土体冻结和冻胀研究的新进展

１９９７年４月１５￣１７日在瑞典吕勒奥工学院召开了“国际地层冻结和冻结作用研讨会”，会议共发表论文８２篇，涉及７个专题：ＩＳＳＭＦＥ工作组报告，正冻正融土岩中的热质迁移，冻结敏感性和冻胀，已冻已融和正融土岩的力学性质、环境土冻结、工程设计和工程实例，文章主要论述土体冻结和冻胀研究的新进展。     

土体冻胀发育的几种类型

假设达西定律仍适用于冻土中分运动，讨论了开放系统单向冻结饱水正冻土中冻胀速度与冻结速度，人流速度及温度梯度之间的关系。通过端面温度恒定和调节土柱冷端面的冷却速的室内受控冻结试验，证实有关推论是正确的，且随冷却速度不同，可分出土体冻胀速度发育的三种类：峰值型谷值型和递降型，而且，通过调节土柱冷端面的冷却速度，可控制总人流量随时间按直线变化，即形成稳定人流情况。     

一维冻结土体冻胀曲线的分形优化

分形几何理论作为研究自然界具有自相似性质的非线性问题的主要手段，被广泛应用于岩土工程中。土体的冻结涉及到土体本身的性质、温度场、水分场和应力场的共同作用，采用数值解法又必须对其进行大量的简化，使其所求得的数值解或拟解析解与实际值存在较大差距。采用神经网络方法研究表明，在冻胀初期系统难以稳定，同时对于低含水量的土体误差也较大。近年来，通过国内外学者的大量研究，发现土体冻结过程中同样存在分形现象。通过分析土体冻胀特征，提出采用分形插值方法研究一维冻结土体的冻胀问题。采用Douglas-Peuker算法和随机中点移位法相结合的方法对一维冻结土体的冻胀曲线进行了优化。研究结果表明，采用该方法对冻胀曲线进行优化，既可保留其原有的宏观结构特征也可以反映微观结构动态；经过插值处理后，曲线的特征点和特征形状并无变化；但细节部分随着分形维数的增加，逐步得到细化。由此真实地反映了冻胀过程，为研究土体的冻胀过程提供了一种新的方法。     

土工加筋抗冻胀工作机制的研究

在分凝势理论的基础上，建立了一套考虑温度、水分及冻土－未冻土－筋材体系应力变形诸因素耦合预测加筋土冻胀和筋材拉力的计算方法，并对一维冻结室内模拟试验进行了理论分析和数值计算。通过对加筋消减冻胀及其抗冻胀工作机制的分析，提出了加筋材料对土体施加的约束，不仅减小了土体的冻胀速率，而且还使冻胀位移向未冻土区发展，从而可有效地消减土体冻胀的结论。     

土体冻结和冻胀研究的新进展——“国际地层冻结和冻结作用研讨会”论文综述

１９９７年４月１５～１７日在瑞典吕勒奥工学院召开了“国际地层冻结和冻结作用研讨会”。会议共发表论文８２篇，涉及７个专题：ＩＳＳＭＦＥ工作组报告、正冻正融土岩中的热质迁移、冻结敏感性和冻胀、已冻已融和正融土岩的力学性质、环境土冻结、工程设计和工程实例。文章主要论述土体冻结和冻胀研究的新进展。     

土体冻胀对排桩支护结构影响规律

随着城市的发展, 越来越多的工程转向地下, 向地下要空间。基坑工程越来越多, 伴随的工程事故也逐渐出现。中国多年冻土和季节冻土面积分别占国土面积的 21.5%和 53.5%。在这些地区, 建筑基坑往往受冻、融循环作用而破坏, 给寒冷地区的基坑支护结构施工的安全性造成较大的安全隐患, 给科研、设计和工程施工单位提出了很多新的挑战。文章以有限差分分析软件FLAC3D为基础, 利用数值模拟方法的灵活性, 选用合适的本构模型, 对基坑进行冻胀模拟:得出基坑温度场变化规律、支护桩顶位移随温度变化的规律, 并提出几种减小桩体冻胀位移的措施, 为今后越冬基坑支护桩的设计与施工提供参考。     

补水压力对土体冻胀的影响北大核心CSCD

为了研究冷端温度、土质和补水压力对土体冻胀影响的强弱以及现行评价土体冻胀敏感性的方法在土体有压补水冻结时的适用性,开展了三因素三水平的冻胀正交试验。基于灰色关联度法得到的结果表明,影响土体冻胀率的因素由强到弱依次为补水压力、冷端温度和土质。补水压力、冷端温度与冻胀率的关联度较大,土质与冻胀率的关联度较小。在较高的补水压力作用下,非冻胀敏感性的砂类土产生了明显的冰透镜体,且部分砂类土的冻胀率超过了黏质土的冻胀率。发现仅凭细粒含量评价水压作用下砂类土的冻胀敏感性存在缺陷,应根据土体所处的实际环境进行综合评估。通过讨论冻胀敏感性、融沉敏感性与冻害敏感性之间的关系,提出受水压影响的寒区工程构筑物须通过设置隔水和排水设施以及使用换填法来综合防治冻害的方法,可为相关工程的设计及安全运营提供参考。     

