渠道刚性衬砌层(板)冻胀受力试验与防冻胀破坏研究

对渠道受冻胀时其刚性衬砌层(板)受冻胀力的情况进行了室内模型测试试验, 结果表明: 其边坡衬砌层(板)所受的冻胀力是平行于该衬砌层(板)的切向冻胀力, 该力大小及正负与渠床土含水量沿渠道横断面高度的分布直接相关. 另外, 渠道边坡衬砌层(板)和其下冻土层之间冻结约束的存在与否是边坡衬砌层(板)会不会受冻胀力的必要条件, 若此约束存在, 则可能受冻胀力, 若此约束不存在(被解除), 则其不可能受冻胀力. 从对试验结果的分析中, 还找到了造成渠道刚性衬砌层(板)冻胀破坏的最终原因, 并据此提出了一些针对性很强的防治渠道冻胀破坏的方法.     

雀儿山隧道冰碛地层冻胀力原位测试及计算分析

以国道317线雀儿山隧道为工程依托,进行了隧道洞口冰碛地层的冻胀力原位测试,同时结合数值模拟、理论模型计算等方法,得到了冻融圈厚度、冻胀压力以及冻结前后衬砌结构内外测的应力。在此基础上,计算得到了衬砌结构的轴力、弯矩分布和变化规律,并与已有研究结果进行了比较分析。研究结果表明：寒区隧道洞口段冰碛地层作为高原常见季冻土受低温影响显著,低温持续22 h时冻融圈厚度达2 m左右;采用隧道冻胀力计算模型计算得到的冻胀压力在19.8～158.3 kPa之间,原位测试的冻胀压力在40～240 kPa之间,其中拱脚处最小,仰拱处最大;冰碛地层冻结前后的衬砌结构内侧、外侧应力各自具有复杂的变化和分布规律,冻结状态下衬砌结构轴力呈“扇”形分布,弯矩呈“蝶”形分布。与相关研究成果比较分析表明,现场采用的原位测试方法合理,结果更准确。     

基于有限元的混凝土衬砌渠道冻胀性能研究

提高渠道衬砌工程质量水平,需要对混凝土衬砌渠道冻胀特性及影响因素进行研究。按照大U形混凝土衬砌渠道断面,利用FEA有限元数学近似分析法,对渠道冻胀特性进行瞬态数值模拟。模拟结果表明：各监测点在冻胀过程中相对外部冻胀量、法向冻胀力、以及切向冻胀力均存在一定的滞后现象,与工程实际中大 U形混凝土衬砌渠道冻胀实际特性相符。 FEA有限元数学近似分析法能够准确模拟渠道冻胀特性,为工程研究提供了一种新的计算机模拟仿真思路。     

寒冷地区输水渠道冻胀破坏链式分析及减灾研究

寒冷地区输水渠道在运行过程中,由于持续负温的影响,地温逐步下降,引起渠基土体水分分布发生变化导致土体冻胀,致使输水渠道结构破坏,这种作用影响所表现出来的链式效应是冻胀破坏作用的重要特征。为了探明寒冷地区输水渠道冻胀破坏机理,分析渠道的冻胀破坏因素,引入链式破坏理论进行分析。从系统理论出发,分析冻胀破坏系统的链式关系结构,建立冻胀破坏链式效应关系模型。以寒冷地区渠道衬砌结构冻胀破坏为例,分析经过一个冻融周期,渠基土体颗粒、土体成分组成、气温、地温变化规律和土壤水分迁移规律对渠道衬砌结构冻胀破坏的影响。分析渠道衬砌结构冻胀破坏链式机理,是在外部环境气温、水分等条件输入下,地温分布受土体性质及土体水分的影响,土体水分迁移受地温和土体性质的作用,土体产生冻胀是对地温和水分分布作用的响应,以此为依据提出寒区渠道冻胀破坏断链减灾方法。     

季节性冻土区滑坡防治工程的冻融效应分析

川藏铁路规划线路穿越青藏高原东缘高寒带岛状山地冻土区,冻融环境相对复杂。文章通过对川西地区及藏东昌都地区G317、G318沿线滑坡防治工程25处典型案例进行调查,总结冻融条件下滑坡防治工程的破坏形式及受力机理,探讨了水平冻胀力、法向冻胀力的计算方法及其对挡墙、桩间板、排水沟等的影响,计算结果表明水平冻胀力远大于主动土压力,认为开放式冻胀较封闭式冻胀对防治工程的影响更大;阐明了冻胀融沉对锚索工程的影响,提出使用基于蓄能消能系统的锚索结构;探讨了季节性冻土区滑坡防治材料抗冻等级选择方法及减缓冻融效应的措施及建议,为川藏铁路沿线滑坡治理工程及拟建施工便道的边坡支护提供参考。     

