饱和粉质黏土反复冻融电阻率及变形特性试验研究

针对青藏铁路北麓河粉质粘土,利用冻融循环全过程电阻率试验设备获取封闭系统下冻融过程电阻率、土体温度场、冻胀融沉变形量全过程曲线,探讨了饱和粉质黏土正冻正融过程电阻率及变形特性。试验结果表明：冻融循环过程中电阻率与冻融变形的变化是实时的、完全同步的,利用电阻率特性研究冻融过程土体结构变化是可行的;每次冻融冻土电阻率随着冻融次数增加呈指数关系减小,融土电阻率随冻融次数增加呈指数关系增加;每次冻胀量与融沉量随冻融次数的增加而减小,平均干密度随冻融次数增加而增加,并且经过5次冻融循环后冻胀融沉量和干密度均趋于稳定。     

微胶囊相变材料改良粉质黏土的冻胀特性研究北大核心CSCD

微胶囊相变材料(microencapsulated phase change material, mPCM)具有出色的储热能力,可以减轻季节冻土在冻结和融化过程中的温度波动。使用扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱和热分析等研究手段,全面评估2种分别以硬脂酸丁酯和石蜡为芯材,SiO2为壳材的mPCM(B-PCM, P-PCM)的物化表征,再以兰州地区粉质黏土为研究对象,通过冻融过程和冻胀试验研究4%、8%、10%掺量的mPCM对粉质黏土冻胀特性的影响。试验结果表明:mPCM在相变过程中释放的潜热为土体提供了保温效果,10%添加量的mPCM复合土试样从10℃下降至-10℃所需的时间较于素土试样延长约70%。土体的冻胀变形、冻结深度和含水率变化率随mPCM掺量的提高而降低;B-PCM和P-PCM核壳比的差异导致其冻胀后的水分迁移幅度表现出不同的趋势。总体而言,mPCM对土体的正面影响表现为提升保温性能、抑制冻胀变形等,但其添加量超多8%后会引起土体浅表层的冻胀加剧,这与SiO2壳材的吸水性有关。     

青藏粉质黏土冻融过程水热特征研究

土体在冻融过程中的水热特征对于冻胀及工程稳定性具有决定性作用。以青藏粉质黏土为例,采用时域反射法（TDR）,测量并分析了不同初始含水率条件下的土样在冻融过程中的水热变化特征,对比了冻融过程中的水热变化及其差异性,采用Anderson等、徐敩祖等和Michalowski提出的以温度为变量的未冻水计算公式,分别计算了不同初始含水率土样在不同温度条件下的未冻水含量。结果表明：冻融过程的土样水分和土样中心温度随时间的变化均可分为三个比较明显的变化阶段,冻结过程和融化过程的变化特征略有不同,除了环境影响和探头自身因素外,我们将其归因于冻融过程的未冻水"滞后效应"。在快速冻融过程中,未冻水含量随温度的变化则表现出渐变的特征。通过对比三种典型未冻水含量的计算方法发现,通过拟合得到的方程计算结果的正确性较高。     

青藏粉质黏土单向冻结冷生构造发育及冻胀发展过程试验研究

通过对青藏饱和粉质黏土进行开放条件下的单向冻结试验,并结合土样冻结过程的图像数据,分析土样在单向冻结过程中冷生构造的发育和冻胀变形的发展规律,得到以下结论：试样冻结稳定所需时间为26 h左右,基本不受顶板温度变化的影响,但土样冻结后形成不同冷生构造带的位置及薄厚与土样顶板温度（顶底板温度梯度）密切相关,顶板温度越低,微薄层状和薄层状构造带的厚度越大,最暖端厚层冰透镜体以及未冻土部分整体状构造带的厚度越小。研究结果还表明,土样的冻胀变形经历了快速冻胀、稳定冻胀和线性冻胀3个阶段,其中线性冻胀阶段是冻胀发展最快的阶段,也是冰透镜体生长最快的阶段。研究成果揭示了土样单向冻结过程中冷生构造发育和冻胀发展的动态过程,为冻胀机制的认识以及冻胀模型的建立与验证提供了试验基础。     

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。     

粉质黏土水泥土冻胀融沉特性研究

为研究水泥土冻胀融沉特性,对南京地区典型粉质黏土进行了不同条件下的冻胀融沉试验.试验控制因素包括水泥掺入比、含水率、龄期、冷端温度和荷载等,各控制因素在包含基准数值的区间内选取代表性条件进行单一变量试验.试验采用自制冻胀融沉仪进行,冻胀融沉仪下部为制冷块,上部设置补水装置,模拟真实土体冻结时水分迁移过程.结果表明:粉质...     