开放系统下硫酸钠盐对土体冻胀的影响

易溶盐在土中的存在及其在冻结过程中的重新分布对土体的冻结过程有重要影响.在开放系统单向冻结条件下,对青藏铁路沿线粉质红粘土进行了冻结试验.结果表明:随着冷能的持续传递,硫酸钠盐和水分向温度较低处迁移,土体0℃曲线持续降低;但基于测定的含盐土大量冻结温度的基础上,对土体冻深的研究发现,在开放单向冻结条件下土体冻深随着水盐迁移进程的发展而减小,造成与补蒸馏水的土体相比,土体的冻胀较小.同时,利用冻深发展曲线和硫酸钠水溶液相图及溶解度曲线,对土柱中的冻胀和盐胀分别进行了计算,结果认为:土体变形主要是由冻胀引起,硫酸钠结晶膨胀只发生在未冻土段,这与试验结束后对土体冻土段和未冻土段的干密度分层测定的试验结果相一致.     

季节冻土区高速铁路路基冻胀监测系统及冻胀规律研究

季节冻土区修建高速铁路的主要问题是路基冻胀. 依托我国东北、华北多个高速铁路路基冻胀监测工作实践,研究了一套冻胀监测系统的构建方法并成功应用于哈齐客专、大西客专、牡绥线等路基冻胀监测工作中. 综合监测成果,对高速铁路路基冻胀规律进行了分析,对冻胀原因进行了总结. 结果表明：冻胀监测系统应充分考虑严寒、低温、高速条件下,利用先进传感器及物联网技术来实现各子系统集成;季节冻土区铁路路基冻胀存在一定规律可循,季节冻土区铁路路基冻胀不可避免但是可控. 填料质量是防冻胀控制的根本,施工质量过程管控是基础保障.     

土体微观结构对冻胀影响的灰色关联及粗糙集评价

以季冻区粉土为研究对象,进行不同条件下室内冻胀试验,测得冻胀指标--冻胀率;同时运用扫描电子显微镜WD-5图像处理系统提取并定量化冻胀前土样微观结构参数（包括孔隙参数和结构单元体参数）。由于结构对冻胀影响具有非线性、复杂性、模糊性等特点,选择灰色关联法及粗糙集２种非线性评价方法,评价各结构参数对冻胀率的影响程度。评价结果表明：与冻胀率关联度较高的孔隙参数为形态分布分维数、平均丰度、平均圆形度和平均各向异性率,单元体参数为平均各向异性率、形态分布分维数和定向概率熵。粗糙集约简结果中,对冻胀影响较明显的孔隙参数为平均各向异性率、平均丰度、定向分维数和形态分布分维数,单元体参数为形态分布分维、平均各向异性率、平均形状系数。比较2种评价方法所得结果,分析其中的异同。最后综合考虑２种评价结果,确定8个对冻胀意义较明显的结构参数：孔隙的形态分布分维、平均丰度、平均各向异性率、定向分维数;单元体的平均各向异性率、形态分布分维、平均形状系数和定向概率熵。     

人工冻土钻眼爆破法

冻结法是通过厚表土井筒施工的有效方法“冻实”和强化冻结是深厚粘土层冻结值得推荐的方案。实践证明，钻眼爆破法能够加快掘进速度，在保证冻结管安全条件下提高钻眼爆破效率，必须合理选择钻眼设备，优化冻土爆破参数，实现全断面一次爆破。     

粉质粘土的冻胀特性研究

利用冻胀试验装置,对京包、包兰线上冻害频发地段的粉质粘土进行了开敞系统中的一维冻胀试验,分析了不同环境冻结温度下土样冻结和冻胀的全过程。试验结果表明:(1)粉质粘土属冻胀敏感性土,土质加上外界水分的补给是该地区出现冻害的主要原因;(2)环境冻结温度直接影响土样的冻结过程进而对冻胀量产生影响,土样的冻结深度随环境冻结温度的降低而增加,开敞系统中土样的冻胀量随环境冻结温度的降低而减小;(3)土样的冻胀率和冻结速率之间成反比关系,冻结速率非常小的情况下,冻结深度几乎不再增加,但土冻胀率较大。     

秸秆加筋粉土的冻胀特性研究

粉土在中国分布广泛,工程中大量涉及,常表现为冻胀敏感性,在冻土地区工程建设中需重点考虑其冻胀特性。为减少粉土冻胀对工程的影响,基于环保的理念,以防腐处理后的麦秸秆作为加筋材料,将其切断后随机掺入粉土中;并对粉土和秸秆加筋粉土试样分别进行了开敞系统下的一维冻胀试验,重点研究了秸秆掺量和长度对粉土冻胀特性的影响。结果表明：秸秆加筋对粉土的冻胀有明显的抑制作用,少量的掺加（0.2%、0.4%）可将接近强冻胀的粉土改良为弱冻胀或不冻胀;在其他条件相同的情况下,试验范围内粉土的冻胀率随秸秆掺量的增加而线性增大,但总体远小于未改良土;秸秆掺量一定时,存在最优秸秆长度,在该长度下,秸秆加筋粉土的冻胀变形量和冻胀率均最小。     

