一维饱和冻土融化固结分析

冻土的融化固结是在融化的基础上进行的,是温度与变形耦合作用的结果.根据考虑冰水相变的热传导方程和水分迁移方程,建立以孔隙比为变量的融化变形固结理论.利用有限元软件对冻土一维融化固结进行数值模拟,分析了融化过程中孔隙比、孔隙水压力、变形等随时间的变化规律,并与实验结果进行对比.研究表明：含水率的增大会阻碍融化锋面的推进速率,进而降低土体固结速率,而且冻土的固结过程滞后于冻土的融化过程.随着融化锋面的移动,固结区域不断增大.冻土的融化固结过程也是孔隙水的消散过程,随着孔压的不断消散,变形量逐渐增加.最大位移出现在土体表面,最大沉降量随时间增长而增大,最后趋于一个稳定值.     

不同荷载条件下冻土融化沉降过程试验研究

融沉是困扰多年冻土区工程建设与安全运营的关键因素之一。通过室内试验,针对两种初始干密度不同的青藏粉质黏土,在-8~24 ℃之间正弦波动的周期温度边界条件下,分别开展了无荷载、静荷载及动荷载作用下冻结饱和试样的融沉试验（试样的初始温度为-1 ℃）,研究了试样内部温度、变形、孔隙水压力的时间变化过程。结果表明：温度边界相同时,在不同荷载作用下试样内部温度响应过程差异显著,反映了荷载对冻土融化速率的影响。在无荷载作用下,试样的竖向变形呈线性发展趋势,每次冻融过程中的融沉变形变化不大。在静荷载和动荷载作用下,试样的竖向变形呈先快速增加后逐渐稳定的趋势,且融化沉降变形主要发生在前3~4个冻融循环过程。试验结束时,在静、动荷载作用下试样最终变形量大于无荷载作用下,且干密度较小时竖向变形较大。在动荷载作用下,试样内部孔隙水压力变化幅度大于静荷载,且在前3次冻融循环过程中,动荷载作用下试样内部孔隙水压力消散数值大于静荷载,之后随着冻融循环次数的增加两者差异逐渐减小。试样融沉变形过程与温度变化、孔隙水压力的积累和消散过程密切相关。试验结果可为复杂边界条件下融化固结理论研究和工程中地基土体的融沉变形预测提供依据。     

多级荷载下弱膨胀土的膨胀变形特性试验研究

为研究压实弱膨胀土的膨胀变形特性,对取自高淳某边坡的弱膨胀土进行固结及浸水膨胀变形试验,研究了在300,200,150,100,75,50,25和12.5 kPa共8种上覆压力下不同初始干密度及初始含水率土体的固结及膨胀变形特征。试验结果表明:初始含水率及初始干密度对弱膨胀土的膨胀变形特性均存在一定的影响,在其余条件相同的情况下,膨胀土的膨胀变形量随着初始干密度的增大而增大,随着初始含水率的增大而减小。分析了膨胀土固结及膨胀变形过程的典型曲线特点,研究了不同初始干密度及初始含水率下土体固结与膨胀曲线膨胀区与压缩区分界点特征,得出在初始含水率相同时,分界点的上覆压力与分界点孔隙比及土体的初始干密度均呈正比关系。通过对土体试验数据的分析拟合,结合土体变形过程中的孔隙比与初始状态关系的推导,提出了弱膨胀土的膨胀变形量计算方法,结合工程包边法路堤填筑的荷载分布,采用分层总和法推导了工程包边法膨胀土路堤填筑的膨胀变形量计算方法,并用于路堤膨胀量的预估中。     

冻融循环对原状过湿土固结变形特性的影响

为了研究季冻区过湿土的固结变形特性,对黑大公路青冈段路基原状过湿土进行固结试验和渗透试验,研究了冻融循环作用下原状过湿土的固结变形特性。试验结果表明：原状过湿土的含水率越高,土体的压缩性越高;初始孔隙比越大,渗透性越高。冻融循环后,过湿土产生不规则裂缝,土的结构也发生改变,土的压缩系数有所增大,随着冻融循环次数的增加,压缩性先增大后趋于平缓。冻融后过湿土的竖向渗透系数明显增大,且随着冻融循环次数的增加渗透性呈现先增大后趋于平缓的规律,而横向渗透系数冻融前后无明显差异。     

