宜昌市猇亭区膨胀土引发边坡地质问题的分析与研究

宜昌猇亭区膨胀土分布于长江左岸高级阶地之上,属中等膨胀潜势粘土,天然状态下土体强度高,但遇水后产生膨胀变形,土体结构被破坏,强度急剧衰减,土体变形时产生较大的膨胀力。该地区膨胀土滑坡一般具有牵引式滑动、滑面平缓、多次滑动及季节性等特点。膨胀土滑坡的成因分为内因和外因两个方面,其发生的机理为膨胀土体内部因风化营力、胀缩变形及边坡卸荷等作用而形成网状裂隙,裂隙面在水的作用下形成软弱结构面并逐步贯通,在坡体自重、水压力、膨胀力等因素共同作用下形成滑坡。膨胀土边坡的稳定性评价应通过典型地质剖面进行抗剪强度参数反演,膨胀土边坡的治理措施主要通过截排水、支挡、清方等方式综合治理。     

冻结作用对青藏红黏土及兰州粉土微观结构的影响分析

冻土微观孔隙特征是决定冻土体一系列物理、力学性质的基本参数,冻土中存在的冰晶体其体积受温度影响发生变化会影响到冻土的土体微观结构及孔隙特质发生变化。利用可用于负温冻土观测的新型扫描电镜,通过对青藏红黏土及兰州粉土不同初始条件下的土样冻结前后微观结构进行研究分析。结果表明：冻结作用发生后,冰晶生长对周围土颗粒产生挤压作用,导致周围土颗粒的移动和结构破坏,土中大孔隙的数量增多,加之周围小孔隙补给大孔隙中的冰晶进一步生长,出现局部个别大孔隙体积增大,小孔隙体积缩小的现象,表现在孔隙率上为土体在冻结后孔隙率减小;此外,对于粒径级配不同的土体而言,冻结作用对细颗粒土的土体孔隙的尺寸、形态以及排列方式等方面的影响均大于粗颗粒土;同样,初始含水率决定了冻结作用发生后参与改变土体微观结构的冰晶体生长的"量"的大小,在冻结作用对土体结构性破坏的过程中起重要作用。研究成果定量揭示了冻结作用对不同初始条件下的土体微观结构的影响,为研究冻土宏观力学特性和冻胀机制等提供了理论基础与和试验支撑。     

青藏铁路路基下高温-高含冰量冻土旁压试验研究

为研究青藏铁路路基下高温-高含冰量冻土的力学性质,在青藏铁路北麓河试验段开展一系列旁压强度试验。试验研究表明：路基的增加引起路基下多年冻土温度升高,未冻水含量增加,最终导致冻土旁压临塑压力Pf下降31 %,旁压极限压力Pl下降44 %,旁压剪切模量Gm下降80 %。对于高温冻结黏土,富冰冻土和饱冰冻土Gm对温度变化的敏感性高于含土冰层;饱冰冻土的Pf和Pl对温度变化的敏感性高于富冰冻土和含土冰层。     

饱和正冻土中的水、热、力场耦合模型

土体在冻结过程中 ,不论是融土区、过渡区 (指正在形成的分凝冰及冻结缘区 )还是冻土区所涉及的问题不仅是温度场、水分场问题 ,而且涉及到力学场问题 ,并且力学场对土体的变形过程 (冻胀、压密 )及分凝冰的形成起着重要的作用 .依据连续介质力学、热力学原理 ,提出了土体冻结过程中的三场耦合方程 .并指出 ,土体冻结过程中的体积变化与应力状态、补 -排水条件、冻结条件密切相关 ;体变包含弹性部分、孔隙水变化引起的固结或膨胀部分、相变引起的体变及冻土区粘塑变形部分 ;水分驱动力控制着水分迁移量 ,它是由土基质势、溶质势、冰基质势、孔隙水压力及重力势组成 ;冻结缘现象是由于该区各点处的水分驱动力与相变温度同时满足相变条件而形成 ,冻结缘区含冰量的多少取决于冷能供给情况 ;分凝冰的形成及发展是引起较大冻胀的主要来源 ;分凝冰的形成条件由温度场及力学场统一控制 .即温度要达到相平衡条件 ;孔隙水应力除用于抵抗土骨架有效应力外 ,还需克服土颗粒间的粘聚力     

