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。     

寒冷地区建筑物冻害裂缝及其处理方法

寒冷地区地基土的冻胀与融沉,往往引起建筑物产生冻害裂缝,按其性质可分为稳定裂缝与不稳定裂缝两种类型。本文主要讨论冻害裂缝发生原因、型式及实例分析,冻害事故处理和防治措施等几个方面。 一、冻害裂缝发生原因与型式 建在冻土上的建筑物,由于朝向不同及采暖的影响,基础周边冻结深度发展不均匀,通常角端冻深较大,墙中部较小(表1)。从冻结时间上看,冻结到基础底面的时间是不同的,也是四角先冻,中间稍后(表2)。     

浅潜水对冻胀及其层次分布的影响

在我国干旱和半干旱的三北地区,冬季季节冻结层的潜水补给是造成建(构)筑物冻胀破坏的主要因素。当前,由于缺乏这方面的研究工作,在浅潜水地区的建设中,对于冻害问题,用封闭系统的一些研究成果,以及“主冻胀带”等一些概念,出现了一些问题。因此,研究浅潜水条件下,不同土壤的冻胀及其层次分布规律,对于正确处理浅潜水地基上建(构)筑物的防冻害问题,如基础浅埋、基土换填、隔水、排水等,都具有重要的实际意义。     

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     

察达沟谷冰碛土冻结深度与冻胀变形影响因素正交试验研究

中国西藏察达沟谷内存在有大量冰碛土,随着西部大开发的进行,该地区将有众多基础性工程建设于该冰碛层冻土地基上。为探究该地区冰碛土冻结深度和冻胀变形的影响因素,通过正交设计,在室内开展开放系统下多因素多水平单向冻结试验,研究了开放系统单向冻结下各因素对冰碛土冻结深度和冻胀变形的影响及显著性大小,同时对冻结后土体不同高度水分重分布进行分析,并给出冻结深度和冻胀变形的多元回归方程。研究表明:对冻结深度和冻胀变形影响最为显著的因素分别是冻结端温度和初始体积含水率。各因素对冻结深度显著性影响大小排序为:冻结端温度>冻结时间>冻结端降温速率>初始体积含水率>压实度;对冻胀变形影响大小排序为:初始体积含水率>冻结端温度>压实度>冻结时间>冻结端降温速率;当冷端温度低、冻结时间长时,冻结锋面上方3～8 cm处存在冻结缘,此处为水分迁移和水冰相变的关键区域,会作为蓄水带进一步加剧土体的冻胀;根据正交试验结果,建立了可有效预测该地区冰碛土在多因素影响下的冻结深度和冻胀变形的多元回归方程。研究结果对相关地区冰碛土工程安全性评价与防冻害设计具有一定参考价值。     

挡土墙冻胀裂缝的分析

在寒冷地区,挡土墙受冻胀破坏是十分严重的。特别是渠系水工建筑物的挡土墙,它们多建于松软土基上,在凉融作用下,墙体常常发生上抬、倾斜、断裂等冻害现象。有关调查资料表明,渠系水工建筑物挡土墙的冻害破坏约占挡土墙总数的三分之一左右。因此,调查了解现有渠系水工建筑物挡土墙的冻害情况,研究分析软基上水工挡土墙冻融破坏的基本规律,总结整理现有防治挡土墙冻害的成功经验是非常必要的。     

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。     

寒区冬季输水渠道冻胀破坏机制与防治--以新疆乌什水水库引水渠为例

额敏县乌什水水库引水渠位于新疆北部，地基基础属季节性冻土。冬冻夏融，呈季节性变化。冬季输水受渠道渗漏影响，沿渠道两侧形成上层滞水的季节含水层。每年冬季降温期间，渠道砼板在冻结层冻胀力和渠水表层冻结冰的冰撑力综合作用下遭受冻胀破坏，严重威胁季节性冻土区渠道输水安全。通过对水工建筑物冻害调查、研究、观测，提出如下综合防治方案：选择防渗措施，减少渠道渗漏；夯实渠道基础，置换下垫土石；采取保温措施，抵御冻胀破坏；改变设计结构，提高抗冻害能力。     

不同掺合料砂砾石的冻胀实验研究

本文介绍饱水开放系统条件下砂砾石土的冻胀实验及结果,给出了四种土类在不同细颗粒土含量时的冻胀实验结果,并考虑冻结速率的影响;提出了用砂砾石土换填冻层的允许粉粘粒土含量之标准界限和工程实用的冻胀率安全控制指标,给出了其含量与冻胀率的相关曲线及冻胀率预报计算的经验公式。     

