高温冻土松弛特性试验研究

为深入认识高温冻土的松弛规律,查明预应变对松弛过程的影响,开展了一系列室内高温冻土松弛试验。研究发现,预应变过程明显影响了高温冻土的松弛过程,表现为预应变量增大,瞬时松弛量相应提高,松弛稳定历时延长;对于恒应变速率加载而言,恒应变速率增大延长了松弛稳定历时,并提高了高温冻土的松弛速率;对于恒应力率加载过程而言,恒应力率增大,松弛稳定历时延长,松弛速率也随之提高。偏应力与时间对数的关系具有明显的非线性特征,不能简单描述为单一直线,采用双曲线型关系描述其关系时效果很好,根据双曲线型获得了一种经验型的流变关系,并对该流变关系的可靠性进行了验证。     

冻融循环作用下土体结构演化规律及其工程性质改变机理

寒区工程被破坏的最主要原因之一就是冻融循环作用,冻融循环过程可导致土的工程性质发生较大的变化,进而导致寒区工程设施产生变形,甚至失稳。对冻融循环作用下土的结构、基本物理性质以及力学性质进行了分析和总结。研究发现：冻融循环作用后土颗粒之间的原有结构被破坏,从而形成新的结构,土中团粒会发生分裂和团聚作用,团粒粒径向均一性趋势发展,并且在不同的内部及外部条件下,土会产生不同的构造;冻融循环后,土的渗透性增大,塑性指数减小。松散土和密实土的密度以及孔隙比具有不同的变化趋势,并且可使无湿陷性的黄土状土中大孔隙增加并产生湿陷性。土的力学性质变化趋势不一,一方面这与土的构造变化直接相关,另一方面冻融循环试验方法的不同也是引起研究结果差异性较大的重要原因。因此,需要建立冻融循环作用下土工程性质变异性的判定方法、评价及预测体系,而这些也可能成为未来研究工作的方向。     

冻土前期固结压力的试验研究

前期固结压力 在土力学中占有重要的地位。对于融土, 是土受力历史的重要指标,与土的力学性质有着密切关系;对于冻土,由于冰和土颗粒骨架的联结使其具有一定的结构性,也应当具有类似前期固结压力的指标存在。以冻结青藏黏土为研究对象,对不同初始干重度和不同温度下的冻土试样进行 压缩试验,采用双对数法得到冻土的前期固结压力 。研究表明,这个指标尽管不同于融土前期固结压力的概念,但其对于冻土的力学性质同样具有重要意义。试验研究还发现,冻土前期固结压力与干重度和温度具有一定的关系。     

多年冻土地区构筑物沉降变形分析

根据现场观测和数值分析,将多年冻土地区构筑物的沉降变形归结为几个具有不同机制的物理力学过程共同作用所致。伴随着冻土上限下降所产生的融沉,由于构筑物的修建引起多年冻土层升温而产生的高温冻土的蠕变和活动层的未冻土在暖季发生的蠕变,以及由于活动层中冻融循环改变了土的工程性质而导致的附加沉降变形。基于青藏公路和青藏铁路的修建和维护的实践,分析了以上几个可能引起沉降的原因。     

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。     

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。     

典型工程筑坝砂砾料级配特征与压实特性研究

砂砾石坝坝料级配设计、坝体分区和填筑标准的设计均依赖于工程经验,为砂砾石坝坝料设计和填筑标准设计及评估提供工程类比基础。基于典型工程筑坝砂砾料级配包线和填筑标准现场试验干密度统计,分析实际工程筑坝砂砾料典型级配包线范围,给出关键级配特征参数的分布区间,并研究砂砾料级配特征对压实特性的影响。结果表明：（1）典型筑坝砂砾料级配最大粒径为400～600 mm,常见级配包线含砾量为70%～88%,曲率系数为1～10,不均匀系数多大于5,级配方程参数b和m范围分别为0～0.9和0.2～1.0;（2）能获得较高填筑干密度的砂砾料级配含砾量为70%～85%,曲率系数为1～10,不均匀系数大于5,级配方程参数b值和m值分别为0.7～0.9和0.6～0.9;（3）含砾量、曲率系数、不均匀系数和最大粒径对干密度均有显著影响,影响程度依次减小。     

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。