膨胀土干湿循环效应及其对边坡稳定性的影响

膨胀土的干湿循环性状在膨胀土边坡的稳定性分析中占有重要地位。结合膨胀土边坡的现场含水率观测数据和南宁地区大气影响深度的计算结果,确定了室内试验的干湿循环幅度并进行了膨胀土强度干湿循环室内试验,对干湿循环引起膨胀土强度指标衰减的变化规律进行了初步探讨; 在此基础上,结合干湿循环效应对膨胀土边坡进行了稳定性分析。研究结果表明:(1)膨胀土的黏聚力随干湿循环次数递增而减小,第1~2次循环时黏聚力衰减程度最强,但经历2~3次循环后,黏聚力衰减程度减弱,最终趋向稳定; 干湿循环次数引起内摩擦角的波动变化极小,基本保持一恒定值。(2)干湿循环的强度稳定值与稳定时所需循环次数均随含水率变化幅度的增加而减小。(3)由于干湿循环效应,膨胀土的粒间联结产生了不可逆的损伤,致使土体微结构劣化、抗剪强度降低。(4)随着干湿循环次数的增加,边坡稳定性降低,安全系数递减; 结合当地大气影响深度对膨胀土边坡进行干湿循环分层的稳定性分析方法更符合工程实际,可为相关边坡设计和防护的计算参数选取提供参考。     

降雨入渗条件下膨胀土基坑边坡离心试验

降雨是引起膨胀土基坑边坡失稳最主要的因素。以成都某膨胀土基坑边坡为原型,建立了一个0.6 m×0.4 m×0.4 m的相似模型,施加40 g离心加速度及模拟降雨作用,测试模型的变形及含水率特征。结果表明,降雨入渗对膨胀土基坑边坡的影响包括:膨胀土强度降低导致桩后的主动土压力增大,以及导致锚固段抗力降低,膨胀土吸水产生附加膨胀力。悬臂桩支护下的直立型膨胀土基坑边坡形成的破裂面可分为两段:上段为拉张性质,近竖直;下段为剪切闭合性质,呈圆弧型。破裂面的上边界位于坡后1/2～2/3坡高处,下边界位于坡脚。     

冻结过程中单孔冰结晶变形机制研究

孔隙水在冻结过程中产生的冰结晶压力导致了多孔材料的冻胀及破坏。本文通过理论分析分别给出了不同形状晶体的结晶压力计算模型,并分析了经典结晶压力计算公式的使用条件。建立了降温过程中孔隙冰晶生长模型,实现冰晶生长过程中的孔隙变形计算,分析了晶核密度、孔径大小、荷载和冰晶体积对孔隙冻胀变形的影响机制。结果表明：起始孔隙直径和长宽比的增大对结晶变形抑制作用的机理在于减少了冰晶体积中膨胀结晶的比例。荷载对孔隙变形的抑制机制在于,荷载的增大迫使冰晶更多地横向生长（长宽比增大）,导致膨胀结晶所占比例减小。孔隙中的晶体生长有完全填充模式和部分填充模式,在部分填充模式下,晶核密度、荷载和孔径的增大都会导致晶体在孔隙中的填充率增大,从而对孔隙结晶变形产生影响。本模型揭示了单个孔隙中冻胀变形机制,为解决多孔介质的冻胀变形与破坏问题提供了新的思路。     

土工袋加固膨胀土边坡降雨−日晒循环试验研究

为了解复杂气候条件下土工袋加固膨胀土边坡的效果与机制,开展袋装膨胀土边坡降雨−日晒循环试验,观察并分析边坡位移变形、坡面冲刷、降雨入渗等情况,并与素膨胀土边坡进行对比。试验结果表明：素膨胀土边坡在降雨−日晒循环作用下,边坡表面产生的裂隙较多,容易出现土体流失,土工袋则具有良好的反滤和抗冲刷作用,可以减少袋内和下卧层土体的流失,保持边坡的稳定性;土工袋对膨胀土有较好的约束作用,可以有效地抑制其膨胀变形,减小因变形引发边坡失稳的可能性;土工袋有良好的排水效果,雨水能通过土工袋袋间间隙快速地排出,边坡内含水率的增加幅度较小。     

水岩作用下露天矿坑蚀变岩三轴压缩试验分析

本文研究水位升降对边坡稳定的影响。选取莱州仓上露天矿坑边坡蚀变岩样,对不同饱水-失水循环次数的蚀变岩进行了三轴压缩试验。对SγJH粘聚力与循环次数关系、内摩擦角与循环次数关系做了回归分析,考虑到粘聚力受水岩作用影响较大,构建粘聚力与应变软化参数联系方程,描述峰后粘聚力变化。进一步分析饱水-失水溶液成分,讨论饱水-失水循环对蚀变岩力学性质损伤机理。结果表明,随循环次数增加,SγJH内摩擦角呈指数形式减小,粘聚力呈二次多项式形式降低;峰后粘聚力随轴向应变变化规律可用双曲函数描述。关于蚀变岩受水岩作用影响机理,从水物理角度看,SγJH内部的微缺陷进一步发展,导致其力学性质的改变;从水化学角度,SγJH中由蚀变产生的黄铁矿及碳酸盐成分发生水解或离子交换,力学性质发生变化。水位升降时蚀变岩粘聚力变化明显,对边坡稳定性有较大影响。     