渠道抗冻胀垫层设计方法研究与数值模拟

基土换填是常用的抗冻胀措施。目前非冻胀性土缺乏科学标准的定义,换填厚度基本按照经验公式和工程类比确定,不尽科学合理。在对垫层抗冻胀机制的分析基础之上,根据层状土毛管水土水势理论给出了垫层材料的选择依据,结合热阻等效原理在考虑了衬砌结构允许位移的基础上给出了渠道垫层厚度的计算公式,并根据传统算法与该方法对山东打渔张北干渠弧形坡脚梯形渠道进行抗冻胀垫层设计;同时采用ANSYS有限元软件对渠道铺设垫层前后进行热力耦合数值模拟。研究表明,垫层通过改善水分场、温度场削弱了冻胀发生的因素;该垫层算法比传统算法合理、工程造价较低。数值分析表明,渠道冻胀量、冻胀力明显被削减,其中对阴坡的削减可达90%以上。     

不同因素对排水沟渠水平冻胀力的影响

多年冻土地区的排水沟渠经常遭受水平冻胀力的破坏,严重影响构筑物的服役性能。根据青藏高原多年冻土区路基坡脚U型槽排水沟渠的现场试验,并通过数值计算与理论分析,分析了结构埋深、粗颗粒换填范围以及结构形式对其温度场和水平冻胀力的影响。结果表明：改变工况,对土体温度场分布的形状影响较小,仅对其大小有一定影响。不同工况下水平冻胀力均沿深度非均匀分布,最大水平冻胀力主要出现在结构中部,而其上部和下部较小,结构侧壁在1/2至1/3处易发生冻胀破坏。梯形结构所受的水平冻胀力较U型结构增大13%～15%左右,但其分布形式基本相同。因此,U型结构在降低水平冻胀力方面优于梯形结构。随着换填范围增大,排水沟渠的水平冻胀力最大值逐渐减小;对于埋深1.7 m的排水沟渠来说,其侧边的0～2.8 m是影响水平冻胀力的主要换填宽度范围,而当换填宽度超过2.8 m后,水平冻胀力几乎不再降低。     

混凝土渠道冻胀破坏机制与抗冻技术研究进展

在我国寒冷地区混凝土渠道破坏主要表现为冻胀破坏,如何防治混凝土渠道冻胀破坏成为一个非常现实的工程问题.随着混凝土渠道抗冻技术的发展,对这一问题的研究愈加深入.从土体冻胀机制、水分冻移机制及混凝土衬砌体冻胀破坏机制等方面较深入地分析了混凝土渠道冻胀破坏的机制,总结了我国近年来混凝土渠道冻胀力学模型和抗冻技术的前沿研究成果,并对目前研究工作中存在的不足进行了一定的评价,讨论了今后应进一步开展研究的若干问题,为我国寒区混凝土渠道的加固改造建设提供一定的参考价值.     

基于温度场时空分布特征的寒区隧道冻胀模型

寒区隧道冻胀力随时间和隧道进深呈三维时空分布,为建立描述冻胀力时空效应的简化模型,首先以某寒区隧道温度场测试成果为基础,建立了三维温度场模型,通过Stephen公式得到围岩冻结深度变化规律,以围岩冻结深度为参数,结合冻融圈整体冻胀模型和风化层冻胀模型建立了新的冻胀模型。分析结果表明：围岩冻结深度受温度场影响呈三维时空分布,随隧道进深逐渐减小,随时间呈弦函数变化;考虑风化层和破碎层建立冻胀模型,当冻结深度小于风化层厚度时,冻胀力只由风化层产生,冻结深度大于风化层厚度时,冻胀力由风化层和扰动层叠加产生;冻胀力时空分布规律与围岩冻结深度变化规律一致。     

考虑不均匀冻胀土体-衬砌隧道在寒区的振动响应

在频域内研究简谐均布荷载作用在寒区不均匀冻胀土体-衬砌隧道中的动力响应问题。将衬砌与冻土间视为紧密接触,冻土及非冻土间由于组构、性质间的差异可发生相对移动,在考虑覆盖于隧道周围冻结土体发生不均匀冻胀的前提下得到简谐荷载作用在衬砌内径所引发的系统振动解析解。根据非冻土、冻土以及衬砌间的连续条件和边界条件得到待定系数,并得到寒区隧道系统中不同介质的位移以及应力的解析解。对具体参数模型进行算例分析,发现：隧道系统的介质（衬砌,冻土及非冻土）参数变化会对冻土环向应力幅值、不同冻结状态土体径向位移幅值及其基频产生影响;不均匀冻胀会改变外荷载作用下隧道周围冻土中的动力响应;寒区隧道系统径向位移幅值随距离隧道圆心的增加呈现衰减的趋势,非冻土径向位移幅值较冻土减小明显。     