季节冻融条件下新型筏板地基承载特性的模型试验研究及数值分析

岛状冻土地区地基经历季节冻融后土体强度急剧降低,道路上易产生不均匀沉降现象,本文提出了新型筏板结构用于岛状冻土地区道路。为了研究岛状冻土地区新型筏板地基的承载特性,本文通过对室内新型筏板地基模型进行冻融,采用分级加载试验和数值模拟方法,分析了新型筏板地基的承载特性,及冻胀融沉对地基模型的沉降特性、内部应力分布及筏板应变分布规律的影响。结果表明,新型筏板的承载作用极大地缓解了地基变形量,且整体上减小了一定深度范围内的地基应力,由此说明筏板是作为地基“加固结构”的形式存在;筏板较大的刚度使承受荷载向外围传递,降低了筏板中心位置处地基反力;新型筏板应变呈中间大两边小的U型分布,且纵向应变高于横向应变,说明变形更多地沿筏板纵向传递;冻融对土体结构产生严重破坏,导致地基沉降大幅增加;筏板-土体系统作为荷载的主要载体,当土体强度衰减时,筏板应变随之增大;冻融循环造成地基一定深度范围内应力的增加,与冻融循环作用深度范围一致,且随着荷载水平的增加影响程度愈加显著。此外,数值模拟结果与试验结果具有较好的一致性,本文数值模拟方法可用于分析新型筏板地基受力特征。     

基于岩土水理性的寒区路基边坡稳定性分析

通过研究岩土体的水理性质分析寒区路基边坡的稳定性。寒区边坡路基的稳定性主要受水与温度的耦合作用影响,即冻融循环和融化过程。岩质边坡主要受冻融循环作用导致冻融损伤,使其强度降低,产生失稳;土质边坡由于水的相态变化,导致土体软化、胀缩,其黏聚力、内摩擦角以及强度降低,其边坡稳定性系数与融化深度和融化层饱和度密切相关。     

冻融循环对土体强度变形参数的影响

在寒区工程建设中,冻融循环会引起土强度和变形特性发生改变。为了研究多次冻融循环后土的强度和变形参数的变化量,本文以冻融和非冻融的粉质粘土饱和试样为研究对象,通过固结排水三轴剪切试验、三轴等向压缩试验和弹性模量试验,比较了冻融循环对土样强度参数和变形参数的影响。试验结果显示：冻融和非冻融试样的应力—应变关系曲线均呈应变硬化型,对于原状试样冻融作用破坏了其结构性;冻融作用导致土体强度的降低,主要体现在粘聚力的降低,约降低了55.6%;冻融循环对变形参数有明显的影响,其中最明显的是弹性模量的降低,降低了31.2%。该研究结论可为工程冻害处理提供参考,也可为相关研究的数值计算提供试验参数。     

饱和粉质黏土反复冻融电阻率及变形特性试验研究

针对青藏铁路北麓河粉质粘土,利用冻融循环全过程电阻率试验设备获取封闭系统下冻融过程电阻率、土体温度场、冻胀融沉变形量全过程曲线,探讨了饱和粉质黏土正冻正融过程电阻率及变形特性。试验结果表明：冻融循环过程中电阻率与冻融变形的变化是实时的、完全同步的,利用电阻率特性研究冻融过程土体结构变化是可行的;每次冻融冻土电阻率随着冻融次数增加呈指数关系减小,融土电阻率随冻融次数增加呈指数关系增加;每次冻胀量与融沉量随冻融次数的增加而减小,平均干密度随冻融次数增加而增加,并且经过5次冻融循环后冻胀融沉量和干密度均趋于稳定。     

