考虑低温粒间吸力的饱和冻土UH模型北大核心CSCD

冻土本构模型对于分析寒区岩土工程的安全和稳定性至关重要。低温吸力理论可以在物理层面解释温度对冻土力学特性产生影响的机理,且基于该理论所建立的冻土本构模型能实现融土和冻土本构关系的统一,所以近年来低温吸力理论受到越来越多的关注。本文首先通过分析饱和冻土中冰-水界面的表面张力作用,在低温吸力理论的基础上提出了低温粒间吸力的概念,并基于Clapeyron方程建立了低温粒间吸力与温度的关系式以及饱和冻土的有效应力公式。其次,针对多种类型的饱和冻土开展了温控侧限压缩试验和三轴剪切试验,发现低温粒间吸力对冻土力学特性的影响可以归结为其对冻土表观超固结性的影响,即冻土的表观超固结程度随低温粒间吸力的增大而增强。根据试验规律,建立了冻土表观前期固结压力和抗剪强度计算公式。最后,将以上所建立的冻土有效应力公式、前期固结压力公式和强度公式与超固结融土的统一硬化本构理论(即UH模型理论)结合,提出了一个新的冻土热力耦合弹塑性本构模型。使用该模型模拟冻土侧限压缩试验、单轴压缩试验和三轴剪切试验,发现其能合理描述冻土在不同温度和围压下的应力-应变关系,且计算结果与试验数据符合良好。     

冻土的力学性质及研究现状

中国具有广大的季节冻土和多年冻土区,在冻土地区进行工程建设,就必须深入研究冻土的力学特性,以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性。本文首先,简要介绍了我国冻土的分布状况和冻土区别于融土的基本特性,广义的冻土力学可分为冻融作用和已冻土力学性质两方面,冻胀、融沉和冻融循环引起的土力学性质的变化属于冻融作用的范畴。对于冻胀的研究较为深入,人们先后提出了多个理论来解释冻胀产生的机制,有的应用于计算分析中。对融沉的研究尽管具有较长的历史,但是多数停留在经验方法上,融化固结理论目前还有较大的局限性,因此提出一方面可以用人工神经网络法提高经验方法的精度和适用范围,另一方面应当发展融化固结大变形理论;冻融循环可以改变土的力学性质,介绍了作者的最近研究进展。针对已冻土的力学特性,从3方面进行了分析。冻土的强度主要沿用融土的强度理论,很难反映高应力下的压融现象;冻土动力学特性主要针对温度对动力学参数的影响,近年来冻土层对场地动力响应的影响越来越受到重视;冻土的本构关系多集中在蠕变研究,以经验公式法为主。最后,分析了多年冻土地区工程变形所涉及的物理力学过程。     

高温冻结砂土温度界限试验研究

由于高温冻土力学特性与融土相近,对其研究越来越多,然而迄今并没有一个广为接受的基于力学指标的明确定义。以冻结饱和标准砂为研究对象,利用三轴剪切试验和侧限压缩试验获得黏聚力、割线变形模量和压缩指数等力学指标,通过分析这些指标随温度变化的规律,试图从力学特性的角度对于高温冻结砂土给出一个明确的温度界限。研究发现,冻结砂土在-1.0℃到-0.5℃之间,黏聚力、割线变形模量和压缩指数等力学指标发生突变,因此,将-1.0℃定义为高温冻结砂土的温度界限,对涉及高温冻土的工程建设和维护具有重要的意义。     

青藏铁路路基下高温-高含冰量冻土旁压试验研究

为研究青藏铁路路基下高温-高含冰量冻土的力学性质,在青藏铁路北麓河试验段开展一系列旁压强度试验。试验研究表明：路基的增加引起路基下多年冻土温度升高,未冻水含量增加,最终导致冻土旁压临塑压力Pf下降31 %,旁压极限压力Pl下降44 %,旁压剪切模量Gm下降80 %。对于高温冻结黏土,富冰冻土和饱冰冻土Gm对温度变化的敏感性高于含土冰层;饱冰冻土的Pf和Pl对温度变化的敏感性高于富冰冻土和含土冰层。     

