高含冰(水)量冻土的单轴抗压强度变化特性研究

沿用已有的制样方法, 在统一了制样过程中冰、水比例及冰颗粒尺寸的基础上, 开展了高含冰(水)量粉质砂土的单轴抗压强度系统性测试. 结果表明: 高含冰(水)量冻土的单轴抗压强度随应变率的增加而非线性增大; 随温度升高而减小, 减小趋势与总含水量有关. 随含水量的增加, 强度先是非线性增大, 然后逐渐趋于重塑冰的强度, 这有别于早期类似研究的结果. 同时, 也对试样中加入冰颗粒以保证试样高含冰(水)量的制备方法合理性产生了质疑.     

试件形状对冻结粉土抗压强度影响的试验研究

在不同温度和应变率条件下,分别对圆柱体和正方体冻结粉土进行了单轴抗压强度试验,分析比较了二者的应力-应变关系、抗压强度及破坏应变.结果发现:单轴压缩下正方体与圆柱体冻结粉土的力学性质存在差异.正方体冻结粉土的应力-应变曲线有明显的弹性屈服点,屈服点后曲线呈线性硬化,而圆柱体冻结粉土的应力-应变曲线无明显弹性屈服,全应力-应变曲线呈抛物线型.相同温度和应变率条件下,圆柱体试样的应变软化程度比正方体试样大.相同试验条件下正方体冻结粉土的抗压强度及破坏应变大于圆柱体的抗压强度和破坏应变,二者抗压强度及破坏应变的差异程度与温度和应变率无关.研究结果可为冻结壁的设计提供重要依据和参考.     

冻土单轴抗压强度影响因素的试验研究

新疆地区是我国典型的咸寒区, 渠基土在冬季的冻结引起了输水渠道衬砌的破坏. 为了解冻结状态下渠基土的物理力学特性, 在常应变率条件下对新疆北疆季节性冻土区的含硫酸钠渠基土进行了多种条件下的单轴抗压强度试验. 结果表明: 单轴抗压强度随温度的降低线性增加; 单轴抗压强度随干密度的增加而增大, 二者之间具有较好的幂函数关系. 与氯化钠盐渍土不同, 硫酸盐渍土的单轴抗压强度随着硫酸钠含量的升高而增大, 并且呈现近似线性增加的特性.     

干密度和温度对冻结膨胀土单轴压缩特性影响的试验研究北大核心CSCD

膨胀土是一种特殊的黏土,具有明显的胀缩性和多裂隙性,在寒区渠道工程中极易诱发各种冻害。单轴压缩特性是冻土物理力学特性的重要分支,为研究冻结膨胀土的单轴压缩特性,开展了不同干密度和温度下冻结膨胀土单轴压缩试验。试验结果表明:随着干密度的增加,各温度工况下试样的应力-应变关系曲线均由弱应变软化转为应变硬化形态,且试验温度越高,曲线的软化特征越显著。不同温度工况下试样的破坏模式差异明显。当试验温度为-2℃时,试样破坏时其表面出现明显的局部坍塌与剥落,而-5℃、-10℃和-15℃工况下试样的最终破坏形态均为“鼓状”破坏,试样表面无明显的裂缝和剪切面。冻结膨胀土试样的单轴抗压强度随干密度的增加而线性增大,亦随温度的降低而增大,但在不同的温度区间内增幅不同,其变化幅度主要与试样内部含冰量密切相关。此外,试样的弹性模量随着干密度的增大和温度的降低均线性增大。     

尺寸和加载速率对冻结水泥土单轴压缩影响

为揭示尺寸效应和加载速率效应对冻结改良土力学特性的影响规律,以冻结水泥改良土为研究对象,开展了不同尺寸与加载速率条件下的单轴压缩试验,通过分析试验数据,讨论了高径比和加载速率对试样强度与变形特性的影响。研究结果表明,高径比影响试样的应力-应变曲线类型及峰值后的变形特性。高径比增加,应力-应变曲线出现明显弹性屈服点,峰后脆性增强,试样破坏形式由劈裂破坏变为单一剪切破坏。试样的抗压强度、切线模量、起始屈服模量、破坏应变随高径比变化均可用抛物线进行拟合,综合考虑,推荐试验宜采用高径比为1.62~2.02的试件。在试验设定的温度和加载速率条件下冻结水泥土的单轴压缩应力-应变关系均为应变软化型。与冻土类似,冻结水泥土的抗压强度与起始屈服强度同样随温度的降低和加载速率的增加而增大。不同温度下冻结水泥土抗压强度与加载速率的关系可用幂函数表示。温度越低,起始屈服强度受加载速率影响越大。温度和加载速率对冻结水泥土切线模量也有较大影响,不同加载速率条件下切线模量与温度呈线性关系。冻结水泥土的破坏应变随温度的降低和加载速率的增加而增大,在1.94%~6.94%之间变化,不同加载速率条件下破坏应变与温度呈幂函数关系。     

