我国季节性冻土区公路路基冻害及其防治研究进展

近年来,季节性冻土区公路路基冻害研究已取得了长足的进步,但是,因受气候、环境、冻融循环等不同因素的影响,季节性冻土区公路路基冻害问题依然突出.随着国家公路规划网的逐步实施,将有更多的公路工程向季节性冻土区推进,为了将已有的研究成果更好地应用于工程实践,需对其进行综合评述.基于前期的研究基础,总结我国季节性冻土区公路路基冻害的主要破坏形式及分布区域,讨论影响路基冻害的几个主要因素,分析和总结已有公路路基冻害防治措施的研究现状,提出季节性冻土区公路工程面临的问题和研究建议,为深化季节性冻土区公路路基冻害及其防治研究提供新思路.     

冻融循环下加筋膨胀土边坡稳定性模型试验

控制边坡在冻融循环中的劣化作用,可保障季节冻土区域膨胀土边坡长期稳定。为确定土工格栅对膨胀土边坡在冻融循环过程中的稳定效果与工程意义,本文开展了膨胀土边坡模型试验,对比冻融过程中边坡内土压力、含水率、位移、温度变化。结果表明：土工格栅可约束膨胀土冻融裂缝,使裂缝发育更为均匀一致,同时减小边坡位移;加筋材料能抑制边坡水分迁移与热传导并减小土压力变化;对膨胀土边坡加筋处理可显著降低含水率波动幅值,从而减小膨胀土受含水率变化引发的胀缩劣化;不同于普通黏土,膨胀土边坡冻融循环中呈现冻缩融胀特点,而边坡加筋可有效提升冻土区膨胀土边坡的冻融稳定性,具有工程应用价值。     

冻结作用下非饱和黄土水分迁移试验研究

通过室内大尺寸非饱和黄土冻结作用下水分迁移试验,开展了土体密度、含水量、冻结温度、冻结方式对非饱和黄土水分迁移影响的研究.试验结果表明:冻结过程中土样温度变化分为3个阶段:急剧降温阶段,缓慢降温阶段,稳定阶段; 干密度越大,稳定冻结锋面的水分迁移量越大,但冻结区的整体水分增量越小; 初始含水量越大,水分迁移量越大,并且在冻结锋面处含水量增幅越大; 在未冻结区,从邻近冻结锋面到暖端,含水量先增大后减小,初始含水量越小,这种现象越明显.此现象是冻结界面抽吸力、温度梯度和基质吸力梯度共同作用的结果.冻结方式直接影响已冻结区的含水量分布和水分迁移总量.     

季节性冻土区土钉边坡支护结构冻融反应分析

季节性冻土区边坡支护结构往往受冻融循环作用而发生破坏,对边坡支护结构造成很大的安全隐患。结合兰州地区某实际工程,应用大型非线性有限元软件ADINA中的热-流体-固体耦合分析模块建立了季节性冻土区土钉边坡支护结构的有限元模型,开发了土体在冻胀、融沉时的本构模型,并用实测结果考证了程序的有效性。然后采用二次开发的软件分析土钉边坡支护结构在冻融循环作用下的反应特性及规律。分析结果表明:在冻融循环作用下,每层土钉钉头附近轴力值增加最大,沿土钉轴向增加值逐渐减小;轴力相对增量沿坡高逐渐增大;水平位移、坡顶地面沉降量均因冻土融化使得含水率增加而突增。研究结论可为季节性冻土地区边坡支护的设计和施工提供参考。     

掺微胶囊相变材料粗粒土的冻胀试验研究北大核心CSCD

微胶囊相变材料(PCM)是一种可以通过转变形态而影响温度变化的材料。为了研究相关材料对路基土冻胀的影响,对普通粗粒土及掺入不同含量(5%、8%、10%)微胶囊相变材料粗粒土进行单向冻胀试验。结果表明:与普通粗粒土相比,掺入微胶囊相变材料能延缓粗粒土的温度变化,且土体具有较高的温度终值;同时,能对土样冻结深度的发展产生影响,降低粗粒土最大冻结深度值;也能减弱粗粒土的水分迁移能力,土体的补水量以及最终含水率均有不同程度的减小;掺入微胶囊相变材料能抑制粗粒土冻胀的发展,冻胀量以及冻胀率均得到一定程度的减小。比较掺入5%、8%和10%含量微胶囊相变材料粗粒土冻胀试验结果发现,更高含量的微胶囊相变材料在影响粗粒土的温度、水分以及冻胀等方面表现出更佳的改善效果。因此,在冻土区高铁路基土中掺入微胶囊相变材料,对改善路基冻胀的发生具有一定的工程意义。     

冻融循环对多年冻土区石油迁移影响试验研究

多年冻土区石油污染物迁移过程和特点、污染定量评价、防治和治理措施研发,都是目前寒区经济发展和能源开发迫切需要解决的重要课题.通过室内试验对土体温度场分布、水分分布和石油总量分布的监测分析,研究了冻融循环作用对迁移过程的影响机制.试验结果表明,冻融循环作用通过影响石油污染物本身的物理性质、土颗粒对石油污染物的吸附作用和土体内水相的分布和相状态,影响了石油污染物的迁移过程.原油黏度随温度的降低逐渐增加,使得原油在土体中的迁移能力降低.冻融循环是油水迁移的主要驱动力之一,随着冻融循环的增加,石油污染物和水分向上迁移并聚集,石油随土样高度增加逐渐减小,而水分随高度增加而增加且在一定的位置聚集.研究成果可为多年冻土区石油污染迁移过程和定量评价及防治治理提供重要基础和参考.     