我国土冻胀研究进展

土之冻胀,是由于土温降至冰点以下,土体原孔隙中部分水结冰体积膨胀,以及更主要的是在土壤水势梯度作用下未冻区的水分向冻结前缘迁移、聚集,并冻结体积膨胀所致。在自然条件下,地基土及土工构筑物本身土质、水文及冻结条件的不均一性,造成建筑物的不均匀冻胀变形而不能正常运行、甚至破坏,或者即使在冻结时尚能运行,一俟融化便丧失承载能力而破坏。凡上述种种,通常称为冻胀破坏。简称冻害。综观寒区工程,可以断言:土之冻胀作用是季节冻土区各种工程产生冻害的主要原因,也是造成多年冻土区建筑物冻害的主要原因之一。     

单向冻结时土颗粒位移的热筛效应及对流迁移

自然界中不同粒径上颗粒的随机组合造成土体中孔隙分布的随机性。土体冻结时，由于不同孔径中水分势能的差异，导致孔隙不冻结在时间上的有序性，即在相同温度下，粗大孔隙中水分首先冻结，然后逐渐向细小孔隙发展。水分冻结体积膨胀，从而引起粗颗粒土向上抬升，称为热筛效应。     

饱和颗粒正冻土一维刚性冰模型的数值模拟

基于刚性冰模型,应用有限差分法离散方程组,对于饱和颗粒土开放系统的冻结过程进行了一维数值模拟,给出了冻结缘内参数的分布.计算过程中修正了刚性冰模型中分凝冰产生条件,提出以冻结缘内冰压与载荷的关系作为分凝冰产生的判据,计算得到的冻胀量与实验室冻胀实验的测量数据较为吻合.将计算结果与现场实测资料进行了比较,温度场、含水量分布等结果在分布规律方面与现场实测资料相符.     

饱和颗粒正冻土-维刚性冰模型的数值模拟

基于刚性冰模型，应用有限差分法离散方程组，对于饱和颗粒土开放系统的冻结过程进行了一维数值模拟，给出了冻结缘内参数的分布．计算过程中修正了刚性冰模型中分凝冰产生条件，提出以冻结缘内冰压与载荷的关系作为分凝冰产生的判据，计算得到的冻胀量与实验室冻胀实验的测量数据较为吻合．将计算结果与现场实测资料进行了比较，温度场、含水量分布等结果在分布规律方面与现场实测资料相符．     

冻土/岩的液相吸力与固相冰压作用机制

为研究冻土/岩内液相吸力和固相冰压在冻结过程中的作用机制,首先根据热力学基本原理,统一了不同边界条件下的理论冰压方程;然后,联立广义Clapeyron方程和Gibbs-Thomson方程,在阐释液相吸力和固相冰压物理意义基础上,给出了弯曲界面液相水的冻结温度方程;最后,将冻结温度方程引入冻结毛细管模型,将液相吸力方程代入达西定律,分别对固相冰压和液相吸力作用机制进行验证。研究表明：（1）平衡状态下的理论冰压仅与温度线性相关,与边界条件无关;（2）液相吸力来源于理论吸力与固相冰压抵消因子之差,为水分迁移统一驱动力,当固相冰压趋近于理论冰压时,液相吸力趋近于0;(3)固相冰压为绝对压力,可抵消液相吸力,而液相吸力为相对吸力,不可抵消固相冰压;（4）孔隙内的总压力仅为固相冰压,在毛细管冻结时,可达到平衡状态下的理论冰压,故遵循冰压法分凝冰形成机制。研究结果揭示了冻土/岩的液相吸力与固相冰压作用机制,对完善现有冻胀理论具有较高的理论价值和科学意义。     

正冻土中冰透镜体形成力学判据的分析讨论

冻结缘是正冻土中从未冻区向冻结区过渡、并且非常薄的冰水共存带. 由于冻结缘在正冻土中位置的特殊性和其对冻胀的重要性, 从其概念的提出并在试验中得到证实后, 基于冻结缘的第二冻胀理论得到了快速发展. 通过分析近些年冻结缘的研究现状及冻结缘内冰-水压力关系基本可以发现, 由于受到现有观测和测试技术的限制, 描述冻结缘的很多参数大多来自于经验. 土体在冻结过程中, 在温度梯度小的情况下, 可以形成不连续的多层分凝冰. 只有了解冻结缘的特性才能更深刻了解分凝冻胀. 但关于分凝冰的形成判据却有很多种, 主要分为两类:一类是以热物理方面作为判据; 另一类是以力学方面作为判据. 通过对分凝冰形成的各种判据的综合分析和比较, 发现用冰压力和未冻水膜压力判断分凝冰形成是比较合理的, 而用孔隙压力则因为水压力概念的不清而显得模糊. 这些分析将为冻土冻胀理论的研究提供科学参考.     

