石灰改良粉土的冻胀特性试验研究北大核心CSCD

粉土因毛细水发育表现出较强冻胀特性,在冻土区建设中需关注其冻害问题。土中掺入石灰是一种常见的化学土质改良方法,但石灰对粉土的冻胀特性影响尚不清晰。为研究石灰改良粉土的冻胀特性和效果,进行了开敞系统下的一维冻胀试验,分析不同掺灰量下的温度场、变形场和水分场变化规律和机理。研究发现:土样随掺灰量增大,其冻结深度先增大后减小,冻胀量和补水量持续减小,而冻胀率先减小后增大,各指标呈不同变化规律,冻胀特性复杂;一定条件下提高掺灰量可减小冻结深度和冻胀量直至低于素土,土样抗冻性提高;而随着掺灰量变化,石灰改良粉土的冻胀率始终高于素土,土样抗冻性改良不显著。因此,在实际工程中,不能仅通过单一指标评价石灰改良粉土的效果,需结合冻结深度、冻胀量和冻胀率三个指标,综合评价石灰对粉土抗冻性的改良效果。     

基于孔隙面积比的麦秸秆防腐分析及秸秆对粉土抗剪强度的影响

粉土性能不良,需改良后才能在高速公路路基中使用;麦秸秆环保可再生,掺入粉土会起到加筋作用,但自身易被水腐蚀,需防腐后才能使用。本文从孔隙面积比出发,分析聚乙烯醇对秸秆的防腐机理和防腐效果,通过抗拉强度试验分析防腐对秸秆抗拉强度的影响;通过直剪试验分析秸秆对粉土抗剪强度的影响。结果表明:聚乙烯醇通过自身防腐性能的发挥、填充麦秸秆孔隙减小吸水通路、在秸秆表面形成保护膜阻隔水分进入来实现防腐,孔隙面积比越小防腐效果越好;试验范围内,麦秸秆的防腐最佳浸泡时间为4 d,防腐剂最佳溶液浓度为10%,此时秸秆孔隙面积比最小,且防腐耗时最短,或经济最优。麦秸秆长度对孔隙面积比的影响主要在4 d内,与最终孔隙面积比关系不大。防腐麦秸秆抗拉强度提高。秸秆加筋土的黏聚力随秸秆掺量、麦秸秆长度的增加先增大后减小,最优掺量范围为0.4%～0.6%,最优秸秆长度为15 mm;内摩擦角随着秸秆掺量的增加略有增加,但增幅很小,不同长度下无明显规律。     

以抗压强度确定麦秸秆加筋盐渍土的加筋条件

滨海盐渍土具有盐胀、溶陷和吸湿软化等不良工程地质问题,未经固化处理不能满足工程建设的强度和变形要求。借鉴合成纤维加筋土和草根土的研究成果,初步确定包括加筋长度、质量加筋率、加筋形状和石灰掺加量等因素的麦秸秆加筋盐渍土的加筋条件。通过抗压强度试验和Taguchi正交试验设计优化方法,确定最优加筋条件为：加筋长度为10 mm、加筋率为0.25 %、形状为1/4圆弧状和石灰掺加量为8 %。以麦秸秆作加筋与石灰共同加筋固化滨海盐渍土,其抗压强度试验结果表明,石灰+麦秸秆加筋盐渍土的抗压强度、抗变形能力和水稳性均优于石灰土和盐渍土。初步的研究成果对今后系统研究麦秸秆加筋滨海盐渍土的抗压强度、抗剪强度和变形特性等具有指导意义。     

微胶囊相变材料改良粉质黏土的冻胀特性研究北大核心CSCD

微胶囊相变材料(microencapsulated phase change material, mPCM)具有出色的储热能力,可以减轻季节冻土在冻结和融化过程中的温度波动。使用扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱和热分析等研究手段,全面评估2种分别以硬脂酸丁酯和石蜡为芯材,SiO2为壳材的mPCM(B-PCM, P-PCM)的物化表征,再以兰州地区粉质黏土为研究对象,通过冻融过程和冻胀试验研究4%、8%、10%掺量的mPCM对粉质黏土冻胀特性的影响。试验结果表明:mPCM在相变过程中释放的潜热为土体提供了保温效果,10%添加量的mPCM复合土试样从10℃下降至-10℃所需的时间较于素土试样延长约70%。土体的冻胀变形、冻结深度和含水率变化率随mPCM掺量的提高而降低;B-PCM和P-PCM核壳比的差异导致其冻胀后的水分迁移幅度表现出不同的趋势。总体而言,mPCM对土体的正面影响表现为提升保温性能、抑制冻胀变形等,但其添加量超多8%后会引起土体浅表层的冻胀加剧,这与SiO2壳材的吸水性有关。     