冻结温度对原状黄土物理力学性质的影响

在陕西省黄土地区典型地点取土样,开展不同含水率、不同干密度土样在不同温度下的冻结试验,探讨冻结温度下黄土的冻胀规律。研究表明,在干燥状态下陕西黄土样不发生冻胀或冻胀量很小。黄土的冻胀性随含水率的增加而显著。随着冻结温度的降低,黄土冻胀量变化率逐渐减小,最终冻胀趋于恒定。含水率较低时,冻结温度对土样的干密度影响不明显,随着含水率的增大,在高含水率条件下,孔隙率越小,影响越显著。低含水率条件下,冻结黄土呈现收缩现象,中等含水率略有增大,高含水率增大明显。在冻结过程中,冻胀力的作用使得土颗粒间的接触点增多,大孔隙所占的比例下降,导致土体内摩擦角增大;冻结温度越低,土样含水率越高,黄土内摩擦角的增加量也越大;冰晶的生长破坏了土颗粒间联结,引起结构弱化,黏聚力减小;含水率越高,孔隙率越小,冻结作用对黄土黏聚力影响越明显。      

渠道工程抗冻防渗研究

该项研究采用理论与实体工程、现场与室内试验相结合的方法,研究了土冻结时的基本规律、渠道工程冻害机制及防冻措施,较全面系统地分析总结了典型土的物理特性和地基土的冻胀特性,提出具体的抗冻防渗措施及实施方案。主要研究内容:     

冷库地基土冻融时对建筑物破坏的剖析

本文总结了某冷库在运行过程中地基土冻结十五年后,其最大冻结深度达8.5米,冻结地基土已失去原有的物理性质。但冷库建筑物经受了冻胀和沉陷破坏。 该冷库为四层钢筋混凝土框架结构,宽31.5米,长49.5米,四周填充43厘米的砖墙,柱网距为4.88×4.88米(图1)。冷库冻结间的温度为-15℃至-23℃,地下水埋深0.8米,基础下为截面300×300毫米长4.8米的钢筋混凝土方桩支承.冷库基础下部冻土与各单体桩群冻结成为一整体,可视为一冻结筏基,外柱墙基均未冻结,但亦受到冻结土温度的影响,使外柱地基土的温度下降。冻结筏基形成后,冻土强度从上至下(-11C—0℃)从中到边墙(-11℃—-4℃—0℃)随温度递增而递减。 地基冻结是在建筑物使用过程中逐渐形成的,即在受压情况下冻结的。后又经过长时间的融化,以及冻融土的土质条件不同,厚薄不一,致使建筑物基础冻胀,冻融沉降极其复杂。在此我们仅对冷库地基土冻融对建筑物破坏作一些剖析,并从这一实例中得到一点启示,提出来大家讨论。     

冻融循环下膨胀土物理力学特性研究EI北大核心CSCD

处在季节性冻土区的膨胀土渠道极易受到冻融循环作用的影响,影响工程的稳定安全。为了探究冻融循环作用对膨胀土物理力学特性的影响,以南阳膨胀土为研究对象,开展了不同含水率条件下膨胀土试样的冻融循环试验,对经历不同冻融循环次数作用后的试样进行了变形测量、无侧限压缩试验和微细结构试验。结果表明,在冻融循环过程中含水率低的膨胀土体积变化规律表现为"冻缩融胀",含水率高的膨胀土体积变化规律表现为"冻胀融缩";冻融循环作用对膨胀土的应力应变曲线、强度和弹性模量有着显著的影响,尤其是第1次冻融循环作用;试样的含水率越高,膨胀土的力学参数受冻融循环作用的影响越大;试样的面孔隙度和孔隙定向度的变化规律与力学参数的大致呈负相关,说明冻融循环作用下土体内部微细结构的变化直接影响着膨胀土的力学性质。     

冻融循环下膨胀土物理力学特性研究

处在季节性冻土区的膨胀土渠道极易受到冻融循环作用的影响,影响工程的稳定安全。为了探究冻融循环作用对膨胀土物理力学特性的影响,以南阳膨胀土为研究对象,开展了不同含水率条件下膨胀土试样的冻融循环试验,对经历不同冻融循环次数作用后的试样进行了变形测量、无侧限压缩试验和微细结构试验。结果表明,在冻融循环过程中含水率低的膨胀土体积变化规律表现为“冻缩融胀”,含水率高的膨胀土体积变化规律表现为“冻胀融缩”;冻融循环作用对膨胀土的应力应变曲线、强度和弹性模量有着显著的影响,尤其是第1次冻融循环作用;试样的含水率越高,膨胀土的力学参数受冻融循环作用的影响越大;试样的面孔隙度和孔隙定向度的变化规律与力学参数的大致呈负相关,说明冻融循环作用下土体内部微细结构的变化直接影响着膨胀土的力学性质。     