考虑应力历史的饱和土抗剪强度测试方法探讨

通过直剪试验和三轴试验,研究了超固结状态和正常固结状态土强度指标的差异性。抗剪强度指标在大于和小于前期固结压力的压力段明显不同,试验资料整理时应分别确定抗剪强度指标。剪切前,试样在其自重固结压力（重塑土为预固结压力）下作预处理,比较了在垂直压力或围压小于前期固结压力和大于前期固结压力两个压力段的强度指标,前者不固结不排水剪黏聚力c小于后者,内摩擦角φ大于后者;固结不排水剪黏聚力c大于后者,内摩擦角φ小于后者。重塑土强度试验模拟的应力历史很难真实反映实际工况土体的强度特性,室内试验应尽量使用原状土进行抗剪强度测试。室内试验确定土的抗剪强度指标时,应先确定地基土的前期固结压力、K0状态参数,按工程实际应力状态确定。     

水分对冻土中超声波速的影响

温度、水分(包括冰与未冻水)及结构状况直接影响着冻土的各种性质。一定负温下,不但冻土中冰晶含量取决于含水量,而且随土粒径的不同,含水量变化也必将或多或少地影响到冻土的结构状况。改变含水量,冻土的物理力学性质随之改变,同时它的声学特性也将发生相应变化。了解冻土中声波传播速度的变化规律,对于研究冻土物理力学性质以及用声测法对冻土进行无损检测,无疑具有重要意义。     

冻土侧限压缩试验仪的研制及应用

随着寒区高等级道路工程等基础设施的建设,迫切需要对冻土压缩特性和静止土压力系数（K₀系数）开展试验研究,但目前缺乏开展相关研究的专用仪器。本文基于融土侧限压缩试验的原理,结合冻土力学性质受温度控制的特性,自主研发了冻土侧限压缩试验仪。该仪器采用冷却罐内冷液循环和冷却罐外恒温箱实现二级控温,控温范围为-50℃至90℃,控温精度达±0.1℃;采用全数字伺服测控器实现温度闭环控制;采用高性能负荷框架结构,刚度大、重量轻,保证仪器在大荷载下平稳运行。利用该仪器对冻结饱和标准砂进行侧限压缩试验,试验结果验证了仪器可靠性。本仪器能准确快捷地测定冻土静止土压力系数和压缩性参数,是研究冻土力学特性并服务于寒区岩土工程建设的有力工具。     

冻融作用对土工程性质影响的研究现状

冻融过程中土结构受冷生作用的影响，可导致土的工程性质发生变化。在冻土地区进行路堑开挖、新消边坡的加固和路基修建时，由于新近暴露的土受到冻融风化作用，在相关的变形和稳定性分析中，选择土性参数时必须考虑土工程性质的变化。在查阅大量文献的基础上，从试验仪器和研究方法、冻融作用下土的物理性质和力学性质的变化及其机理等几个方面，对土的工程性质受冻融循环影响而改变的研究现状进行了总结和分析，列出了典型的研究成果。文献研究表明，土经过冻融后，渗透性会增大；松散土和密实土的密度具有不同的变化趋势；原状超固结土的结构性受到破坏，因而三轴试验的应力应变曲线峰值受到削弱，一维压缩试验中表现为前期固结压力降低；强度的变化则有诸多不同的试验结果。针对目前的研究现状并根据作者的相关工作，提出了进一步研究的思路。     

考虑温度影响的非饱和土本构模型

首先建立了反映温度对非饱和土前期固结压力影响的加载-升温(loading thermal, LT)屈服线,而后基于真强度概念并结合潜在强度的确定方法推导出不同温度下非饱和黏土临界状态应力比的理论计算公式;将LT屈服线与反映常温下吸力对土体前期固结压力影响的加载-湿陷(loading collapse, LC)屈服线结合,建立了加载-升温-湿陷(loading thermal collapse, LTC)屈服面,该屈服面综合考虑了温度和吸力对土前期固结压力的影响;最后在临界土力学框架内建立了一个考虑温度影响的正常固结非饱和土本构模型,并将其扩展到超固结非饱和土。与巴塞罗那模型相比,所提出的模型仅增加了一个参数来反映非饱和土的前期固结压力随温度升高而降低的特性。模型能够综合描述温度、吸力以及不同超固结程度对土应力、应变的影响,方便于数值计算和有限元分析。模型预测和试验分析表明,某一固定吸力下升温会使正常固结非饱和土强度提高;对于超固结非饱和土,升温或湿化均会破坏土体超固结,降低软化和剪胀的效果。     

云南泥炭土力学特性实验及归一化性状研究

云南泥炭土作为一种特殊土类。其物理力学性质不同于一般粘土和有机质土，对这层土的力学特性的研究具有重要的理论意义和实用价值。文章通过三轴的不固结不排水、固结不排水剪切试验，对昆明泥炭、泥炭质土进行了实验研究，得到在不同围压下的轴向应力、周向应变和孔隙压力等参数之间的关系，以及土样的破坏形态。作为一种特殊土，其应力应变关系，孔压与应变关系是否存在归一化性状值得研究．     

