冻融作用对海相软土压缩性及抗剪强度影响研究

为揭示原状海相软土冻融前后变形及强度差异性,对宁波原状海相软土及不同冻融条件下的融土进行了压缩实验和三轴固结不排水剪切实验。研究结果表明：单向冻结条件下,冻融作用使海相软土压缩性增强,且对试样不同部位处产生的影响程度不同,对靠近冷端的下部融土压缩性影响最大,中部其次,上部最小;冷端温度越低,冻融作用对融土压缩性影响越小,且逐渐趋于稳定;自然解冻比强制解冻对融土压缩性影响程度更大。冻融作用使融土黏聚力明显减小,内摩擦角略有增大;冷端温度越低,冻融作用对黏聚力和内摩擦角影响程度越大,在一定法向应力范围内,融土破坏强度越小。     

冻融作用对兰州黄土力学性质的影响

以兰州黄土为研究对象,让土样在封闭系统下经历一个冻融循环,再考察土的强度参数（c,φ）和前期固结压力（Pc）在冻融作用下的变化规律。试验表明,冻融循环对不同干容重的土具有强化和弱化的双重作用,并由此导致其力学性质发生相应的变化。相同冻结温度梯度下,随着土样干容重的增大,冻融后Pc和c具有首先增大然后减小的规律,并存在一个临界干容重,在这个干容重下,土样经过冻融后Pc和c不发生变化;干容重较小时,冻融后φ变化不大,随着干容重的逐渐增大,φ有少许增大。同一干容重下,随着冻结温度梯度的增大,冻融后Pc变化量减小,c的变化量增大,而φ的变化不大（呈逐渐增大趋势）。冻结温度梯度对力学性质的影响,主要是孔隙水的不同冻结方式造成的。     

温度对黄土热参数影响的试验研究

黄土的热参数是黄土冻融灾害成因机制研究及热工计算中的重要指标,而温度对黄土的热参数具有一定的影响。对不同含水率、不同干密度的原状黄土试样,采用Test Protocol Hot Disk TPS 2500S型热常数分析仪,在不同温度下开展热参数试验,探讨黄土的热参数随温度的变化规律。研究结果表明:随着温度的降低,试样的导热系数变化曲线大致可分为缓慢增大、迅速增大和基本稳定3个阶段;比热容随温度的降低先增大后减小,最后趋于稳定;热扩散系数则随温度的降低先减小后增大,当温度低于-20℃时保持基本稳定;含水率越大,温度对试样热参数的影响越显著。土体处于未冻结和冻结两种状态下的热参数相差较大。干密度主要通过土体内部矿物质和自由水的含量对热参数产生影响。在黄土冻融灾害成因机制研究和热工计算中,可根据土体温度、含水率和干密度的变化动态选择热参数,而判断土体是否处于冻结状态是确定热参数的关键。     

冻融循环作用对黄土压缩性的影响

黄土不同循环次数冻融试验研究表明,冻融循环作用改变了土的粒径分布,随着冻融循环次数的增加,土体中细颗粒不断增加,土体孔隙比变大,从而使得土体密度变小,但减少的量很小;冻融循环作用使土的压缩系数增大,压缩模量减小.     

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。     

水分迁移对冻土细观结构的影响

冻结作用导致土体中产生了水分迁移,从而改变了土体密度,进而改变了土体结构性及其物理力学性质。利用CT设备,对冻融前后的土样进行CT细观试验,通过CT数变化定量分析土样的损伤程度,反映冻土结构的变化。结果表明：冻结过程中同时发生了裂纹的张开与闭合,冰透镜体位置裂纹数量在冻结后明显增加。冻结区土样在水分迁移并结晶的作用下被切割成多个多边形,造成土样孔隙增大,导致CT数减小,损伤量增大。融土区土体在冻胀力作用下产生了一定的固结,使得其密度增大,CT数增大,损伤量表现为负值。上部荷载对土体损伤有抑制作用,而冻融作用却加剧了土体损伤。     

温度-湿度-荷载综合作用下路基冻融过程试验研究

为了研究季节冻土路基内部温度场、水分场及应力场综合效应的变化特性,基于自主研发的温度-湿度-荷载综合模型试验测试系统,进行室内路基模型的冻结与融化循环试验,分析了冻融循环过程路基内部土体水、热及力学性能的变化特性.试验表明:冻结过程中,初期温度变化大,温度梯度从顶端向底部逐渐递减;路基顶冻结后,0℃冻结锋面不断往下移动,0℃分界线两段内温度梯度差异大;路基含水率分为冻结区未冻水含量似稳定段、过渡区未冻水快速相变段、未冻结区含水率减小段.融化过程中,温度变化先大后小,未冻结水含量与温度大小相关,路基内部含水量呈现中间增大,两端减小的情形.水热综合作用下,应力场表现:冻融过程中,路基回弹模量随着冻结深度的增大呈线性增加,随融化深度的增加而减小;路基回弹模量随冻融循环次数增加而衰减,当达到6次时,衰减趋于稳定.结果表明,土体水热耦合作用是影响路基土体力学性能的关键因素.     