补水压力对土体冻胀的影响北大核心CSCD

为了研究冷端温度、土质和补水压力对土体冻胀影响的强弱以及现行评价土体冻胀敏感性的方法在土体有压补水冻结时的适用性,开展了三因素三水平的冻胀正交试验。基于灰色关联度法得到的结果表明,影响土体冻胀率的因素由强到弱依次为补水压力、冷端温度和土质。补水压力、冷端温度与冻胀率的关联度较大,土质与冻胀率的关联度较小。在较高的补水压力作用下,非冻胀敏感性的砂类土产生了明显的冰透镜体,且部分砂类土的冻胀率超过了黏质土的冻胀率。发现仅凭细粒含量评价水压作用下砂类土的冻胀敏感性存在缺陷,应根据土体所处的实际环境进行综合评估。通过讨论冻胀敏感性、融沉敏感性与冻害敏感性之间的关系,提出受水压影响的寒区工程构筑物须通过设置隔水和排水设施以及使用换填法来综合防治冻害的方法,可为相关工程的设计及安全运营提供参考。     

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。     

开放系统下硫酸钠盐对土体冻胀的影响

易溶盐在土中的存在及其在冻结过程中的重新分布对土体的冻结过程有重要影响.在开放系统单向冻结条件下,对青藏铁路沿线粉质红粘土进行了冻结试验.结果表明:随着冷能的持续传递,硫酸钠盐和水分向温度较低处迁移,土体0℃曲线持续降低;但基于测定的含盐土大量冻结温度的基础上,对土体冻深的研究发现,在开放单向冻结条件下土体冻深随着水盐迁移进程的发展而减小,造成与补蒸馏水的土体相比,土体的冻胀较小.同时,利用冻深发展曲线和硫酸钠水溶液相图及溶解度曲线,对土柱中的冻胀和盐胀分别进行了计算,结果认为:土体变形主要是由冻胀引起,硫酸钠结晶膨胀只发生在未冻土段,这与试验结束后对土体冻土段和未冻土段的干密度分层测定的试验结果相一致.     

隧道水平冻结施工引起地表冻胀的历时预测模型

隧道水平冻结施工过程中,土体冻结引起体积膨胀,进而会在地表产生冻胀现象。实际工程一般采用多根冻结管形成冻结壁。冻结壁交圈前,地表冻胀由多个冻土柱的叠加膨胀变形引起;冻结壁交圈后,地表冻胀则由整个冻结壁的膨胀变形引起。鉴于此,考虑冻结壁的形成过程,基于随机介质理论,建立了隧道水平冻结施工引起地表冻胀位移的历时预测模型。同时对冻结外锋面半径和冻胀区域外半径这2个关键参数的取值方法进行了相关探讨。最后针对两个工程案例,采用该计算模型对地表冻胀位移进行分析,得到地表冻胀位移随时间的变化规律,并与现场实测结果相比较,验证了模型的可靠性。该模型应用于隧道水平冻结施工前、冻结期内任意时刻的地表冻胀位移预测,可为工程冻结实施方案的合理确定提供有效依据。     

我国寒区输水工程研究进展与展望

由于极端寒冷和其他复杂环境条件, 寒区输水工程容易发生冻害, 威胁其供水能力和安全保障。通过综述寒区输水工程研究的文献和进展, 概括冻害现象、 冻害原因、 研究方法以及防治措施, 提出未来需要研究和应对的问题。寒区输水工程冻害现象主要表现为衬砌破坏, 防渗保温层破坏, 接缝止水材料脱落, 渠道基土流失、 滑塌、 冰塞和漫堤等; 引起冻害的原因主要为冻胀、 冻融循环、 不良地质条件、 不合理施工和管理等; 研究方法方面通常从衬砌优化设计和基土水热力分析展开; 防治措施主要有基土换填, 铺设防渗保温层和排水等。目前研究中的不足主要表现在衬砌受力分析模型过于简化, 对不同防渗保温措施缺乏定量研究, 水热力分析时未考虑输水渠道特殊条件以及缺乏冬季延长输水时间管理的科学方法等问题。     

公路涎流冰的成冰机理与新型防治措施研究

建立了粗、细粒土冻结模型, 分析了扰动三层体内部的析冰原理, 提出密闭水体的冻结-压力循环, 该循环是涎流冰发育的机理. 对饱水粗颗粒土与饱水细颗粒土的冻结模型比较表明, 饱水粗粒土在密闭体系中的冻结; 就其产生的水压力而言, 实质上就是密闭水体的冻结, 也就是水冻结成冰体积膨胀受限而产生力的问题. 这种体积膨胀产生的力导致约束结构(如薄弱层)的整体性破坏. 在公路边坡数值模拟分析的基础上, 提出边坡薄弱层破坏导致渗水是形成坡积冰的主要原因之一, 薄弱层破坏处是病害最严重的位置. 根据病害形成原理和成因分析, 并提出渗井与仰斜式排水管相结合的复合防治措施, 工后效果良好.