沉积泥砂非线性大变形固结沉降计算模型

沉积形成的水底黏性泥砂自重固结过程表现出显著非线性大变形固结特征,应采用大变形固结理论进行泥砂沉积固结计算。基于软黏土一维非线性大应变固结理论,应用有效应力、渗透系数与孔隙比间扩展幂次函数固结本构关系,由达西定律、有效应力原理、连续介质方程等建立大变形固结控制方程,根据固结单元孔隙水渗流、单元变形与泥砂沉积层固结沉降耦合关系形成黏性泥砂大变形自重固结数值模型。泥砂自重作为固结荷载,数值模型假定沉积泥砂各向同性且固结沉降应变、孔隙水渗流仅发生于竖直方向,为一维单向沉积固结过程;采用泥砂沉降柱试验确定泥砂非线性扩展幂次函数关系参数。模型应用中,划分竖向固结单元,由沉积泥砂固结本构关系确定各固结单元有效应力及超孔隙水应力,通过超孔隙水应力时间维度上的消散过程及各固结参数间的耦合关系计算泥砂固结沉降。数值模型计算结果表明,沉积黏性泥砂自重固结初期表现为有效应力调整过程,初始有效应力与孔隙比根据固结本构关系匹配调整为扩展幂次函数关系;沉积泥砂应变与应力固结度存在20%左右误差,泥砂固结沉降发展快于超孔隙水应力消散过程,证明沉积泥砂固结沉降变形的发展与超孔隙水应力消散并非同步耦合。计算模型应用于室内沉降柱试验模拟淤积黏性泥砂自重固结沉降预测中,模型输出与试验结果符合良好。     

寒区路基改良土冻融循环与荷载耦合作用下损伤力学研究

以路基改良土作为研究对象,研究其在冻融受载耦合条件下的损伤演化规律.土体在冻融循环条件下的受载损伤,就可以等效为土体在2种加载下的损伤.以寒区路基工程为背景,考虑冻融与荷载的耦合作用,通过室内试验,研究了冻融循环作用下路基改良填料的强度和变形特性,在此基础上探索改良土路基内部土体发生在细观层次上的损伤形态和演化过程,建立冻融受载损伤模型.     

粉砂土反复冻胀融沉特性试验研究

针对深季节冻土区的特殊环境,通过室内试验研究了粉砂土在不同初始含水率、干密度、荷载、冻融次数条件下的反复冻胀、融沉特性。研究结果表明：粉砂土的冻结温度为-1.03 °C;其冻胀融沉变形随冻融次数的增加呈现波浪式起伏变化,并最终趋于稳定状态;经历多次冻融后,干密度较大试样整体表现为膨胀,干密度较小试样整体表现为压密;上部荷载在抑制冻胀的同时加大了试样的整体融沉变形,却降低了每次冻融的冻胀率和融沉系数;存在一个最优初始含水率,该含水率条件下,试样经历多次冻融后的高度不发生变化;由于外界水源的补给,冻融后试样内部含水率均大于初始含水率;干密度和顶端荷载的增大均有效地抑制了外界水源的补给;4次冻融循环后,粉砂土的冻胀率、融沉系数均逐渐趋于稳定。     

基于微裂隙变形与扩展的岩石冻融损伤本构模型研究

在冻融条件下岩石微裂隙中的水发生相变,体积膨胀,对微裂隙产生很大的冻胀力,当冻胀力超过岩石的抗拉强度时,微裂隙扩展。温度升高时,水又进入新的微裂隙,如此反复循环造成了岩石的损伤。据此,将岩石中的微裂隙等效为扁平状椭圆裂隙,基于断裂力学建立了单条微裂隙下裂隙扩展长度与冻胀力的关系,考虑岩石中微裂隙的分布,将岩石冻融条件下的应变分解为初始损伤应变、附加损伤应变和塑性应变,建立了弹塑性冻融损伤本构模型。最后,通过岩石冻融试验对该模型的合理性进行了验证,结果表明,该模型能够较好地模拟岩石在不同冻融次数下的应力-应变关系曲线。     

饱和正冻土水分迁移及冻胀模型研究

正冻土在温度梯度大的情况下,冻结锋面快速移动,孔隙水变成冰,造成原位体积膨胀;而通常在天然条件下,温度梯度都不大,水从未冻区向冻结区迁移,在某一个位置引起冰的累积,形成分凝冰。由于此诱发的冻胀要比原位冻胀大很多,因此,建立一个能够模拟土体水分迁移及分凝冰形成过程的冻胀模型尤其重要。基于第2冻胀理论,建立了饱和土体冻胀模型。在模型中,假设冻结缘中单位时间内水分迁移速度为常数,以计算冻结缘内水压力,再根据克拉方程得到冰压力。根据冰压力的大小作为分凝冰形成判据,研究中假设新的分凝冰形成以后,上一层分凝冰停止生长。模型把水分迁移和冻胀速率当作基本的未知量,模拟了与可天然土体冻胀类似的底部无压补水和顶部加压的冻胀情况。通过数值模拟与试验结果进行对比,初步验证模型的可靠性,其研究结果为实际寒区工程的冻胀预测提供参考。     