冻融作用下污泥固化轻质土动力特性及结构演化

冻融作用会影响污泥固化轻质土动力特性和结构特性。为研究不同冻融循环次数和冻结温度下的污泥固化轻质土动力特性及结构演化,对冻融循环作用后的污泥固化轻质土进行动三轴试验和固结试验。试验结果表明:在冻融循环作用下,污泥固化轻质土动应力-应变曲线呈弱应变硬化型。污泥固化轻质土动强度和变形随着冻融次数（n）的增加和冻结温度（T）的降低而减小。经历前4次冻融作用后,对固化土变形和动强度影响较大,经历8次冻融循环后基本趋于稳定。冻融循环对土体动力特性的影响本质上是对土体结构性的影响。固化土冻融结构势（m_dσn）的变化规律与动强度类似,随冻融次数的增加和冻结温度的降低而下降。冻融循环次数是影响污泥固化轻质土动力特性和结构性的主要因素,冻结温度为次要因素。     

干密度及冻融循环对黄土渗透性的各向异性影响

黄土作为特殊土之一广泛分布于我国中西部季节性冻土地区,以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象,采用GDS三轴渗透仪测量不同干密度原状黄土竖直向及水平向渗透系数。结果表明,原状黄土水平向渗透系数大于竖直向渗透系数,水平向渗透系数和竖直向渗透系数均随干密度增大而减小;原状黄土渗透各向异性随干密度增大而增强。在封闭系统下用冻融循环箱对干密度相同而初始含水率不同的原状黄土进行冻融试验,结果表明冻融后试样水平向及竖直向渗透系数均随冻融时试样初始含水率的增大而增大;冻融后黄土渗透各向异性随冻融时试样初始含水率的增大而减弱。随着冻融次数增加,黄土水平向及竖直向渗透系数先增大然后趋于稳定;黄土渗透各向异性随冻融次数增加而显著改变,表现在黄土的水平向渗透系数与竖直向渗透系数比值随着冻融循环次数的增加而减小。最后通过观测黄土的微观结构分析了其对黄土渗透性的重要影响。     

细粒含量对粗粒土冻胀特性影响的试验研究

为了得到同时满足冻胀率和击实效果的最大细粒土含量,通过葡氏击实和冻胀试验,研究了不同细粒土含量、不同干密度条件下细圆砾土填料的冻胀特性。研究结果表明,9%细粒土含量下细圆砾土试样的压实效果最好;细圆砾土试样的冻结过程可以划分为快速冻结区、过渡区、似稳定区和稳定区;细粒土含量低于10%时,细圆砾土属于弱冻胀填料;同时满足冻胀率和压实效果的最大细粒土含量为9%;细粒土含量相同时,细圆砾土试样的冻胀率随干密度的增加,先增大而后减小,即存在一个最不利干密度;冻结48 h后,细圆砾土试样冻土段的含水率均大于初始含水率,其不同位置含水率分布曲线呈S型,且随着细粒土含量的增加逐渐呈现倒三角形分布;细圆砾土试样干密度的增大有效地阻断了水分迁移路径。     

非饱和粗颗粒土体的冻结试验研究

按照实际工程中路基填料的级配要求配制试样,在考虑覆盖层和补水条件下进行室内单向冻结试验,开展了土质、温度梯度和温度边界条件对非饱和粗颗粒填料冻胀特性的影响研究。试验结果表明：土质、温度梯度和温度边界对粗颗粒填料的冻胀特性影响显著。其中混合细粒的冻胀量最大、黏质黄土次之、粉质黏土最小,且其对应的试样顶部、冻结锋面处的含水量及外界补水量均具有相同的大小关系。温度梯度越大,冻胀量越大,试样顶部含水量越高,但冻结锋面处的含水量变化比较小,同时外界补水量越小。试样冷端温度边界越低,冻胀量越小,试样冷端含水量越小,但外界补水量越大。     

温度梯度作用下非饱和土水分迁移研究

为了探明非饱和土中的水分在温度梯度作用下的迁移规律,开展了非饱和土在不同温度梯度作用下的气态水迁移试验和混合态水迁移试验。试验结果表明土样内部的温度场在24 h内均能达到稳态且稳定后的温度场沿土样长度方向线性变化。气态水迁移量和液态水迁移量均随着温度梯度的增加而增加,气态水迁移量的增幅显著大于液态水迁移量的增幅。在气态水迁移中,温度效应随着土样初始含水率的增加而显著增加;在液态水迁移中,温度效应与土样初始含水率的关系不大。最后建立了非饱和土在不同温度梯度作用下,当其水分场接近稳态时,土样内部含水率梯度的表达式,该表达式包含温度梯度和初始含水率两个影响因素。     