基于结构性的冻结黄土力学特性试验研究

通过对重塑冻结黄土和人工结构性冻结黄土（通过对重塑黄土添加水泥获取）进行室内三轴剪切试验,研究了围压、含水量、温度、水泥含量等因素对冻结黄土力学行为的影响. 结果表明：不同试验条件下,非饱和土试样和饱和土试样的应力-应变关系呈现不同的特点. 温度和围压是影响冻土体强度的主要因素,温度越低,其破坏强度越高;非饱和土样强度随围压增大而增大,饱和土体强度受围压影响很小. 初始含水量是影响冻土体强度的另一主要因素,对非饱和土样,随着含水量的增加土体强度逐渐增高,达到某一峰值之后随含水量继续增加而减小,饱和土体强度最低. 对非饱和土样,水泥含量越高,对应的破坏强度也就越大;但对饱和土样,水泥含量对冻土的应力-应变行为及强度影响不大. 最后,提出了与所试验土体强度参数相关的综合性系数M,通过回归分析,得出了其与c和tan φ的关系,并验证了其可靠性.     

冻土强度特性及其主控因素综述北大核心CSCD

冻土强度是冻结法施工及冻土构筑物安全评估中的关键力学参数。然而,冻土强度特性十分复杂,受到环境温度、土体类型、含水量、应变速率等诸多因素的影响,目前还缺少统一的结论。鉴于此,文章对冻土强度的相关试验成果进行了全面回顾,并总结了各因素对冻土强度的影响规律及其作用机理。文献调研结果表明,冻土强度随温度的降低而增大,在工程常见温度范围内二者近似呈线性关系。温度降低所引起的冰强度增加和未冻水含量降低是冻土强度增大的主要原因;当温度低于一定阈值后(如-80℃),冻土强度达到最大值并不再变化。非饱和冻土的抗压强度随含水量的增加而增大,原因在于其饱冰度会随着含水量的增加而增加,使得土颗粒与冰晶体的黏结作用增强。对于饱和冻土,含水量的增加会导致冻土密实度降低,其强度随含水量的增加而降低。冻土抗拉强度与抗压强度具有较强的相关性,其压拉比随土体类型的不同存在较大差异,在3~12之间。整体来看,影响冻土强度的因素众多,目前的研究工作多基于单一影响因素,针对多种因素耦合作用、应变速率影响和抗拉强度的研究仍较少,相关工作有待进一步深入。     

高温-高含冰量冻结黏土强度试验研究

为研究高温-高含冰量冻土的强度特性,分别开展了不同温度、不同含水率的冻结黏土单轴无侧限抗压强度试验。分析了高温-高含冰量冻结黏土在单轴压缩试验过程中的破坏类型、应力-应变关系;单轴抗压强度与温度、含水率之间的关系以及饱和冻结黏土单轴抗压强度对温度的敏感性-含水率关系。研究结果表明：当温度低于-0.9 ℃时,高温-高含冰量冻结黏土存在最不利含水率,在相同的温度条件下,该含水率状态下冻土抗压强度最小;当温度高于-0.6 ℃时,高含冰量冻土随含水率的增加,单轴抗压强度增大。     

应变率与含水率对冻土单轴压缩特性影响研究

通过对泥浆制样法制备的冻结粉质砂土的单轴压缩试验,系统地研究了冻结砂土在一个宽泛应变率以及含水率范围内的单轴压缩破坏应变特性和线弹模量特性。结果表明：随着应变率的增加,当含水率为12.0%,破坏应变逐渐增大;当含水率在16.7%～24.0%范围内时,破坏应变先增大后减小;当含水率大于等于30.6%时,破坏应变逐渐减小,3种情况下破坏应变最终都逐渐趋于稳定。破坏应变随含水率增加而先急剧增大到一个最大值,然后急剧减小,当含水率超过41.5%时,基本趋于冰的破坏应变。线弹模量先随着应变率的增大而非线性增大到一个最大值,然后应变率的继续增大使线弹模量逐渐减小,线弹模量与应变率的关系满足二次抛物函数规律。在温度为 2.0 ℃,应变率小于4.67×10-3 s-1的条件下,线弹模量随着含水率的增大而非线性增大,直至最后趋于冰的线弹模量;而在大于等于该应变率的条件下,随着含水率的增大,线弹模量先增大到一个最大值,然后减小趋于冰的线弹模量。当温度为 5.0 ℃时,类似的应变率临界值为1.00×10-2 s-1。     