土壤的冷生构造及其对阿拉斯加土地利用的意义

Cryogenic structure (patterns made by ice inclusions) in seasonally frozen and permafrost-af-fected soils result from ice formation during freezing. Analysis of cryogenic structures in soils is essential to our understanding of the cryogenic processes in soils and to formulating land use management interpretations. When soils freeze, the freezing front moves downward and attracts water moving upward resulting in mainly horizontal lenticular ice formation. Platy and lenticular soil structures form between ice lenses in upper active layer. The reticular soil structure usually forms above the permafrost table caused by freeze-back of the permafrost. The upward freeze-back resulted in platy soil structure and the volume changes following the annual freeze-thaw cycle resulted in vertical cracks. The combined result is an ice-net formation with mineral soils embedded in the ice net. The upper permafrost layer that used to be a part of the active layer has an ice content exceeding 50% due to repeated freeze-thaw cycles over time. The mineral soils appear in blocks embedded in an ice matrix. The permafrost layer that never experienced the freeze-thaw cycle often consists of alternate layers of thin ice lens and frozen soils with extreme hard consistence and has relatively lower ice content than the ice-rich layer of the upper permafrost. Ice contents and thaw settling potentials associated with each cryogenic structure should be considered in engineering and land use interpretations.     

正冻土冻结缘研究现状及展望

湿土冻结过程中, 生长发育于冰透镜体与冻结锋面之间特殊的区间带称为冻结缘带。冻结缘作为温度场、 水分场和应力场三场耦合作用的结果, 是冰分凝的水源补给站, 冰水相变发生的剧烈区域以及水分迁移的必经之路, 具有重要的研究意义, 也是深入认识冻胀机理的基础。通过系统地阐述冻结缘的形成过程、 相关理论与试验、 微结构特征、 参数特征及冻结缘的模型构建等5个方面的研究进展及成果, 结合各个方向的发展趋势提出了冻结缘研究的重点, 即对冻结缘的研究应回归到试验研究, 利用新型测试技术深入对冻结缘微结构的观测, 结合物理参数及结构性参数变化构建耦合的冻结缘模型, 从而揭示其热力学机理, 为冻胀机制分析、 冻土精确预报提供理论支撑。     

基于格子Boltzmann方法的饱和冻土孔隙成冰介观尺度模拟

路基冻胀问题严重影响寒区高速铁路的安全服役,而成冰相变过程是解释冻胀机制的关键。基于介观尺度的格子Boltzmann方法,将修正的孔隙水冻结温度算法与焓法固液相变格子Boltzmann模型相结合,模拟了悬浮液滴冻结和冻土孔隙水成冰两个过程,分别揭示了液态水在自由状态和孔隙束缚状态下冰水相变的细观机制。计算结果表明：土体孔隙中冰晶由中心向外生长的过程与悬浮在空气中的液滴冻结过程截然不同,并且孔隙水越接近颗粒表面,其冻结温度越低。相同粒径颗粒按照不同排列方式得到的冻结特征曲线（soil freezing characteristic curves,简称SFCC）具有明显差异;不同粒径的SFCC随着颗粒增大残余水含量逐渐变少,形态更加陡峭。通过与文献试验结果对比,验证了格子Boltzmann方法的有效性,表明该方法能够为研究多孔介质水气迁移与相变过程提供介观尺度的新手段。     

考虑吸附与毛细作用的饱和冻土SFCC模型

土体冻结特征曲线（SFCC）是对冻土中未冻水含量随负温变化关系的数学描述,是研究冻土水热迁移、冻胀、本构关系等问题的重要基础。目前对于SFCC的研究,其经验表达式居多,而物理机制研究相对较少。通过考虑土颗粒与冰界面的吸附作用及冰相尖点的毛细作用,基于冰水相变平衡压力由吸附压力与毛细压力两部分共同组成,从孔隙尺度提出一个新的饱和冻土SFCC模型。模型计算结果表明,当颗粒半径逐渐增大时,相同温度下未冻水含量将不断减小,SFCC也会变得更加陡峭。基于核磁共振设备对单分散SiO2微球冻融过程SFCC进行测试,试验结果与数学模型进行比较验证,结果表明新的SFCC模型与试验结果吻合较好,且具有明确的物理意义,可以为冻土基础研究提供理论依据。