季节冻土区黄土路基水分与温度变化规律研究

为研究季节冻土区压实黄土路基变形的影响因素,通过现场监测得到路基水分场与温度场的变化规律,并结合室内试验与数值模拟分析路基变形规律. 结果表明,天然地面以上路堤土体具有明显的季节性,水分场及温度场变化剧烈,而天然地面以下土体温度场及水分场变化较平缓,季节性不强. 路堤最大冻深约1 m,经历强烈的冻融循环和干湿交替过程,含水率变化量为5%~29%. 冻融循环作用在路肩处产生的变形较大,而干湿循环作用在路基中心处产生的变形较大,且后者引起的变形大于前者.     

基于温度路径的冻融作用下黄土强度及微观结构研究

在季节性冻土区,冻融作用诱发黄土滑坡的本质是冻融循环作用下黄土物理力学性质的劣化,探明冻融作用下温度以及水分迁移对黄土强度的影响及其机制是必要的。以山西省柳林县某黄土边坡为例,采用一种新的冻融循环方式即按照土体每年历经的温度路径进行冻融循环,研究在温度动态变化的冻融循环作用下土体的抗剪强度变化规律以及反复冻融循环作用对土体黏聚力、内摩擦角和微观结构的影响。结果表明:在一轮冻融循环过程中,土体强度与温度呈负相关关系,低温对土体强度影响较大。随着冻融次数的增加,土体黏聚力呈指数函数下降,内摩擦角几乎没有明显变化。微观试验表明,随着冻融次数的增加,土体内大颗粒破碎化,孔隙增多,表现为颗粒趋于均一化,中等大小(5~10 μm)孔隙占比最大。本次研究模拟了土体经历的温度变化过程,为该地区季节性冻融型黄土滑坡防治提供了借鉴作用。      

温度变化条件下重塑黄土水分迁移试验

土体内部由于所处环境差异会造成水分场的不均匀分布,为了探究不同影响因素下重塑黄土水分迁移的规律,配置不同干密度、初始含水率水平的重塑土样,在不同温度梯度、不同温度水平下进行重塑黄土水分迁移室内试验,分析在4种不同因素变化下黄土体内部水分场的变化规律及机理。结果表明:土样两端施加的温度梯度越大,水分迁移速率就越快,温度势是引起土体内部水分迁移的主要驱动力;土样的干密度越大,基质势越大,同时渗透系数越小,阻碍了水分的迁移,故水分迁移速率越慢;当土样含有较大的含水率时,由于渗透系数较小,造成迁移速率较小,当土样初始含水率较小时,由于总土水势较小,造成迁移速率较小,当初始含水率在一定范围内时,其迁移速率较快;在土样两端施加的温度水平越低,导致总土水势越大,故水分迁移速率越快。      

非等温条件下道路水分迁移的数值模拟

通过分析季节冻土区的温度分布规律,建立了温度随时间的变化函数.在此基础上,基于连续介质力学和热力学理论,建立了道路水分迁移过程中的水热耦合动力学模型,并对季节性冻土地区的水分迁移现象进行数值模拟分析,初步探讨了在非等温冻结条件下,水热耦合过程中路基填料的含水量和温度随时间和深度变化的关系,计算结果表明,冻结过程中在冻结峰面附近形成一个冻结含水量峰值,且该峰值随着冻结时间的延长而向深度发展,这对于路基路面的综合设计,道路冻害的预报有着重要的理论意义和实际应用价值.但要真正体现道路路基水分迁移的机理,有待于建立水分迁移过程中水、热、动载和渗流耦合模型,这是有待于进一步解决的问题.     

基于水-热-力耦合模型的钻孔灌注桩承载力影响因素分析

针对广大寒区普遍存在的冻胀-融沉影响桩基承载力问题, 以清水河大桥灌注桩为例, 基于建立的饱和冻土水-热-力三场耦合模型及研发的3G2012软件系统, 深入研究了温度变幅、桩和地基土的传导系数、导水系数、回冻时间等因素对其承载力的影响, 揭示了其承载的内在热力学机理. 结果表明: 钻孔灌注桩承载力随温度发生波动变化, 冬季桩基的极限承载力近似为夏季的1.2倍; 地基的导水系数提高一个数量级, 加剧了地基土中的水分迁移及冻胀融沉变形, 进而影响桩基承载力; 冻土回冻时间对桩基承载力也有较大影响. 以上结论为寒区岩土工程的设计与施工提供量化的科学依据.     