冻融循环作用下土工袋冻胀量和融沉量试验

为研究季节性冻土地区冻融循环作用下土工袋防冻融、冻胀效果,对不同冻融循环作用下土工袋和土进行了室内模型试验,在开放系统和封闭系统中分别研究了土工袋和土冻胀量、融沉量之间关系,试验结果表明,经历4次冻融循环作用后,封闭系统中土工袋冻胀量、融沉量分别小于土的冻胀量、融沉量;开放系统中土的冻胀量为土工袋冻胀量的1.9倍,土的融沉量为土工袋融沉量的2.2倍,开放系统中地下水对土工袋的补给量远小于土的补给量,试验验证了土工袋可以有效防止渠道及建筑物基础冻融、冻胀破坏,可为渠道防冻胀提供理论基础。     

冻融循环过程中土体的孔隙水压力测试研究

冻融循环对土的结构以及物理力学性质有着重要影响,其变化与冻融过程中的孔隙水压力变化有密切关系。但土体冻结过程中的孔隙水压力测试一直是冻土土工测试试验的技术难题。针对这一难题,研发了一种适用于冻结土体孔隙水压力测试的探头,并对砂土和粉质黏土在冻融循环过程中的孔隙水压力发展变化进行了实时监测,获得了圆柱试样冻融循环过程中不同深度处的孔隙水压力变化过程。在冻结过程中,粉质黏土形成冻结缘区及可视的分凝冰,而砂土则无冻结缘及分凝冰的形成。冻融循环过程中土体内部的孔隙水压力变化受温度、冻结速率、冻融循环以及土质等因素的影响。孔隙水压力随温度的循环变化而经历周期性变化：冻结过程中,孔隙水压力不断下降,吸力不断增加;融化过程中,孔隙水压力增大。而冻结速率、冻融循环及土质主要对孔隙水压力降的幅值变化产生影响。此外,冻结锋面位置附近孔隙水压力的下降、吸力的增加,正是水分由未冻区向冻结区迁移的主要驱动力。根据以上试验结果及其理论分析发现,所研制的孔隙水压力探头具有一定的实用性。     

季节性冻土区滑坡防治工程的冻融效应分析

川藏铁路规划线路穿越青藏高原东缘高寒带岛状山地冻土区,冻融环境相对复杂。文章通过对川西地区及藏东昌都地区G317、G318沿线滑坡防治工程25处典型案例进行调查,总结冻融条件下滑坡防治工程的破坏形式及受力机理,探讨了水平冻胀力、法向冻胀力的计算方法及其对挡墙、桩间板、排水沟等的影响,计算结果表明水平冻胀力远大于主动土压力,认为开放式冻胀较封闭式冻胀对防治工程的影响更大;阐明了冻胀融沉对锚索工程的影响,提出使用基于蓄能消能系统的锚索结构;探讨了季节性冻土区滑坡防治材料抗冻等级选择方法及减缓冻融效应的措施及建议,为川藏铁路沿线滑坡治理工程及拟建施工便道的边坡支护提供参考。     

青藏高原多年冻土区斜坡稳定性研究进展

青藏高原多年冻土区斜坡失稳是伴随着青藏公路建设和运营过程中出现的一种灾害性的地质现象，其中以热融滑塌最为显著。本文根据斜坡失稳时所处的环境以融滑塌为例，提出了冻融循环过程中流塑状粉土沿厚层地下冰面滑动的滞水润滑效应的形成机理；通过相似模拟试验，可以看出，垂直于坡面的变形主要表现为融沉变形和部分冻胀变形；建立了温度场、变形场的数值模拟模型，分析了坡体不同深度在冻融循环过程中的位移变化规律，得出冻土斜坡位移主要发生在浅部的结论。最后指出目前研究存在的主要问题及进一步的研究方向。