冻融循环对黏质粗粒土单轴抗压性能影响的试验研究

循环冻融作用下粗粒土的力学性质对于高寒地区边坡稳定性分析意义重大。以藏区某一排土场土体作为依托,开展了不同冻融循环次数后不同级配黏质粗粒土的单轴压缩试验,研究冻融循环作用对黏质粗粒土单轴抗压性能的影响。结果表明：冻融循环作用对黏质粗粒土应力-应变关系曲线性状及破坏模式有一定的影响,可使其应变呈现由脆性破坏（软化）向塑性流动（硬化）变化的规律。当提高冻融循环次数时,该类土体的弹模和抗压强度均显著减小,其中5~9次冻融循环前减小幅度较大,之后基本保持不变。单轴抗压性能的弱化与土样循环冻融过程中伴随的细颗粒团聚、大中孔隙增多、密实度下降有关。20次冻融循环后,该土质土样抗压强度、弹模最大降低幅度各自高达43%和77%。可见随着提高细砾组的含量,土样的抗压强度和弹模均呈现下降的趋势,这与该土样内粗、细土颗粒的比例及强度发挥机理密切相关。粗粒土单轴抗压破坏应变随冻融循环次数和细砾组含量的增加有一定的增加趋势。     

月球极区冻结模拟月壤物理力学特性研究

近年来越来越多的探测结果表明,月球极区永久阴影区月壤中存在水冰。水是人类赖以生存的化学物质,也是理解月球独特的形成与演化过程的关键环节。因此,各航天大国均将月球极区作为探月工程的重要目标。冻结月壤的导热系数和单轴抗压强度是月球极区原位探测取样的基础和关键参数。本研究采用低温试验研究了冻结模拟月壤的导热系数和单轴抗压强度。结果表明：冻结模拟月壤导热系数随含水率增大而线性增大,冻结模拟月壤的导热系数为0.2~1.3 W?m^-1?K^-1。冻结模拟月壤单轴压缩过程中发生脆性破坏,5%含水率冻结模拟月壤单轴抗压强度约为5 MPa,10%含水率冻结模拟月壤单轴抗压强度约为13 MPa。在初始加载阶段,干密度相同、含水率不同的冻结模拟月壤试样因微裂纹压密导致的应变量基本相同;在线弹性阶段,冻结模拟月壤有效弹性模量随含水率增大而增大,其主要原因是含水率增大使得月壤颗粒间的冻结强度增大;在破坏阶段,含水率较高的冻结模拟月壤表现出脆性破坏特征,含水率较低的冻结模拟月壤表现出更显著的塑性特征。研究结果将为月球永久阴影区水冰探测方案制定、探测器研制等提供基础的科学数据支撑。     

冻结盐渍砂土单轴强度特性研究

通过对兰州盐渍砂土重塑土添加不同量的盐分来模拟不同含盐量的盐渍土, 并对其进行单轴抗压试验, 分析其在不同含盐量、不同温度及不同速率的应变加载情况下, 冻结盐渍砂土的单轴抗压强度的变化规律, 重点讨论了盐分对土体力学参数的影响以及弹性模量与含盐量、温度的关系. 结果表明: 易溶盐含量的增加会导致单轴抗压强度逐渐降低, 试验温度越低抗压强度会越大; 应变加载速率的增加会增大土体的单轴抗压强度, 同时会缩短土体达到应力峰值的时间; 土体含盐量越大弹性模量越小, 温度越低弹性模量越大.     