兰新铁路路基冻胀特征及冻害整治措施研究

兰新铁路尖山至大青口段线路在海拔2 100m左右,冬季气候寒冷,路基填料属易冻胀土,在路基土冻前含水量较大的前提下,线路在冬季必然发生冻胀变形.为了有效控制路基冻胀量,通过现场和室内试验对该段路基土的土质、冻结特征、冻胀特征等进行试验研究.结果表明:路基面以下60cm范围内土层冻胀量占整个冻结层总冻胀量82%;在最适宜冻结速率下瞬时冻胀量达到极大值,分层冻胀率与平均冻胀率的大小关系在2/3冻结深度处发生改变;冻胀速率的大小并不能直接反映瞬时冻胀量的大小,还应考虑冻结速率.选用了软式透水管整治冻害,整治效果明显.     

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。     

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。     

加筋条件和含水率对加筋土抗压强度和应力应变的影响

由滨海盐渍土的盐胀、溶陷和吸湿软化引起的土的低强度和大变形问题,可通过麦秸秆加筋的方法予以应对。加筋土的抗压强度及应力应变特性与麦秸秆的加筋长度、加筋率和土的含水率有关。加筋土的抗压强度试验结果证实：0.25%加筋率的加筋土抗压强度最大,0.20%和0.30%的次之;50 mm加筋长度加筋土的抗压强度最大,70 mm的最小。0.25%加筋率的加筋土应力应变曲线的峰值最大;随加筋长度的增加,加筋率对应力应变的影响程度降低。随加筋长度的增加,加筋土的应力应变曲线由应变软化型渐变为应变硬化型,以70 mm加筋长度的最为明显。低于最优含水率,应力应变曲线存在峰值;高于最优含水率,加筋土逐渐转向塑性变形。总结麦秸秆加筋土的抗压强度和应力应变的变化规律,为后期的三轴抗剪强度及其偏应力应变特性研究提供借鉴。     

麦秸秆加筋盐渍土重型击实效果的影响因素分析

为解决因滨海盐渍土的盐胀和溶陷而引起土的强度降低问题,可采用麦秸秆加筋的方法处理盐渍土,以提高土的强度和抗变形能力。将盐渍土与一定长度和数量的防腐麦秸秆均匀拌和在一起,按照一定的碾压功将其碾压密实,此时土的含水率、麦秸秆的质量加筋率和加筋长度是影响加筋土重型击实效果的3个因素。试验结果揭示,（1）加筋土的最大干密度均小于盐渍土的,最优含水率变化不大。（2）与盐渍土一样,随着含水率的增加,加筋土的干密度先升后降。（3）随质量加筋率和加筋长度的增加,加筋土的最优含水率变化不明显,最大干密度持续下降,但降幅较小。（4）0.2%质量加筋率加筋土的干密度最大,0.3%质量加筋率的最小。（5）30 mm加筋长度加筋土的干密度最大,70 mm加筋长度的最小。建议按0.2%质量加筋率和30 mm加筋长度的防腐麦秸秆制备三轴压缩试样,以研究麦秸秆加筋滨海盐渍土的抗剪强度和应力-应变特性。     

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。     

青藏粉土单向冻结冻胀率变化特性研究

开展了饱和青藏粉土在开放系统不同温度梯度条件下的单向冻结试验,对冻结过程中冻结深度和冻胀速率的发展变化过程进行了研究.结果表明：不同顶板温度下,土样均在25 h左右达到冻结稳定状态,之后冻结深度基本不再发生变化.土样冻结过程中,冻胀速率表现为快速减小、较小值保持稳定、快速增大、较大值保持稳定四个阶段.基于以上试验结果,对土样冻结过程中冻胀率的变化过程进行了研究,发现冻胀率随冻结深度的增加先减小后增加,冻胀率从减小变为增大的时刻就是冻结深度趋于稳定的时刻,而冻胀率快速增大的时刻为冻胀速率进入较大值保持阶段的时刻.冻胀率变化的内在机理为土样冻结过程中由冰透镜体分凝所导致的未冻区固结和已冻区冻胀共同作用的结果.     