先期固结压力理论的新认识

近年来,在对国内广泛分布的老粘性土、红土等土体的研究过程中发现,这些土均为＂超固结土＂,其先期固结压力（Ｐｃ）值不仅与土的受荷历史有关,而且还与土的物质组成和结构特征有着十分密切的关系。研究结果表明,影响Ｐｃ值大小的因素很复杂,红土和下蜀土中对Ｐｃ值大小起决定作用的为游离氧化物的胶结连结,而黄土状土中土自重压力则为主导因素。可见土的先期固结压力并非唯一由上覆荷载所致。     

土体导热系数的评价与计算

土体的导热系数是土木工程热工计算的重要参数.土体的多孔介质性质决定了土体的导热性质与干土、气体及孔隙充填物(水)的含量有密切关系.实验测试结果表明,土体不论处于冻结还是融化状态,其导热系数均随干容重以及含水量的增加而增大.采用土体的物理性质指标,对土体的导热系数进行了分析,给出土体导热系数较为方便的计算方法,有利于工程设计计算参数的选取,同时与实验测试结果对比,有较好的吻合度.     

确定先期固结压力的数学模型法

地基土的先期固结压力是判断土体应力历史的一个指标。在不同应力历史状况的土体变形分析中它也是一个重要的计算参数。因此,方便、准确地确定先期固结压力就显得尤为重要。依据理论研究和试验分析,提出了一种新的确定方法：数学模型法。润扬大桥土样试验的结果证明了此法的可行性。     

冻融循环对不同塑性指数路基土弹性模量的影响研究

在季节性冻土区,不同状态（塑性指数,围压等）路基土在通车运营期间经历冻融循环后,其物理力学性质会发生变化,但目前针对冻融循环对其的影响研究还不够广泛和深入,不能给季冻区路基设计提供准确的数据支持,故路基设计时并未将这种变化考虑其中,只取设计前期所采土样的试验值。取季节性冻土区3种不同塑性指数路基土,在室内采用最佳含水率制备成最大压实度试样,在封闭条件下经历0～7次完整冻融循环过程后,进行不同围压下的三轴压缩试验,在偏应力-应变曲线中通过直线段应力-应变关系得到弹性模量数据,结果表明,同种土相同冻融循环次数下,弹性模量随围压增加而增加;相同围压下弹性模量随冻融循环次数基本呈下降趋势。采用指数函数对所有弹性模量数据进行多元非线性拟合,建立不同塑性路基土弹性模量与围压及冻融循环次数的关系,拟合效果理想,可为缺乏相关资料的季冻区路基设计提供参考。     

非饱和（冻）土导热系数预估模型研究

岩土材料的导热系数是岩土工程温度场分析及建筑热工计算中的重要参数。研究旨在建立一个基于归一化导热系数概念和以土的干燥和饱和状态导热系数为基准的非饱和土导热系数的通用预估模型。通过对文献中328组实测数据的分析发现,将同类土在不同密实度条件下的各种导热系数-含水率曲线簇进行归一化处理后,可以得到惟一的归一化导热系数kr与饱和度Sr（归一化含水率）关系,1/kr与1/Sr呈相关性较好的线性关系,而每支1/kr-1/Sr直线均通过坐标（1,1）点的斜率由土质类型决定。据此提出了一个集成土质类型、密实度（孔隙率）和含水率（饱和度）等因素综合影响的融土和冻土导热系数通用预估模型,并给出了导热系数预估模型中土质参数的取值范围,以及融土和冻土处于完全干燥状态和饱和状态的确定方法。对预估模型进行验证结果表明,所提出的非饱和土导热系数预估模型具有较好准确性。     

Application of Hysteretic Trends in the Preconsolidation Stress of Unsaturated Soils