初始含冰量对冻结粉质砂土变形与强度的影响

基于一系列同一温度、不同初始含冰量和应变率条件下的高含冰冻结粉质砂土的单轴压缩试验,开展了高含冰量对冻结粉质砂土变形行为和强度特性的初步研究。结果表明：随着试样中初始含冰量的增加,冻结粉质砂土的塑性增强,当初始含冰量超过210.1%后,应力-应变曲线趋近于冰的特性,可用修正的Duncan-Chang双曲线模型较好地描述其单轴压缩应力-应变关系;当应变率为0.083×10-3 s-1和0.467×10-3 s-1时,其初始切线模量呈非线性增大,但当应变率为0.667×10-3 s-1时,初始切线模量增大到一最大值之后转而减小,并且影响程度与应变率大小有关;当初始含冰量从32.9%增加到304.0%,冻结粉质砂土强度也是先非线性增大,然后逐渐趋于稳定,两者可用对数函数关系很好地描述。其研究结果可为开展高含冰冻土区路基的稳定性评价提供基础。     

不等幅值循环荷载下冻土残余应变研究及其CT分析

基于不等幅值循环荷载作用下低温三轴振动试验资料,研究了冻结粉质粘土在分级往返加荷情况下的残余应变产生条件。根据冻土的残余应变与其温度、振次、含水量等因素的关系曲线,得到了随着温度的降低残余应变值减小、随着振动次数的增加残余应变值增大;含水量的变化对其影响很小的结论。根据冻土试样震融沉前后CT测试数据及扫描图像,定量地分析了土样结构微裂纹发展、密度变化规律,并对冻土特有的震融沉形成机理给予解释。     

含盐量对石灰固化滨海盐渍土力学强度影响试验研究

随含盐量的增加,滨海盐渍土中的盐分结晶形成了许多晶体颗粒,改变了土的颗粒级配和微结构形式,使土的力学强度发生变化。无侧限抗压试验和三轴压缩试验结果表明,随含盐量的增加,石灰固化土的无侧限抗压强度和抗剪强度降低;随养护龄期的增加,石灰固化土的无侧限抗压强度和抗剪强度增加;随含盐量的增加,固化土试样浸水和不浸水无侧限抗压强度之间的差值越来越小。工程应用滨海盐渍土时需控制土的含盐量。     

冻结砂土体积变形影响因素的敏感性分析

为了分析三轴试验中冻土体积变形影响因素的敏感性,选定包括内因和外因在内的6种影响因素,选用青海省德令哈的砂土按照正交试验方案进行常规三轴试验,并采用灰色关联分析法对试验结果进行分析,给出各影响因素的敏感性排序。结果表明,在选定的6种影响因素中,含水率、加载速率及温度的敏感性超过70%,需重点考虑。在较小含水率条件下,冻结砂土先体缩再体胀,且应力峰值点和应变峰值点所对应的轴向应变基本一致,而在饱和条件下仅发生体积膨胀。加载速率对冻土的影响主要表现为对其力学特性和破坏形态的改变,随着加载速率的增加冻土的体缩量、切线模量和峰值强度增加,但峰值应变却表现为减小趋势,冻结砂土性质趋近脆性。土样温度降低,土颗粒间的黏结力增加,孔隙压力转变为有效应力,从而导致冻结砂土的强度增加、体积膨胀量增加。分析结果可为相关试验及工程优化设计提供一定的参考。     

非饱和冻土的强度分析

冻土的强度是由土颗粒与冰的结合强度所决定,冰含量(或初始含水量)和干容重是非饱和冻土强度的主要影响因素.干容重越大,土骨架能够承受荷载的有效面积越大,冻土的强度也越大.同样干容重下的非饱和冻土,冰含量越多,冰与土颗粒的结合面积越大,承受的荷载能力增强,冻土的强度越大.为此,提出冰饱和度的概念,建立了非饱和冻土强度与饱和冻土强度关系,它涵盖了干容重和冰含量的影响作用,揭示了非饱和冻土强度的机理.通过试验验证,该关系式与试验结果具良好吻合.     

Strength of frozen silt as a function of ice content and dry unit weight

A total of 45 unconfined compression tests were conducted on frozen specimens of remolded, saturated Fairbanks silt at dry unit weights ranging from 993 to 1490 kg/m³ with total water contents ranging from 0.28 to 0.58. The rate of strain was 0.005 s⁻¹ . Using the criterion that the ice matrix in the soil fractures at the first point of significant yield shown in the stress-strain curve, which occurs at less than 0.01 strain in this study, the “ice matrix strength” is shown to be nearly proportional to the volumetric ice content of the soil for these tests. The strength at 0.2 strain appears to be nearly independent of the dry unit weight and water content of the soil.