融沉系数在季冻区高速公路路基冻害研究中的应用

在季节冻土地区, 防治路基冻害问题, 强调较多的往往是室内冻胀指标, 而对融沉指标考虑的较少. 根据2000-2002年对吉林省几条高速公路所做的路基冻害钻探调查和现场观测获得的资料, 对融沉系数与含水量和干容重的关系进行了统计分析, 举例说明了春季冻害调查和融沉系数资料在估计现场融沉和冻胀大小、分析路基冻害原因、评价筑路材料的抗冻性能等方面的应用.     

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。     

寒区高铁路桥过渡段冻结特征及热影响区域数值分析

随着我国高速铁路网络逐步向寒区大范围延伸, 线路纵向上选用了较高比例的桥梁以跨越地形, 势必出现大量的路桥过渡段。路桥过渡段使线路纵向上出现了刚度变化以及桥用、 路用材料的工程抗冻性能差异, 进而引发不均匀的冻胀和融沉变形, 产生桥头跳车的可能, 降低行车的舒适度和安全性。文章运用土壤冻融条件下热传导理论的基本方程和数值方法, 结合哈大高铁的典型工况建立路桥过渡段模型, 计算分析其在春季融化期间的冻结特征差异和演变规律, 并基于工程优化设计了三种不同的台后填筑模式, 得到冻融条件下该气候分区的热影响范围, 并基于此分析了冻结圈面积、 周长、 长宽比和横向热扰动距离等几何指标。计算结果表明, 仅考虑热学影响时, 在有保温层和无锥台护坡工况下, 路桥过渡段的综合效果较好。     

土体冻融特征研究现状与展望

冻土中水分迁移是导致土体冻胀的关键因素,而研究水分迁移及其驱动力的核心问题是要充分理解未冻水含量与温度、基质吸力等变量之间的关系,这些关系可充分体现土体在冻融过程中土水变化特征。长期以来,对土体冻融特征的研究采取的是与非饱和土力学中的土水特征类比的方法进行,结果也证明了二者存在一定的相似性。但是冻土中因冰-水相界面作用产生基质吸力与融土中水-气相界面作用产生基质吸力的机理并不完全相同,而由于相变等其他作用产生的冻融滞后效应与融土中孔隙“墨水瓶效应”等引起的滞后效应机理也有区别。针对这些机理性的不同,还需要做大量的研究工作才能真正揭示土体的冻融特征。通过对目前土体冻融特征方面研究进展和存在问题的归纳总结,笔者认为今后在这方面还需深入开展如下研究：建立适合各类土壤冻融特征的一般预测模型,使得在缺少数据条件下能快速获取所需土样的冻融特征;研究土体在冻融和干湿变化过程中存在的类似性及区别,对冻融过程中存在的滞后效应机理给出合理的解释;提升冻融特征变量的测试技术水平,研发高精度的相关仪器设备。     

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。      

土体冻结过程中的热质迁移研究进展

土体的冻胀，融沉问题归根结底是热质迁移问题，文章概述了近年来在国际上有关这方面研究的新成果，总体上讲，冻结缘的厚度，分凝冰形成温度以及冰透镜体形成条件等作为热质迁移试验研究的重点受到关注，质的迁移研究不仅仅限制在水分的迁移，而且对于矿物质，溶质，气体等的迁移以及对水分迁移的影响都有不同程度的研究，对于冻胀预报模型，已从经验型过渡到依据基本物理，力学，热动力学理论而建立的理论模型，今后的研究发展方向是加强室内参数测试水平以及对理论模型的普遍性验证。     

科尔沁草甸地冻融期土壤水热盐动态迁移规律

为掌握科尔沁草甸地冻融期土壤水、热、盐迁移规律,以科尔沁左翼后旗阿古拉生态水文试验站2013年10月—2014年5月土壤冻融期实测气象、土壤等数据为基础,用统计分析法对研究区草甸地冻融期土壤温度、水分、盐分的变化规律进行了分析。结果表明:气温对土壤剖面温度的影响随着土壤深度的增加而降低,土壤剖面温度变化滞后于气温变化的时间取决于气温升降幅度,且没有显著的规律;由于气温回升速度大于降温速度,导致土壤消融速度比冻结速度快;土壤冻结过程由表层向下进行,冻结温度与土壤含盐量呈负相关关系,用温度的线性内插法准确确定草甸地于2014年3月9日达到最大冻深104 cm;土壤消融时受地下暖土层热流和地表温度双重影响,由底部向地表和由地表向冻结层进行双向消融;地下水位埋深较浅,受土壤冻融作用影响,升降趋势显著;草甸地土壤冻结期盐分向地表积聚,并于2月达到最大,后经消融及雨水淋润作用开始下降;冻融期盐分变异性大于水分变异性,说明盐分的运移过程更为复杂。     

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。     

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。