This paper involves an evaluation of a relationship describing the evolution in yield stress of unsaturated soils during hydraulic hysteresis, and an application of this relationship in an elasto-plastic framework to predict the compression curves of unsaturated soils under drained (free outflow of air and water with constant suction) or undrained (constant water content with no outflow of water and varying suction) conditions. The yield stress was quantified as the apparent mean effective preconsolidation stress obtained from compression tests reported in the literature on specimens that had experienced different hydraulic paths. It was observed that the preconsolidation stress does not follow a hysteretic path when plotted as a function of matric suction, but does when plotted as a function of the degree of saturation. Accordingly, an existing logarithmic relationship between the preconsolidation stress and matric suction normalized by the air entry suction was found to match the experimental preconsolidation stress results. This same relationship was also able to satisfactorily predict the trends in preconsolidation stress with degree of saturation by substituting the hysteretic soil–water retention curve (SWRC) into the place of the matric suction. The relationship between preconsolidation stress and suction was combined with an elasto-plastic framework to predict the compression curves of soils during drained compression, while the wetting-path relationship between preconsolidation stress and degree of saturation was combined with the framework to predict the compression curves of soils during undrained (constant water content) compression. A good match was obtained with experimental data from the literature, indicating the relevance of considering the hysteretic SWRC and preconsolidation relationships when simulating the behavior of unsaturated soils following different hydro-mechanical paths.     

海积软土前期固结压力与结构强度的关系及成因分析

通过对不同地区海积软土的大量试验，对原状土样和重塑土样的压缩曲线确定了海积软土前期固结压力和结构强度，并研究了海积软土前期固结压力及结构强度的关系。由于考虑了土的结构强度，对结构性土根据超固结比(OCR)对土的压密状态的判断与实际结果更加相符。为了定量地反映海积软土的结构强弱，首次引入反映海积软土结构性及其对扰动敏感程度的结构稳定系数，反映了海积软土结构性的稳定程度。初步分析了海积软土结构强度的成因。     

Preconsolidation stress in the Vega Baja and Media areas of the River Segura (SE Spain): Causes and relationship with piezometric level changes

Preconsolidation stress (σ′_p) is the maximum effective stress that a soil has suffered throughout its life. From a geotechnical point of view, preconsolidation stress has a great importance because it separates elastic and reversible deformations from inelastic and only partially irreversible deformations and marks the starting point of high compressibility. This study calculates the preconsolidation stress for 139 undisturbed soil samples from the Vega Baja and Media of the Segura river (SE Spain), using the uniaxial consolidation test and applying the method proposed by Casagrande while using a novel analytical procedure proposed by Gregory et al. [Gregory, A.S., Whalley, W.R., Watts, C.W., Bird, N.R.A., Hallet, P.D., Whitmore, A.P., 2006. Calculation of the compression index and precompression stress from soil compression test data. Soil and Till. Res., 89, 45–57] to avoid subjective interpretations of maximum curvature point. The results show overconsolidation ratio (OCR — the ratio of preconsolidation stress to current natural overburden stress) values for the 10–15 m depth of soil varying from 2 to 14 and maximum preconsolidation stresses above 800 kPa. The main causes of calculated preconsolidation identified are desiccation due to seasonal drying and wetting cycles that have induced additional stresses always lower than 42 kPa for the more superficial samples. Water level decline due to the reduction of recharge suffered by the aquifer system during periods of drought and the uncontrolled withdrawal of water is considered to be the second cause of anomalous OCR values. This second cause induces low stresses to the more superficial layers (lower than 41 kPa) that can reach values higher than 150 kPa for the deeper layers for known water level decreases. In consequence, the soils of the Vega Baja and Media of the Segura river are highly overconsolidated for the first 5 m, decreasing gradually with depth to 10–15 m deep. For samples located deeper than 15 m the soils seem to be underconsolidated, probably due to the existence of confined aquifers that cause deviations from a hydrostatic and linear pore pressure model. This fact has a huge practical significance which implies that deformations affecting superficial layers are lower than those expected for deeper layers for the same load.     

矿区深厚土层的高压固结与次固结特性

实验表明，深部土层的先期团结压力与土层沉积的历史有关；土的团结系数和渗透系数均随压力的增大而减小，并在高压下趋于稳定；当压力小于先期团结压力时，土的次团结系数与压力关系不大；当压力大于先期固结压力时，次团结系数随压力的增大而增大。     

深部人工冻土在小应变条件下的刚度特性

以K0固结后在受载状态下冻结的冻结土体为研究对象,利用代表土体刚度特征的割线弹性模量,研究了在应变不超过0.5 %时,深部人工冻土的刚度随应变发展变化的趋势,分析了造成K0固结后冻结土体杨氏模量与未冻土体杨氏模量较大差异的原因,讨论了冻结温度和初始围压对K0固结后在受载状态下冻结的冻土刚度大小的影响以及对冻土屈服后刚度衰减速度的影响。