高压条件下土的冻融试验装置研制及应用

深部土体冻融后的物理力学性质对深部人工冻结工程意义重大. 针对该问题, 在以往土的冻融试验装置的基础上, 设计出适用于高压条件下土的室内冻融试验装置, 并给出了高压条件下土的冻融试验方法. 基于该装置, 对有压条件下兰州黄土在不同冷端温度下的单向冻结特征进行了试验研究. 结果表明: 无压单向冻结过程中土的变形以冻胀为主, 而高压情况下则主要表现为压缩变形. 在有压单向冻结过程中, 试样内部仍然存在着明显的水分重分布过程. 试验分析表明, 该试验装置能够为高压条件下土的冻结特征及冻融作用后土的物理力学性质研究提供技术支持.     

冻融作用对南方粉质黏土物理力学性质的影响

室内模拟极端冰雪环境下,对我国南方典型不扰动粉质黏土进行反复冻融试验研究,分析了冻融作用下土体物理力学指标的变化规律。试验发现,随着冻融次数的增加,土体的含水量、密度、液限和塑性指数减小,塑限略有减小,孔隙比渗透性增大。冻融作用对土体力学性质的影响尤为显著,使其抗剪强度减小,而无侧限抗压强度在冻融10次后基本丧失。通过对反复冻融土的扫描电镜试验发现,多次冻融后土体变得破碎,土体中孔隙变大且数目增多,裂隙增多。这表明,多次冻融后土体遭到结构性破坏,土颗粒得以重新排列,导致土体骨架的结构性转移,使整个受力体系发生变化,这也是冻融作用后土体物理力学性质变化的主要原因。     

软土地区人工冻土无侧限瞬时抗压强度的试验研究

冻结法施工在上海隧道建设中(如隧道旁通道、地下泵房等的设计与施工)得到广泛应用,也曾引发过严重的地质灾害(如上海地铁4号线外滩段的地质灾害)。因此安全、经济、合理地将冻结法用于上海软土地区隧道建设中已经成为上海工程建设中的一个重要的研究课题。本文以上海复兴东路越江隧道旁通道冻结法施工中遇到的第⑥层粉质粘土及第⑦层粉细砂为研究对象,针对设计冻结壁重要强度参数无侧限瞬时抗压强度,进行了室内试验研究,揭示了两种土的冻结强度随温度的变化关系,同时研究了粉细砂的冻结强度随含水率的变化规律。     

冷端温度及解冻条件对原状海相软土冻融前后物理特性影响研究

海相软土冻融前后物理特性差异是研究人工冻结法工后融沉的关键,本文以宁波典型海相软黏土为研究对象,冷端温度（?5 ℃、?10 ℃、?15 ℃）和解冻条件（强制解冻、自然解冻）为影响因素,在室内模拟软黏土人工冻融过程,定量分析冻融前后物理性质差异,并揭示产生差异的原因。研究表明:冻融作用导致海相软黏土的含水率、干密度、孔隙比、渗透性等物理参数沿冻结梯度方向发生重新分布;随冷端温度每降低1 ℃,含水率、干密度、孔隙比变化程度减小4%～8%;采用强制解冻方式,土体含水率变化程度减小约23%,干密度和孔隙比的变化程度减小约50%;但究其本质,不同冻融条件影响物理参数变化各异的实质为不同条件下水分迁移与相变量不同,探究水分迁移并揭示对物理参数值的影响值得进一步深入研究。海相软土冻融前后物理参数变化与冷端温度及解冻方式密切相关,其变化程度易直接影响工后融沉,在进行海相软土冻结法设计与施工时,应选择合理的冻融方式,减小物理特性的差异性。     