硫酸（亚硫酸）盐渍土单次盐胀和冻胀发育规律研究

对盐胀和冻胀规律的研究有助于深入认识硫酸（亚硫酸）盐渍土的工程性质。通过对天山北麓水磨河流域细土平原区硫酸（亚硫酸）盐渍土盐胀和冻胀试验研究发现：（1）随着温度的降低,试样盐胀和冻胀率逐渐增大。试样冻结前土体产生的膨胀是盐胀,试样冻结后产生的膨胀是盐胀和冻胀,当土体达到-15℃以后,土体盐胀和冻胀趋于稳定。（2）硫酸钠含量不变的情况下,随着含水量的增大,其起胀温度降低。土体起胀温度取决于土体中硫酸钠析水结晶温度、硫酸钠结晶含量的多少、土体结构、内摩阻力、粘聚力、土颗粒间的引力、土体孔隙间和孔隙接触间吸收结晶硫酸钠的程度。（3）硫酸钠含量增加,其单次盐胀和冻胀率变化区间增大。     

冻土三轴冻胀应力-应变试验方法研究

提出了一种试验方法,研究土体或破碎岩体在不同含水率、不同温度、不同应力状态下冻结后产生的冻胀应变与冻胀力之间的关系,并针对寒区隧道提出了一种新型三轴冻胀应力-应变关系.试验设备采用应变控制式三轴仪及低温冷冻库,通过改变测力环的刚度来实现不同约束状态,进而得到土体或破碎岩体在不同约束状态下冻结后产生的冻胀应变及冻胀力,将这些特征点进行回归分析即可得到冻胀应力应变关系.根据上述试验方法,对饱和砂土进行三轴冻胀应力-应变试验.结果表明:冻胀应力应变关系呈对数曲线变化,且冻胀力随冻胀应变的对数呈线性变化;轴向约束越强,冻胀应变越小,冻胀力越大,且冻胀力随轴向约束强度的增大趋于某一极值;围压越大,冻胀力和冻胀应变越大.     

低温岩体裂隙冻胀力与冻胀扩展试验初探

低温裂隙岩体冻融损伤与断裂破坏一直是寒区岩体工程建设中的关键科学问题。低温下含水裂隙的冻胀扩展演化过程受冻胀力量值的控制,然而裂隙中冻胀力的大小及其演化机制一直存在争议,尚缺乏有效的试验测试方法。通过在类岩石材料中预制不同长度和宽度的宏观裂隙,进行了低温下饱和裂隙的冻胀力测试试验;利用薄膜压力传感器和温度传感器分别对饱和裂隙在低温冻结过程中的冻胀力和冻结温度进行了实时连续的监测,获取了其时空演化曲线。试验结果表明：（1）在冻结过程中,岩体裂隙中冻胀力的萌生是一个突发的过程,其演化过程可分为孕育阶段、爆发阶段、跌落阶段以及平衡阶段;（2）冻结完成后,裂隙冰发生了明显的挤出且裂隙尖端产生了可见的冻胀裂纹;（3）融化过程中,冻胀力跌落较快,但存在滞后现象;（4）对于宽度在2～5 mm范围内的半开口裂隙,从裂隙开口端冻结时,最大冻胀力与裂隙宽度线性正相关;在宽度为5 mm的饱和裂隙中最大冻胀力达到了7.2 MPa。研究成果可为认识裂隙中冻胀力的萌生演化机制以及进行裂隙冻胀扩展计算与分析提供借鉴。     

再论冻胀量与冻胀力之关系

讨论了新出版的《水工建筑物抗冰冻设计规范》（DL／T5082－1998）（98版）中的地表冻胀量对法向冻胀力影响的问题，认为地表冻胀量是冻胀率沿整个冻深的叠加，法向冻胀力则是在冻结锋面上冻胀应力沿基础影响范围之内的积分，法向冻胀力与地表冻胀量没有直接联系。     

高寒地区渠道防治冻害技术措施

依据黑龙江省水利科学研究院近20年来水工建筑物抗冻技术研究的主要成果,简述了高寒地区渠道防治冻害技术的主要内容,包括:抗冻胀设计参数的确定方法、渠道衬砌工程防治冻害技术措施的要点等,可供工程设计人员参考。     

季节冻土区公路路基细粒土冻胀敏感性研究

通过4种不同塑性细粒土料的室内闭式冻胀模拟试验,阐述了土的含水量、塑性、饱和度和密实度等因素对冻胀性的影响.在分别建立粘性土和粉土的η~(W-Wp)关系的基础上,综合分析并给出了细粒土的η~(W-Wp)关系.提供了典型土料的η~(W-Wp)~K_d~S_r关系图,提出了细粒土的η~(W-Wp)~K_d/S_r多元线性回归方程式.通过因子贡献率大小分析,指出超塑含水量(W-Wp)大小是影响细粒土冻胀敏感性的主导因素.