冻土工程中力学问题的研究进展和思考

随着寒区工程,如青藏公路、青藏铁路、输油管道、西气东输等工程的日益增加,冻土的研究越来越深入,而力学问题是贯穿始终。本文从两个方面讨论冻土工程中力学问题的研究进展,(1)冻土受多种因素的影响,不能单一的用某一个条件解释,因此冻土水、热、力和变形的耦合问题已取得了长足的进展;(2)冻土路基受动荷载的影响非常显著,冻土的动力学性质的研究已全面开展。     

冻土热融下沉研究的现状和进展

从理论、室内试验、数值计算、预测等几个方面对冻土热融下沉研究的国内外进展进行了综述,同时讨论了当前正在被广泛应用的防治融沉措施,建议进一步加强热融下沉数值计算方面的研究,把理论、数值模拟、施工现场结合起来.     

冻土动力学研究的现状与进展

冻土动力学主要研究冻土在动荷载条件下的变形和强度特征及土体稳定性, 其研究成果对寒区工程设计有着重要的意义. 文章从以下几个方面介绍冻土动力学的研究现状和进展: 1)各种试验条件(土质、含水量、温度、围压、频率、应变幅值及最大应力)对冻土动力学参数(动弹性模量、动剪切模量和阻尼比)的影响; 2)冻土的动应力应变关系及动强度随频率、应变速率和围压的变化规律; 3)加载频率、最大加载应力、温度和围压对冻土动蠕变参数(破坏时间、破坏应变、最小蠕变速率)的影响及动蠕变模型.     

冻土工程与环境研究的新进展——第八届国际冻土工程会议回顾

2009年10月在西安召开第八届国际冻土工程会议, 就冻土地区工程设计与建设、季节冻土区工程冻害防治、冻土物理力学特性、 模型发展及其应用、寒区气候、环境及冷生变化、多年冻土水文学、寒区水资源和土地应用等主要议题进行了广泛交流, 报告了近年来冻土工程与环境研究方面的一些新进展. 从冻土工程设计、施工和评价、普通冻土研究、冻土的物理力学性质、冻土模型发展及应用、 气候变化及冰冻圈环境等方面对该次会议交流的成果进行了总结. 与会研究者认为今后的研究一方面要加强理论研究、工程措施机理研究;另一方面要加强寒区环境对气候变化的响应及反馈、以及环境变化与冻土工程措施之间的相互作用研究.     

冻土离心模型试验相似准则分析

在研究土壤冻融问题时,土工离心模型试验在时间效应和应力全等型模拟方面更具优势。然而,目前关于冻土离心模型试验的研究成果较少,其中的相似准则也不够完善。针对这一现状,在充分考虑土体的水-热-力耦合作用过程的基础上,采用Butterfield量纲分析法确定了控制饱和土冻融变形性状的无量纲项,建立了冻土离心模型试验中孔隙压力、热扩散、未冻水迁移、融土固结以及冻融变形的相似准则。分析结果表明,冻土离心模型试验中未冻水迁移、融土固结及热扩散效应的非稳态时间具有统一的比尺,即离心模型是原型的1/N2倍,而未冻水迁移流速的比尺为离心模型是原型的N倍。此外,利用冻土离心模拟装置完成了一则对渠道基土冻融作用的离心模拟。     

冻土工程国家重点实验室的回顾与展望

冻土工程国家重点实验室是我国唯一的一个以冻土工程为主要研究内容的综合性实验室,其建设和发展对促进我国冻土学的发展有非常重要的意义,在迎来兰州冰川冻土研究所建所４０周年之际,冻土工程国家重点实验室也走过了近９年的历程,回顾昨天,展望未来,只有紧紧把握粘土学科前沿,创新超前,解决国家在寒区经济和社会发展中提出的基础性,关键性和综合性的工程和资源环境问题,才能创建一流的国家重点实验室,使我国冻土工程研究     

微生物对冻土生境的适应以及对全球变化和寒区工程扰动的响应:进展与展望

多年冻土这一极端的生境中,温度、营养物质、冻融过程等因素深刻影响和限制着冻土中微生物生理、代谢途径和生态结构.低温胁迫下,冻土中微生物从形态、生理和生化水平发展了特殊的耐受机制.冻融过程对细胞产生直接危害,并通过调节水盐、营养条件输送而间接地影响微生物活动.寒区工程扰动下垫面和周边一定范围内冻土的水、热、力学平衡,由此也改变了微生物赖以生存的微环境,破坏了地表植被和下伏冻土中微生物的联系.寒区油气管道泄漏后严重地污染土壤,并毒害和抑制冻土中微生物.冻土区微生物数量及生物多样性的波动与冻土的后生冷生作用以及生物地球化学循环密切相关.它们可能记录了冻土的发育、全球变化和生态环境变迁的重要信息.全球变暖背景下,冻土区微生物对有机碳和温室气体的束缚、吸收、运移和最终排放发挥着重要的作用,在全球碳氮循环和对气候系统的反馈中扮演重要角色.     