冻融循环对青藏红黏土物理力学性质影响试验研究

以红黏土为研究对象,使土样在封闭系统下进行不同次数的冻融循环作用,对冻融循环后的冻结土样进行粒度成分和物理力学性质测试,研究不同次数冻融循环作用下冻结红黏土粒度成分和物理力学性质的变化规律。结果表明：粉粒组和黏粒组质量含量受冻融循环作用次数影响较大。红黏土中颗粒在前10次冻融循环过程中向粒径小于0.001 mm及粒径在0.01~0.05 mm范围富集;冻融循环10次之后,随冻融循环次数的增加,粒径范围在0.002~0.005 mm的土颗粒含量明显增加,粒径范围在0.01~0.05 mm的土颗粒含量明显减小,其他粒径范围的土颗粒含量基本不受冻融循环次数的影响。红黏土的液、塑限大体上随冻融循环次数的增加而增加。冻融循环作用对红黏土等效黏聚力强度影响较明显,冻融循环作用10次以内红黏土等效黏聚力强度变化较大,在红黏土地区新修路基应考虑冻融循环作用引起的附加沉降影响。建议采用维亚洛夫或吴紫汪长期强度预报方程预测红黏土长期等效黏聚力强度。     

冻结粉质黏土-桩基接触面剪切特性试验研究

在寒区工程中, 建筑物的冻拔病害和冻土-桩基接触面间的剪切特性密切相关。借助自制的试验模具, 采用压桩法对冻结粉质黏土中埋置的混凝土桩、 钢桩以及木桩进行了不同负温条件下的剪切试验。结果表明： 在负温下随着剪切位移的增加, 剪切力经历线性增长、 骤降的脆性破坏、 维持恒定三阶段。温度越低, 桩与冻土间的冰胶结力越大, 冻结强度越大, 残余强度越大, 破坏允许位移也越大。在-30 ℃时, 木桩与冻土间的冻结强度最大, 混凝土桩与冻土间的冻结强度次之, 钢桩与冻土间的冻结强度最小。混凝土桩、 钢桩对应的冻结强度及残余强度与温度的关系可用线性拟合, 木桩对应的冻结强度及残余强度与温度的关系可用二次多项式拟合, 三种桩的破坏允许位移与温度的关系均呈现线性规律。研究成果可为寒区结构物抗冻拔病害防治提供参考。     

冻融循环对石灰处置粉质黏土静强度影响研究

以吉林－荒岗高速公路沿线的粉质黏土为研究对象,对不同石灰掺入比的土样试件进行0、2、4、6、8、10、12次冻融循环试验。通过室内静三轴试验,研究了冻融循环作用对石灰处置粉质黏土强度的影响。研究结果表明,石灰处置粉质黏土的应力-应变关系曲线呈应变软化型,峰值强度随围压增大而升高,粉质黏土峰值强度降低幅度值比石灰处置粉质黏土峰值强度降低幅度值大,经历4次冻融后应力-应变曲线峰值强度趋于稳定;冻融作用后石灰处置粉质黏土抗剪强度衰减率比粉质黏土的抗剪强度衰减率小,抗剪强度随围压的升高而增大;同一围压条件下石灰处置粉质黏土弹性模量随着冻融次数增加逐渐减小,经历4次冻融后基本趋于稳定。     

青藏粉土单向冻结冻胀率变化特性研究

开展了饱和青藏粉土在开放系统不同温度梯度条件下的单向冻结试验,对冻结过程中冻结深度和冻胀速率的发展变化过程进行了研究.结果表明：不同顶板温度下,土样均在25 h左右达到冻结稳定状态,之后冻结深度基本不再发生变化.土样冻结过程中,冻胀速率表现为快速减小、较小值保持稳定、快速增大、较大值保持稳定四个阶段.基于以上试验结果,对土样冻结过程中冻胀率的变化过程进行了研究,发现冻胀率随冻结深度的增加先减小后增加,冻胀率从减小变为增大的时刻就是冻结深度趋于稳定的时刻,而冻胀率快速增大的时刻为冻胀速率进入较大值保持阶段的时刻.冻胀率变化的内在机理为土样冻结过程中由冰透镜体分凝所导致的未冻区固结和已冻区冻胀共同作用的结果.     

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.     

循环冻融条件下安山岩和花岗岩的物理力学特性试验研究

结合青藏铁路块石护坡路基处于青藏高原特殊的气候条件,对用于青藏铁路护坡的两种主要岩石（花岗岩和安山岩）进行循环冻融试验.结果表明:两种岩石在经历了数次冻融循环后都出现了微细裂纹;声波监测表明,超声波速同冻融循环周期呈指数下降关系,显示了冻融循环对岩石风化的影响以及循环后岩石物理力学参数变化的趋势.结果说明,花岗岩的冻融...     