硫酸（亚硫酸）盐渍土单次盐胀和冻胀发育规律研究

对盐胀和冻胀规律的研究有助于深入认识硫酸（亚硫酸）盐渍土的工程性质。通过对天山北麓水磨河流域细土平原区硫酸（亚硫酸）盐渍土盐胀和冻胀试验研究发现：（1）随着温度的降低,试样盐胀和冻胀率逐渐增大。试样冻结前土体产生的膨胀是盐胀,试样冻结后产生的膨胀是盐胀和冻胀,当土体达到-15℃以后,土体盐胀和冻胀趋于稳定。（2）硫酸钠含量不变的情况下,随着含水量的增大,其起胀温度降低。土体起胀温度取决于土体中硫酸钠析水结晶温度、硫酸钠结晶含量的多少、土体结构、内摩阻力、粘聚力、土颗粒间的引力、土体孔隙间和孔隙接触间吸收结晶硫酸钠的程度。（3）硫酸钠含量增加,其单次盐胀和冻胀率变化区间增大。     

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。     

季节冻土区公路路基细粒土冻胀敏感性研究

通过4种不同塑性细粒土料的室内闭式冻胀模拟试验,阐述了土的含水量、塑性、饱和度和密实度等因素对冻胀性的影响.在分别建立粘性土和粉土的η~(W-Wp)关系的基础上,综合分析并给出了细粒土的η~(W-Wp)关系.提供了典型土料的η~(W-Wp)~K_d~S_r关系图,提出了细粒土的η~(W-Wp)~K_d/S_r多元线性回归方程式.通过因子贡献率大小分析,指出超塑含水量(W-Wp)大小是影响细粒土冻胀敏感性的主导因素.     

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.     

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。     

添加剂对土体的加固作用及冻胀防治研究

将研制的高分子有机材料作为添加剂，加入到土体中，经过拌和夯实、干燥固结，能够起到稳定和提高土体的强度，并具有低渗透和低吸水等特性．冻胀试验表明：加入添加剂不仅能阻止土体冻胀的产生、外来水源的入侵及水分的迁移，还能隔断土体孔隙之间的联系，使水分在土体孔隙中不能运移，从而达到了防治冻胀的目的。     

渠道刚性衬砌层(板)冻胀受力试验与防冻胀破坏研究

对渠道受冻胀时其刚性衬砌层(板)受冻胀力的情况进行了室内模型测试试验, 结果表明: 其边坡衬砌层(板)所受的冻胀力是平行于该衬砌层(板)的切向冻胀力, 该力大小及正负与渠床土含水量沿渠道横断面高度的分布直接相关. 另外, 渠道边坡衬砌层(板)和其下冻土层之间冻结约束的存在与否是边坡衬砌层(板)会不会受冻胀力的必要条件, 若此约束存在, 则可能受冻胀力, 若此约束不存在(被解除), 则其不可能受冻胀力. 从对试验结果的分析中, 还找到了造成渠道刚性衬砌层(板)冻胀破坏的最终原因, 并据此提出了一些针对性很强的防治渠道冻胀破坏的方法.     

严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析

穿越我国东北地区的哈尔滨至大连高速铁路（哈大高铁）是世界上首条投入运营的新建严寒地区高速铁路,路基冻胀防治采用了换填材料、防水等综合措施. 为评价冻胀防治效果及路基工程运营状况,通过对哈大高铁开通后首个冻融期（2012-2013年度）路基全线9 641个凸台观测点水准人工监测数据综合分析,研究路基冻胀变形发生、发展和变化规律. 结果表明：哈大高铁路基冻胀变形包括冻胀快速发展期、冻胀稳定发展期和融化回落期3个阶段,路基普遍发生冻胀但变形处于可控状态;路基的冻胀变形以基床表层冻胀为主,且其程度与路基结构有关;整体上全线过渡段冻胀轻微,路堤次之,路堑和底座板接缝处较为严重. 建议后续冻胀整治应以减少路基表水下渗、控制基床表层冻胀变形为重点;类似工程设计中,应增加以桥代路段落,将路基表层改性为不冻胀整体结构.