土壤热参数及其影响因素测试分析

热性质是岩土体基本的物理性质之一,用以评价热量在其中的保持、传导和分布状况,以导热系数、比热容和热扩散系数最为常见,这些参数也是地热能管理与开发、工程冷冻开挖、寒区工程设计与施工的重要参数。已有研究表明,土壤热参数与土质、来源、含水率、密度等因素有关。通过广东湛江某工地粉质黏土和黏土的热参数测试结果分析发现：随含水率的增大,粉质黏土导热系数和热扩散系数的变化趋势是先增加至最大值,然后减小,而比热容基本呈线性增大。干密度对粉质黏土导热系数的影响与含水率大小有关,当含水率不超过20.0%时,其随干密度的增加而增大,而当含水率超过27.5%后,其随干密度的增加有减小趋势;当含水率在24.5%（液限）左右时,基本没有规律可循。干密度对粉质黏土热扩散系数影响规律不明显。黏土的导热系数和比热容都随含水率和干密度的增加而增大;热扩散系数随含水率的升高整体表现为非线性增加至稳定,在低含水率下干密度的影响不明显,在较高含水率下随干密度的增加热扩散系数先增大后减小。较大颗粒的存在导致粉质黏土的导热性较黏土复杂。     

高温-高含冰量冻土压缩变形特性研究

高温-高含冰量冻土属于塑性冻土, 荷载作用下具有较强的压缩性.为了研究高温-高含冰量冻土的压缩变形特性, 采用恒温-变载的试验方法得到了不同温度(-0.3、 -0.5、 -0.7、 -1.0、 -1.5℃), 不同含水量(40%、 80%、 120%)条件下冻土试样的体积压缩系数.结果表明: 1)高温-高含冰量冻土具有极大的压缩性, 青藏黏土40%含水量试样在-0.3℃时的体积压缩系数可达0.328 MPa^-1, 属于高压缩性土; 2)高温-高含冰量冻土在压缩过程中存在渗滤变形, 且主要发生于加载的初始阶段; 3)温度与含冰量是影响高温-高含冰量冻土压缩性的主要因素, 它们决定了冻土中体积未冻水的含量, 从而控制了冻土的压缩性; 4)在试验条件下, 高温-高含冰量冻土的压缩性随着温度的升高而增大, 随着含水量的增大而减小.高温时含水量对压缩性的影响比较显著, 低温时影响较小.     

非饱和重塑砂土动力特性循环单剪试验研究

利用英国WFI生产的WF25735循环单剪试验系统,完成了一系列不同含水率重塑砂土在不同剪应变条件下的循环剪切试验,分析了不同剪应变条件下含水率的变化对非饱和砂土动力特性的影响规律。试验结果表明：动剪模量Gd/Gdmax-?归一化数值,在大应变下存在一个临界含水率11.2%,低于临界含水率时,Gd/Gdmax随含水率的增大而增大,高于临界含水率时,随着含水率的增大,Gd/Gdmax逐渐减小。骨架曲线存在一个相同的临界含水率,当低于该临界含水率时,随着含水率的增大,骨架曲线呈缓慢增大趋势,在含水率为11.2%处达到峰值;当高于该临界含水率时,随着含水率的增大,骨架曲线下降比较剧烈,且出现软化现象,从骨架曲线可以进一步解释Gd/Gdmax-?散点图的变化趋势。对阻尼比D/Dmax-?进行归一化数值,在较大正应力下,D/Dmax随着剪应变的增大而增大。非饱和砂土的滞回耗能随着剪应变的增大而增大;随着含水率的增大,存在一个临界含水率,滞回耗能曲线呈现先增大后下降的趋势,且临界含水率随着正应力的增大出现了偏移。     

基于土壤水势变化的灌溉节水机理与调控阈值

大量试验结果表明,在农田灌溉过程中,土壤含水率及水势变化具有入渗排气、渗吸增能、吸脱水减能和缓慢脱水减能的阶段性特征。当土壤处于水分亏缺状态急需补充水分(土壤吸水)时,土壤水势梯度大于1.0 cmH2O/cm;当土壤水分得到充分补给达到过水(土壤含水率不变,且水通量不为零)状态时,土壤水势梯度等于1.0 cmH2O/cm;当土壤中水分过剩而处于脱水(流出大于流入水量)状态时,土壤水势梯度小于1 cmH2O/cm。由此,根据上述特征指导农田灌溉调控节水,其中土壤层下部(深度15~60 cm)的水势梯度等于或小于1.0 cmH2O/cm可作为监测及预警节水灌溉的阈值。     