正冻土冻结缘研究现状及展望

湿土冻结过程中, 生长发育于冰透镜体与冻结锋面之间特殊的区间带称为冻结缘带。冻结缘作为温度场、 水分场和应力场三场耦合作用的结果, 是冰分凝的水源补给站, 冰水相变发生的剧烈区域以及水分迁移的必经之路, 具有重要的研究意义, 也是深入认识冻胀机理的基础。通过系统地阐述冻结缘的形成过程、 相关理论与试验、 微结构特征、 参数特征及冻结缘的模型构建等5个方面的研究进展及成果, 结合各个方向的发展趋势提出了冻结缘研究的重点, 即对冻结缘的研究应回归到试验研究, 利用新型测试技术深入对冻结缘微结构的观测, 结合物理参数及结构性参数变化构建耦合的冻结缘模型, 从而揭示其热力学机理, 为冻胀机制分析、 冻土精确预报提供理论支撑。     

冻土静力学室内试验研究进展

冻土力学是冻土工程学的理论基础,以解决冻土工程问题为归宿。冻土力学分为冻土静力学和冻土动力学两个方面,而冻土静力学是冻土力学的重要部分。为此,对常规冻土静力学室内试验的研究进展进行了总结,系统地阐述了其在冻土的强度特性、变形特性及理论模型等方面所取得的重要研究成果,并指出研究中存在的一些不足之处。最后结合冻土静力学研究的特点及实际冻土工程建设的需要,对冻土静力学研究的未来发展进行了展望。     

冻土与结构接触面冻结强度研究现状与展望

全面掌握冻土与结构接触面冻结强度研究进展,是进一步深入开展冻土与结构接触面冻结强度研究的前提。首先,从接触面冻结强度定义、接触面冻结强度剪切试验仪器研发、动静荷载作用下接触面冻结强度试验、接触面冻结强度数值模拟等多个角度系统归纳接触面冻结强度方面的最新研究成果。其次,通过对比不同接触面冻结强度剪切仪,指出现有试验仪器的不足,提出接触面冻结强度成因及破坏机理缺乏深入揭示的原因,讨论现有冻土与结构接触面单元模型、接触面冻结强度预测方法等方面存在的问题。最后,提出研发改进冻土接触面冻结强度试验仪器以更好模拟实际工况的展望,指出应当运用冻土微观结构研究手段深入揭示接触面冻结强度成因及破坏机理,建议结合试验和理论推导构建更为合理的冻土与结构接触面单元模型,阐述以多影响因素试验为基础探寻更为完善的接触面冻结强度预测方法。通过国内外研究现状、存在问题及其发展趋势分析,为冻土与结构接触面冻结强度研究以及冻土区地下工程设计和隧道工程人工冻结加固等方面提供参考和指导。     

Research status and prospect of tensile strength of frozen soil北大核心CSCD

A comprehensive grasp of the research status of tensile strength of frozen soil is the basis for further research. Firstly,the typical methods that can be used to test the tensile strength of frozen soil are introduced,and the test conditions,sample forms and stress mechanism of different test methods are described in detail. The advantages and disadvantages of typical tensile strength test methods are compared and listed. Secondly,the research work and shortcomings based on different test methods are summarized. Then,the latest research progress of the influence of temperature,water content,loading（deformation）rate,soil quality and sample size on the change law of frozen soil tensile strength is comprehensively analyzed. Finally,it is proposed to develop and improve the research method and system of frozen soil tensile strength,and increase the testing research of warm frozen soil tensile strength,so as to obtain the prospect of more accurately simulating the tensile failure behavior of frozen soil. It is pointed out that the internal cause of the formation of the tensile strength and the tensile failure mechanism of frozen soil should be thoroughly revealed by combining the research methods of microstructure and digital image technology of frozen soil. Based on the multi-factor test,a more perfect prediction method of frozen soil tensile strength is explored. Meanwhile,expand the in-situ test research on the tensile strength of frozen soil,and strengthen the parallel research ideas of indoor and outdoor double tracks. Through the analysis of the research status and development trend at home and abroad,it provides reference and guidance for the experimental study of frozen soil tensile strength,the improvement of theoretical model of frost heave,geotechnical engineering design in cold regions and artificial freezing reinforcement engineering. © 2022 Science Press (China).     