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。     

冻融循环对寒区隧道结构冻胀力的影响

为了更全面的了解冻融循环和冻胀力作用对隧道的结构影响, 以内蒙古寒区公路隧道的304国道阿拉坦公路隧道为依托, 采用弹性力学方法计算阿拉坦隧道承受的冻胀力.采用大型有限元模拟软件ANSYS对隧道断面进行温度场-应力场的耦合分析, 计算了工程50 a冻融循环后隧道断面的冻胀力, 并对比分析了弹性力学方法和现场测试结果.结果表明: 理论及数值模拟计算的结果之间能够较为近似的相互印证, 可以通过对隧道冻胀力的理论及数值模拟计算结果的比对, 及时了解隧道运营期间结构受力性状的变化情况, 来判断隧道结构的安全度和可靠度.     

冻融循环对青藏高原腹地不同生态系统土壤细菌群落结构的影响

通过构建16S rRNA基因克隆文库,研究了冻融循环对青藏高原腹地北麓河的高寒沼泽草甸和高寒沙化草原两种不同生态系统土壤细菌群落结构的影响. 结果表明: α-、 β-、 γ- 和δ-变形菌门(α-、 β-、 γ- 和δ-Proteobacteria)、 酸杆菌门(Acidobacteria)、 放线菌门(Actinobacteria)、 拟杆菌门(Bacteroidetes)和浮霉菌门(Planctomycetes)为两个生态系统土壤共有的细菌类群, 其中, 变形菌门、 酸杆菌门及浮霉菌门细菌为研究区域优势菌, 而厚壁菌门(Firmicutes)为高寒沼泽草甸土壤所特有, 疣微菌门(Verrucomicrobia)和绿弯菌门(Chloroflexi)细菌是高寒沙化草原土壤特有的细菌类群, 表明青藏高原腹地两种生态系统土壤具有丰富的细菌多样性. 冻融循环会降低区域土壤的细菌多样性, 随冻融循环, 高寒沼泽草甸和高寒沙化草原生态系统土壤放线菌门丰度均呈现下降趋势, 但大部分细菌随冻融循环的变化在两种生态类型中呈现不同的变化规律, 结果说明冻融循环对于不同生态系统土壤细菌群落结构的影响既存在相似性, 也存在着较大的差异.     

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.     

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.     

冻结温度对原状黄土物理力学性质的影响

在陕西省黄土地区典型地点取土样,开展不同含水率、不同干密度土样在不同温度下的冻结试验,探讨冻结温度下黄土的冻胀规律。研究表明,在干燥状态下陕西黄土样不发生冻胀或冻胀量很小。黄土的冻胀性随含水率的增加而显著。随着冻结温度的降低,黄土冻胀量变化率逐渐减小,最终冻胀趋于恒定。含水率较低时,冻结温度对土样的干密度影响不明显,随着含水率的增大,在高含水率条件下,孔隙率越小,影响越显著。低含水率条件下,冻结黄土呈现收缩现象,中等含水率略有增大,高含水率增大明显。在冻结过程中,冻胀力的作用使得土颗粒间的接触点增多,大孔隙所占的比例下降,导致土体内摩擦角增大;冻结温度越低,土样含水率越高,黄土内摩擦角的增加量也越大;冰晶的生长破坏了土颗粒间联结,引起结构弱化,黏聚力减小;含水率越高,孔隙率越小,冻结作用对黄土黏聚力影响越明显。     

水汽补给下砂土水分迁移规律及冻胀特性研究

利用自主研发的水分迁移和冻胀试验装备,研究了不同初始含水率、冷端温度、干密度对砂土水分迁移规律的影响,分析了三因素作用下砂土水平冻胀力和冻胀量的变化规律,确定了冻结锋面位置。研究表明：初始含水率和冷端温度对砂土的水分迁移和冻胀效果影响明显;初始含水率从0%增加至10%,试样含水率峰值增大了5.00倍,水平冻胀力和冻胀量不断增大,冻结锋面位置上移至2.5 cm高度处。冷端温度从?5 ℃降低至?15 ℃,试样含水率峰值增大了4.38倍,水平冻胀力和冻胀量不断增大,冻结锋面位置上移至2.6 cm高度处。干密度对试样水分迁移和冻胀特性影响相对不明显,整体呈现出在较小干密度下,试样含水率、水平冻胀力和冻胀量增幅稍大的趋势,冻结锋面集中在2.2～2.5 cm高度处。针对不同影响因素提出了水平冻胀力和冻胀量预测公式,为认识水汽补给下砂土水分迁移规律及合理预防冻胀提供参考。