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。     

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。     

冻结作用对青藏红黏土及兰州粉土微观结构的影响分析

冻土微观孔隙特征是决定冻土体一系列物理、力学性质的基本参数,冻土中存在的冰晶体其体积受温度影响发生变化会影响到冻土的土体微观结构及孔隙特质发生变化。利用可用于负温冻土观测的新型扫描电镜,通过对青藏红黏土及兰州粉土不同初始条件下的土样冻结前后微观结构进行研究分析。结果表明：冻结作用发生后,冰晶生长对周围土颗粒产生挤压作用,导致周围土颗粒的移动和结构破坏,土中大孔隙的数量增多,加之周围小孔隙补给大孔隙中的冰晶进一步生长,出现局部个别大孔隙体积增大,小孔隙体积缩小的现象,表现在孔隙率上为土体在冻结后孔隙率减小;此外,对于粒径级配不同的土体而言,冻结作用对细颗粒土的土体孔隙的尺寸、形态以及排列方式等方面的影响均大于粗颗粒土;同样,初始含水率决定了冻结作用发生后参与改变土体微观结构的冰晶体生长的"量"的大小,在冻结作用对土体结构性破坏的过程中起重要作用。研究成果定量揭示了冻结作用对不同初始条件下的土体微观结构的影响,为研究冻土宏观力学特性和冻胀机制等提供了理论基础与和试验支撑。     

冻融作用对饱和粉质黏土抗剪性能的影响

为研究季节冻土地区冻融作用对道路边坡土体抗剪性能的影响规律,在不同冻结和融化温度、不同冻融循环次数、开放和封闭体系条件下对冻融饱和原状粉黏土试样进行了不固结、不排水剪切试验。试验结果表明:饱和原状粉质黏土冻融后,黏聚力降低,内摩擦角增大,冻结温度越低,冻融作用对黏聚力和内摩擦角的影响越小,随着冻融循环次数的增加,5～7次冻结循环后二者的变化逐渐趋于稳定。水分补给会强化冻融作用对试验土抗剪性能的影响;融化温度对试验土的抗剪性能影响很小。     

渠基土在冻融循环作用下的变形和应力变化特征

受季节性气候变化和昼夜交替的影响,处于寒区的地表浅层土体不可避免地会发生冻融循环作用。冻结过程引起土体的膨胀变形,融化过程引起土体的压缩沉降变形。同时冻融交替变化会诱发渠基土的结构与物理力学性质发生显著改变,从而危害工程设施的服役性。土体所处的应力环境是影响冻融过程中土体变形发展的关键因素。为了研究不同上覆荷载条件下冻融循环过程对寒区渠基土变形与冻胀应力发展特性的影响,开展了一系列冻融循环试验。结果表明：在上覆荷载为10 kPa时,冻融循环会使土体产生膨胀变形;当上覆荷载为50 kPa或100 kPa时,冻融循环会使土体产生非常明显的固结沉降,且上覆荷载越大,沉降量也会越大。随着冻融循环次数的增加,土体在其所处的应力环境下逐渐形成相对稳定的固结结构,单次冻融过程中产生的冻胀量与融化固结量趋于相等,即冻融稳定系数趋于1。在不同上覆荷载条件下固结稳定后,保持试样两端约束的位移不变,发现土体冻融过程中产生的最大竖向冻胀应力随冻融循环次数的增加不断衰减,且冻胀应力的发展与孔隙水压力的变化具有一致性。因此,通过对恒定上覆荷载条件下冻融过程中正冻与正融界面附近孔隙水压力分布的研究,可揭示冻融过程中土体变形发展的内应力机理。     

饱和软黏土中埋地管道冻结模型试验研究

为研究软土地区埋地管道在土体冻结过程中的管道受力机理, 开展了饱和软黏土中地埋管道冻结模型试验。通过人工冻结技术, 近似还原了管土受冻过程, 研究了人工冻结过程中土体温度场、 水分场、 位移场分布情况, 以及管道的力学特性。结果表明： 在冻结过程中, 土体温度场的变化直接影响着土中水分场的分布; 在冻结锋面前缘存在着剧烈的水分迁移现象, 大量的水分向冻结锋面迁移, 使得土体产生线性冻胀; 冻胀发展速率受外部荷载的直接影响; 当冻结发展到管道处时, 位于冻胀和非冻胀过渡段位置处的管身出现应力最大值。研究结果对于正冻土中管道的安全评估具有重要的意义。     