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。     

循环荷载下冻土变形特性研究现状及冻土开挖问题

讨论了循环荷载作用下冻土的变形特性,总结了前人对冻土变形特性的研究成果。重点阐述了影响冻土变形特性的主要因素,包括土质、含水量、含冰量、温度、围压、动应力振幅和频率对冻土变形特性的影响及其研究现状和主要结论。简要论述了冻土开挖方面的研究情况,并强调了冻土机械开挖方法的重要性。最后针对高效开挖冻土的实际需求,提出了进行冻土变形特性进一步研究的几点建议。     

季节冻土区水泥改良路基土的温缩性能研究

基于季节冻土区冻融循环条件,利用高低温交变试验箱与静态应变仪,进行了不同配比水泥改良路基土的温缩试验研究.结果表明:水泥改良土的温缩应变呈"螺旋式"变化,温缩应变随水泥掺量增加逐渐增加,初始温度循环对水泥改良土影响较大,经历三次温度循环后水泥土温缩应变特性已相当明显且变化规律趋于稳定,土体内部物化反应也达到平稳,但多次...     

季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程及水分变化

利用黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心综合实验观测场2011年11月-2012年4月整个冻结融化期的实测野外黑土耕层土壤温度和水分数据, 对中-深季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程中冻结和融化特征分阴、阳坡进行了分析, 研究了冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 并探讨了降水对不同深度耕层土壤含水量变化的影响. 结果表明:黑土耕层土壤冻结融化过程分为5个阶段, 历时164 d, 约5.5个月. 阶段I, 秋末冬初黑土耕层土壤开始步入冻结期; 阶段II, 黑土耕层土壤整日处于冻结状态, 阴坡比同样深度的阳坡土壤温度低; 阶段III为黑土耕层土壤稳定冻结期; 阶段IV, 黑土耕层土壤步入昼融夜冻的日循环交替状态, 冻融循环的土层逐渐向深部发展, 阳坡比阴坡融化得更深、更早, 阴坡比阳坡经历冻融循环次数更多; 阶段V为稳定融化期, 在融化过程不存在冻融交替的现象, 直到整个冻层内的土壤全部消融. 各深度位置阴坡土壤温度的最高值出现时间比阳坡晚约0.5 h. 经过整个冻结融化期后, 阴、阳坡各层土壤含水量均大于冻结前, 阴坡土壤含水量比阳坡整体偏低. 在整个冻结融化期, 阳坡地下1 cm、5 cm、10 cm 及15 cm处含水量最大值出现在地下5 cm; 阴坡的含水量整体趋于平稳且在融化期受降水影响明显.     

冻土三轴蠕变特性试验研究及平面冻土墙厚度的确定

主要是对冻土的三轴蠕变特性进行分析研究,从而进一步确定具有明显流变特性的平面冻土墙的厚度。通过对冻土的流变特性进行理论分析,建立了冻黏土在复杂应力状态下的对数型蠕变方程。采用“低温箱-三轴压力室”轻型试验设备系统对人工配制的冻黏土试件进行了三轴蠕变试验,获得了冻黏土在复杂应力状态下的蠕变曲线。根据试验结果,对冻黏土的对数型非线性蠕变方程进行回归分析,得到了冻黏土对数型蠕变方程参数的数值。根据冻土流变理论和所建立的蠕变方程,以及平面冻土墙的厚度计算公式,利用Visualc++ 6.0和Matlab 6.0技术开发了冻土墙厚度计算的计算机应用软件。分析研究了平面冻土墙厚度与跨度、基坑暴露时间、基坑开挖深度的关系。平面冻土墙厚度随时间的延长在短期内具有急速增长的趋势,而后随时间的延长逐渐趋于稳定;平面冻土墙厚度受其跨度的影响较小,但随基坑开挖深度的加深具有逐步增长的趋势;温度对平面冻土墙厚度的影响显著,温度越高,厚度越大,所以,控制温度是平面冻土墙设计中的关键。从而为蠕变变形较大的平面冻土墙的厚度确定提供了依据。     

模拟季节冻土层影响的冻土墙模型试验

在季节冻土环境中使用人工冻结法时,由于季节冻土层与人工冻土共同存在,在前者影响下人工冻土墙的水平位移和制冷能量消耗与无季节冻土层时有显著不同。在改装的试验台上,通过使用水平冻结管形成季节冻土,用竖向冻结管形成冻土墙,施加水平荷载,模拟了6种季节冻土层温度条件下冻土墙的形成与开挖过程,以研究季节冻土层对冻土墙耗能、受力和变形性能的影响。结果显示,与无季节冻土层的情况相比,季节冻土层温度为-12 ℃时可减小冻土墙水平位移达8.79 mm,约占墙体总位移的52%,耗能量可减小40.4%。试验结果证明季节冻土层对冻土墙的影响不容忽视,在工程中应充分考虑季节冻土层的节能效应和变形约束能力。