轴试验仪对城市污泥固化土进行多振次循环动荷载试验,探讨其在经历不同冻融温度和不同冻融循环次数后的长期动力力学指标变化规律。试验结果表明,污泥固化土破坏形式呈现脆性破坏的特征,并具有明显的剪切面;在低温冻结和多次冻融循环耦合作用下,随着冻融温度降低和冻融循环次数的增加,污泥固化土的轴向应变增速和最终值会随之增大,动强度亦随之降低;对不同时刻动应力-应变曲线进行分析,得到不同冻融温度循环条件下城市污泥固化土动强度与冻融循环次数的关系式,为城市污泥固化土动强度计算提供理论依据。污泥固化土静、动长期强度随冻融次数的变化规律基本一致,在其他条件相同的情况下,污泥固化土静长期强度明显大于其动长期强度。     

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。     

基于冻融作用的氯盐渍土−钢块界面力学模型

在中国西北特殊气候环境下冻融作用是一种风化过程,反复改变着土体的微结构和物理性质,强烈影响着土体与结构的相互作用。针对冻融作用对盐渍土?结构接触面力学特性的影响,进行不固结不排水直剪试验,开展了冻融次数、含盐量、基质吸力等因素对非饱和氯盐渍土?钢块接触面力学性能影响的相关研究。试验结果表明,不含盐时接触面力学参数（黏聚力与内摩擦角）随冻融次数增加均先增大后减小,含盐时接触面黏聚力随冻融次数增加呈下降趋势,内摩擦角略有所增大;冻融前后接触面力学参数随着含盐量的增大先减小后增大,均存在含盐量阈值;未冻融时接触面力学参数含盐量阈值约为8%,随着冻融次数增加,该阈值有所变化;接触面基质吸力随冻融次数增加大体呈减小趋势并最终趋于稳定,随含盐量增加先减小后增大,基质吸力含盐量阈值约为10%;接触面剪应力?剪切位移分为线弹性变形阶段和强化阶段,竖向荷载较小时表现为弱硬化,未出现明显的应变软化现象。对接触面剪应力?剪切位移适用性模型进行评价发现龚帕兹模型能够与试验结果很好地吻合,据其建立了冻融作用的氯盐渍土?钢块界面力学模型,基于试验数据验证了其可靠性。     

冻融和非冻融条件下包气带土壤墒情垂向变化的试验与分析

冻结层的存在使得寒区有着与非寒区差别明显的水文循环过程,土壤冻融规律、水热盐运移、融雪水入渗等已成为众多学者的研究对象. 寒区低温条件下冻融土壤持水性质与非冻融土壤不同,其包气带冻结层往往具有弱透水性、蓄水保墒和隔热减渗的作用,使得寒区春季冻结层土壤的墒情较高. 以冻融土壤和非冻融土壤墒情对比监测为基础,选取地表以下100 cm的土壤为研究对象,在黑龙江大学呼兰校区设置冻融和非冻融对比监测试验场,同时段、同频率、同埋深（间隔 20 cm土层）进行土壤结构、水热及环境参数监测. 通过对比分析了不同埋深不同冻融阶段的墒情参数,量化了低温冻融条件下土壤墒情较非冻融土壤的高出部分,最后对冻土保墒的机理进行探讨与分析. 结果表明：冻结条件下土壤水分重新分布,在土水势的作用下由非冻结区向冻结区迁移. 初冻期地表土壤墒情达到最大,冻结期土壤最大墒情值随冻结锋面迁移分别在20、40、60 cm处达到最大,稳定冻结期和融化初期在80 cm处达到最大;土壤最大墒情值一般在冻结锋面前沿的10～20 cm处,较好地保持了土壤水分. 无论是从空间（不同埋深）还是时间（不同冻融阶段）角度分析,冻融土壤含水率均大于非冻融土壤,二者含水率的差值随埋深和冻融阶段的推移而加大,在稳定冻结期80 cm处达到最大,差值量可达6.4%～7.8%.     

冻融作用下PPF稳定土力学性能研究

为了研究冻融作用下外加材料稳定土的力学性能,以一种国产土壤固化剂（TG固化剂）加固低剂量水泥石灰稳定土为研究对象,通过冻融前后的无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验和抗压回弹模量试验,研究不同压实度、聚丙烯纤维（PPF）掺量稳定土的力学性能。结果表明：稳定土的抗压强度、劈裂强度及回弹模量均随冻融次数的增加而降低,经历6次冻融循环后,强度、模量损失率基本稳定。冻融前后稳定土的抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量以及强度、模量的残留百分比均随着压实度和PPF掺量的提高而增大。结合工程实际情况,选取压实度为95%,0.2% PPF综合稳定土进行冻融试验,得到抗压强度残留比（BDR）达到59.32%,质量变化率仅为6.28%,研究表明,PPF综合稳定土具有优良的冻稳定性,可用作路面基层材料。     

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。     

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。     

冻融环境下黄土微结构损伤识别与宏观力学响应规律研究

冻融环境下黄土物理力学性质劣化是寒区工程建设必须要考虑的问题之一,取延安市黄陵县黄土为研究对象,以初始含水率、冻融循环次数为变量,借助扫描电子显微镜、Leica Qwin、Canny算子边缘检测、分型理论定量评价冻融环境下黄土微观结构损伤状态;通过GDS探究不同初始含水率、不同冻融循环次数对试样强度指标的影响,并用显著性理论进行评价。结果表明：随着冻融次数的增加试样内部裂隙不断发育演化,土体内部的大颗粒不断分解为若干小颗粒,骨架连接方式发生转变,由面-面接触转变为点-面、点-点接触;随着冻融循环次数的增加面孔隙度、分形维数不断增大,冻融循环10次后趋于稳定,试样在冻融环境下内部微、小孔隙不断向中、大孔隙转化;随着冻融循环次数的增加试样的黏聚力不断减小,内摩擦角不断增大,冻融10次后强度指标趋于稳定,试验结果与图像探伤结论相一致;对试样黏聚力、内摩擦角进行显著性分析可知冻融循环次数、初始含水率及其交互作用（耦合作用）对试样强度指标有特别显著的影响。