大连路隧道联络通道冻土帷幕数值分析

从数值方法的角度对大连路隧道联络通道冻结法施工冻结帷幕的变形与应力进行了分析与安全评价,详细讨论了帷幕中位移及应力的分布情况,并指出了帷幕最不利状态的分布位置在帷幕与已建隧道接触处,由于该处的冻结效果最差,所以施工中必须特别注意;对于上海地区类似工程来说,1.8 m厚的冻土帷幕是可以满足施工要求的,从而为今后联络通道数值分析及冻结法施工提供了一定的经验。     

季节性冻土区粗颗粒土边坡自然演化特征试验研究

拟建川藏铁路沿线广泛分布季节性粗颗粒冻土,该类土质边坡稳定性问题突出,有必要探讨此类边坡的自然演化特征及其规律。本文针对粗颗粒土边坡在降雨-日晒-冻融循环条件下的变化规律,开展了单一要素和多要素组合条件下的试验研究。研究表明,对于初始坡度较陡的粗颗粒土边坡,在自然降雨-日晒作用下,边坡会向自然稳定坡度发展演化。反复冻融作用下,坡面土体冻胀融沉,产生残余变形,冻胀量约为冻结深度的0.09~0.1倍,残余变形量约为冻结深度的0.052~0.062倍,坡面土体含水率增加2% ~3%。反复冻融后坡面土体结构变松散,空隙增多,密实度降低,松散土体在降雨条件下易流失,坡体向后退化。季节性冻土区粗颗粒土边坡自然演化特征表现为:降雨-日晒作用→边坡趋于稳定→冻融作用→坡面土体变松散→降雨冲刷→坡面后退→更深处土体冻融。该过程随季节变化反复进行,边坡逐年后退。     

四排局部冻结法在上海地铁修复工程中的应用

上海地铁某修复工程,在完好隧道与破坏隧道连接段采用冻结法施工垂直封水挡土止水墙,取得圆满成功。利用现场监测数据,判别了冻结管是否漏盐水以及隧道内是否充填密实,得出了冻土壁温度场形成规律,计算出积极冻结期结束时间。在浦东隧道清淤排水、浇筑混凝土止水墙阶段,分析了各施工工序对冻土墙温度影响。分析结果表明,冻结法施工质量的好坏可由温度反映出来。通过合理布置温度监测点,采用信息化施工,掌握温度变化规律,可确保复杂工程冻结施工安全。     

冻融循环作用下城市污泥固化土动强度特性研究

污泥具有高含水率、力学性质差和污染物含量高等特点,可以通过固化技术将其转化为固化土,达到城市污泥安全处理与合理利用的目的。为了得到在多变的自然气候环境影响下固化土的动力特性,以城市污泥固化土为研究对象,在不同冻融温度和不同冻融循环次数条件下,通过动三轴试验仪对城市污泥固化土进行多振次循环动荷载试验,探讨其在经历不同冻融温度和不同冻融循环次数后的长期动力力学指标变化规律。试验结果表明,污泥固化土破坏形式呈现脆性破坏的特征,并具有明显的剪切面;在低温冻结和多次冻融循环耦合作用下,随着冻融温度降低和冻融循环次数的增加,污泥固化土的轴向应变增速和最终值会随之增大,动强度亦随之降低;对不同时刻动应力-应变曲线进行分析,得到不同冻融温度循环条件下城市污泥固化土动强度与冻融循环次数的关系式,为城市污泥固化土动强度计算提供理论依据。污泥固化土静、动长期强度随冻融次数的变化规律基本一致,在其他条件相同的情况下,污泥固化土静长期强度明显大于其动长期强度。     