衬砌粗糙度对季节冻土区渠基土-衬砌接触面间峰值抗剪强度的影响北大核心CSCD

目前来看,在构筑物与土体表面粗糙度影响土-构筑物接触面间切向冻胀力方面的研究还较少,因此,本研究从川西季节冻土区渠基土-衬砌接触面的切向冻胀力问题出发,着重考虑衬砌表面粗糙度这一因素对接触面间抗剪强度、黏聚力、内摩擦角的影响规律和影响效应,并结合环境温度、含水率及冻结时长,利用正交分析综合探究了4种因素对接触面间峰值抗剪强度影响的相关性和显著性,结果表明:接触面间抗剪强度、黏聚力、内摩擦角随衬砌表面粗糙度变化呈现相同规律,即衬砌表面越粗糙,3项指标随即增大。正交分析中揭示了影响接触面间峰值抗剪强度大小最显著的因素是衬砌粗糙度,其次是环境温度和含水率,冻结时长的影响效应不显著,同时低温、低含水率、较长冻结时长、较高衬砌粗糙程度下的峰值抗剪强度越大。此项结果可为季节冻土区渠系工程防冻胀危害提供理论支撑。     

基于雷诺护垫的高寒多水路基防护结构冻胀适应性模型试验研究

对冻土环境下的输水干渠边坡的雷诺护垫防护工程进行了模型试验,建立比例尺为1：4的模型,进行两次冻融试验,在试验过程中对雷诺护垫结构段面的冻胀量、冻融过程中土体结构内部温度场分布进行实时监测.试验结果表明：雷诺护垫可以增加热阻,减少能量传递,且护垫下卧土体温度场分布均匀,可有效减小冻深及冻胀量,并抑制不均匀冻胀的发生;在有水份充分补给的条件下,最大冻胀量位置发生在渠底固脚处,其次是渠坡1/3处,设计时应充分考虑该位置的冻胀变形;残余变形最大值在渠底固脚位置,渠坡发生融沉变形,说明雷诺护垫结构本身具有自愈的功能,有比较显著地适应冻融变形的效果.设计及施工过程中要考虑固脚的稳定.     

支挡式结构物水平冻胀力研究进展与思考

寒冷地区的支挡式结构,极易受水平冻胀力的影响,过大的水平冻胀力容易造成支护结构变形、出现裂缝、支护体错断甚至整体倾倒,严重威胁支护工程的安全与稳定,因此研究寒区支挡式结构水平冻胀力的变化规律具有重要意义。主要从水平冻胀力的产生、影响因素、分布模式、取值大小、计算方法以及防治措施等诸多方面的国内外研究现状进行综述,结果表明：水平冻胀力的大小及其分布形态受土质类型、土颗粒大小、土体分散性、土内所含矿物成分、土体温度、土体含水量、外界水源补给以及支护结构特征等多因素影响;水平冻胀力存在多种分布模式,对不同分布模式应采取不同的计算方法,而且各计算公式均有一定的限制条件。在实际工程中,若要减弱水平冻胀力的影响,可采取换填土质、加强保温、隔水排水、使用物理化学试剂或多方法综合使用等措施。     

冻融循环作用下土工袋冻胀量和融沉量试验

为研究季节性冻土地区冻融循环作用下土工袋防冻融、冻胀效果,对不同冻融循环作用下土工袋和土进行了室内模型试验,在开放系统和封闭系统中分别研究了土工袋和土冻胀量、融沉量之间关系,试验结果表明,经历4次冻融循环作用后,封闭系统中土工袋冻胀量、融沉量分别小于土的冻胀量、融沉量;开放系统中土的冻胀量为土工袋冻胀量的1.9倍,土的融沉量为土工袋融沉量的2.2倍,开放系统中地下水对土工袋的补给量远小于土的补给量,试验验证了土工袋可以有效防止渠道及建筑物基础冻融、冻胀破坏,可为渠道防冻胀提供理论基础。     

负温对基坑悬臂桩水平冻胀力影响的模拟研究

寒冷地区基坑悬臂桩支护工程,在桩后土体水平冻胀力作用下,易出现桩体倾斜、水平裂缝、剪断等问题.负温是水平冻胀力产生的关键因素,采用数值模拟方法,分别模拟粉质黏土、黏土在一定的负温变化下,桩体水平冻胀力的大小和分布模式,结果表明：负温越低,土体冻结速率越大,水平冻胀力越大;桩身范围内,水平冻胀力大致呈上下小、中间大的抛物线型分布,最大值出现在基坑的中下部,为开挖深度的0.5～0.8倍,力值约为冻胀前土压力的2～15倍,同时拟合出最大水平冻胀力与温度、桩顶位移之间的关系公式;此外,桩体水平位移随负温增加而增加,桩顶位置处,冻胀引起的水平位移为开挖引起位移量的0.88～11.38倍.     

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。