不同垂直荷重对风化砂改良膨胀土抗剪强度影响研究

本文以风化砂改良膨胀土的抗剪强度指标为研究对象,通过室内直接剪切试验,研究了在不同垂直荷重作用下,不同掺砂比例及不同含水率对改良膨胀土抗剪强度指标c、值的影响规律及各种不同垂直荷重下的-关系。影响直接剪切试验结果的两个关键因素是试验时的垂直荷重和剪切速率,而现行规范对剪切速率是有明确规定的,但对垂直荷重只有一个推荐性的取值。本文对膨胀土掺入了10%、20%、30%、40%、50%的风化砂,分别配以6%、8%、10%、12%、14%的水,然后在I级垂直荷重(12.5～50kPa)、Ⅱ级垂直荷重(62.5～100kPa)、Ⅲ级垂直荷重(100～400kPa)作用下,进行剪切试验。通过试验研究得知:垂直荷重对改良后膨胀土抗剪强度指标影响较大,随着垂直荷重的减小,掺砂后的膨胀土内摩擦角逐渐增大,黏聚力逐渐减小; 在各级垂直荷重下,在同一含水率状态下,黏聚力均随着掺砂比例的增大而逐渐减小,而内摩擦角均是先增大后减小; 在同一掺砂比例下,黏聚力及内摩擦角均随着含水率的增大而先增大后减小。本试验的研究成果为风化砂改良膨胀土用作公路路基填料提供了试验依据。     

不同遗址土的热物理参数研究

为了研究干密度、含水率和NaCl含量对遗址土热劣化的影响,采用Hot Disk热常数分析仪对良渚遗址、交河故城遗址和通古斯巴西古城遗址的遗址土重塑样进行了热物理参数的测试,分别确定了遗址土的导热系数、热扩散系数和体积比热随干密度和含水率的变化关系。对通古斯巴西古城遗址重塑样掺入了不同含量的NaCl,研究了含盐量对遗址土重塑样导热系数的影响。结果表明,当含水率与干密度增加时,3种遗址土的导热系数均呈线性增长,热扩散系数和体积比热也随着含水率与干密度的增加而增大;相同条件下3种遗址土的热物理参数存在差异,良渚遗址的较大,交河遗址的较小,通古斯巴西古城的居中总体上与土中SiO2含量成正相关关系。当干密度与含水率一定时, 掺入NaCl增加了遗址土的导热系数。     

Investigating soil thermodynamic parameters of the active layer on the northern Qinghai-Tibetan Plateau

The soil thermodynamic parameters, including thermal conductivity, diffusivity and volumetric capacity within the active layer on the northern Tibetan Plateau, were calculated using the measured data of soil temperature gradient, heat flux, and moisture at four stations from October 2003 to September 2004. The results showed that the soil thermodynamic parameters exhibited clear seasonal fluctuation. The thermal conductivity and diffusivity in summer and autumn at Beiluhe, Kexinling, and Tongtianhe were larger than those in winter. The volumetric thermal capacity causes an opposite change; it was larger in autumn and winter than in summer. In spring, the soil thermal conductivity at the Kekexili station was larger than that in summer. Generally, fine-grained soils and lower saturation degrees in the topsoil might be a reason for the lower soil thermal conductivity in winter. For a given soil, soil moisture was the main factor influencing the thermodynamic parameters. The unfrozen water content that existed in frozen soils greatly affected the soil thermal conductivity, whose contribution rate was estimated to be 55 %. The thermodynamic parameters of frozen soils could be expressed as a function of soil temperature, volumetric ice content and soil salinity, while for the unfrozen ground the soil moisture content is the dominant factor for those thermal parameters. As for the soil thermal diffusivity, there exists a critical value of soil moisture content. When the soil moisture content becomes less than a critical value, the soil thermal diffusivity increases as the soil moisture content rises.     

大气作用下浅层非饱和黄土温度变化及其影响因素研究

为了研究大气作用下西北地区浅层非饱和黄土温度场的变化规律及其影响因素。填筑一维土柱模型,在室外自然条件中做大气循环作用下的蒸发模型试验。试验结果表明:在0~10 cm深度范围内,土体温度随深度的增加而降低,在土样表层5~10 cm处温度最低;在相同的外界条件下,土体初始体积含水率越高、压实度越大,导热系数越大,温度变化幅度越大。随着深度增加和蒸发时间增长,压实度和含水率引起的导热差异叠加,使得同一深度处不同压实度和不同含水率土体的温差增大;土体初始体积含水率和压实度均对温度的迁移产生影响,相对于随压实度的变化,土体体积含水率的改变对土体温度迁移影响更显著;随着蒸发时间的增加,温度由表及里逐渐升高,在深度方向上温度先减小后增大。不同深度处土体温度增长曲线大致为"S"型递增曲线,可分为蒸发3阶段。