冻融作用下水泥及石灰改良土静力特性研究

为扩大季节冻土区高速铁路路基填料的使用范围,对不同冻融次数、冷却温度和围压下水泥及石灰改良土的应力-应变关系、静强度参数和破坏图像进行了研究。试验结果表明,水泥土的应力-应变关系为加工软化型,冻融作用下石灰土的应力-应变关系为加工硬化型;水泥土以脆性破坏为主,而石灰土的破坏形式为塑性破坏;围压对改良土应力-应变关系曲线形式影响不明显,随着围压的增加,改良土的峰值强度增大;改良土的黏聚力随冻融次数的增加而逐渐减小,而内摩擦角与冻融次数的关系无规律可循;冷却温度对改良土黏聚力的影响不明显;反复冻融作用下水泥土的改良效果要优于石灰土。     

冻融试验对土中含水量分布的影响

The silty clay and silty loam are two typical soil types obtained from two test sites along the Qinghai-Tibet railway. The two types of soil have been designed various initial dry densities, water eontents, temperature conditions in repeated freezing and thawing tests with free access to water at the bottom. Afterfreeze-thaw cycles, the moisture content in the freeze-thaw zone increases more than that in the unfrozen zone to the peak approximately at the top of the samples. With comparison of the water contents in the frozen and thawed states, the moisture content in the upper freeze-thaw zone in the frozen state is greater than that in the thawed state, while that in unfrozen zone in the frozen state is smaller than that in the thawed state. Within the region of the frost front, the water content in frozen state is smaller than that in thawed state. These findings help to study the freeze-thaw mechanisms deeply and perfect the forecasting module of moisture transferring in freeze-thaw cycles.     

干湿冻融耦合作用下碱渣固化轻质土动力特性研究

为研究复杂气候条件对碱渣固化轻质土动力特性的影响,针对碱渣固化轻质土开展了干湿冻融耦合作用下的动三轴试验。试验结果表明:碱渣固化轻质土累积应变曲线展示出3种不同形态,即稳定型、临界型和破坏型;固化土轴向应变随着干湿冻融耦合次数的增加和冻结温度的下降而增大,其中前3次的影响较大,在5次以后基本达到稳定;根据固化土轴向应变规律,建立了累积动应变预测模型;随着冻结温度的降低,碱渣固化轻质土动强度逐渐减小,减小趋势先快后慢,最终趋于稳定;并且随着干湿冻融循环次数增加而减小,动强度减小速率先快后慢,前3次的动强度减小量较大,5次之后变化量较小;结合动强度的发展规律,提出干湿冻融耦合次数、冻结温度与动强度的关系式,可在工程实际应用中提供一定意义上的理论指导。     

Creep behavior of soft clay subjected to artificial freeze–thaw from multiple-scale perspectives

Relying on the application of the artificial freezing method on subway tunnel construction, a series of triaxial creep tests were carried out to study the creep behavior changes of Shanghai soft clay subjected to artificial freeze–thaw action. On this basis, MIP tests were conducted with the soil samples before and after creep for comparison to investigate the microstructure changes. The results indicate that freeze–thawed soil produces smaller creep deformation and instantaneous deformation than the unfrozen soil. On a micro-level, during the creep process, the soil skeleton reaches a new structure balance with smaller pore volume and pore area. But the diameter of the maximum pore increases. The change rate of total intrusion volume is a pivotal micro-parameter to evaluate creep strain as there is a good linear relationship between them.

     

护壁套管钻孔灌注桩微扰动施工分析

在上海轨道交通9号线盾构隧道的近距离钻孔灌注桩微扰动施工中,预先将护钢套管旋压至超出隧道底部约3 m后,再用泥浆循环方法进行取土成孔。实测结果表明,由于钢套管的护壁作用,钻孔灌注桩成孔时在钢套管位置几乎不存在地层损失;随着钢套管旋入深度的增加,管内土体的堵塞程度越来越严重,当钢套管旋压至隧道轴线以下位置时发生相对较严重的土体挤压,导致隧道上浮,并发生竖椭圆收敛变形。为减小护壁套管旋压过程中对既有地铁隧道的影响,建议在钢套管旋入过程中同时取出套管内部分土体。