球形模板压入仪在冻土长期强度测试中的应用

球形模板压入仪（球模仪）在前苏联和俄罗斯等冻土区土力学性质测试中得到广泛应用。在60多年的工程实践中,试验理论、方法等方面都得到了完善。因其试验简单易行且测试结果能较好地反映冻结土的力学性质,特别是在冻结土黏聚力的长期强度评价及预测方面广泛应用。简要介绍该试验理论、试验方法、试验仪器。以莫斯科郊外冰碛粉质黏土作为研究对象。在恒定-7～20 ℃温度条件下,在封闭状态下分别进行3、6、20、40次冻融循环试验。对各试验阶段土样进行物理性质测试,之后用球模仪对冻结土样进行强度测试。冻融循环后土样的各物理指标均有不同程度的减小,随着冻融次数的增加,其强度降低。冻融过程中,土样中水体积的变化使其密度减小、孔隙率增大是造成这一结果的原因。     

冻土非线性断裂韧度的修正因子测试方法

考虑冻土的非线性断裂力学特征,基于现有J积分测试方法,提出了一种新的冻土非线性断裂韧度的测试方法--修正因子法。在传统方法中J积分可以写成如下表达：J =Je +Jp,其中Je为J积分的线弹性分量,Jp为J积分的塑性分量。Je的计算相对简单;但计算Jp相对困难,原因是其中的参数Up难于确定。为了使计算简单,可将塑性分量改写为Jp =qJe,J积分则改写为J=(1+q)Je,q称为塑性修正因子。该方法通过循环加、卸载试验得到非线性载荷-位移曲线（P-Δ曲线）,并由载荷与位移的增量确定修正因子,在获得线弹性分量Je基础上,获得冻土非线性断裂韧度。采用该方法进行了冻土非线性断裂韧度测试,并将测试结果与相关文献结果进行比较,证明了该方法的合理性和有效性。     

冻土融化体积压缩系数的经验确定方法

融沉变形破坏是多年冻土区建筑物冻害的主要原因之一,实际的融沉量是热融沉陷与压缩沉降量的叠加：冻土融化体积压缩系数是估算冻土融后压缩沉降变形量的关键计算参数。根据286个冻土原状样融沉压缩试验数据资料,对细砾土、砂土、粉土、黏性土、泥炭化黏性土和泥炭质土等6类土,分别提出了在0～100 kPa和0～200 kPa压力段两种条件下的体积压缩系数和干密度之间的线性、二项式和对数式回归分析方程式。在此基础上,给出了确定6类土体积压缩系数的经验数据表。此外,还指出了现有规范推荐方法和建议值所存在的问题     

Cyclic triaxial tests on frozen sand

Strain-controlled cyclic triaxial tests were performed on a one-size silica (Ottawa) sand artificially frozen into 71.1-mm-diameter cylindrical samples. Ice-saturated samples with three different sand contents were tested under the following conditions: axial strains ranging from 3 × 10⁻³ to 3 X 10⁻²%, confining pressures from zero to 1.378 MPa, frequencies of 0.05–5.0 cps and temperatures from −1 to −10 °C.

Test equipment included (1) an MTS electrohydraulic closed-loop testing system which applies the load to the sample, (2) a triaxial cell completely immersed in a low-temperature coolant for temperature control, (3) a refrigeration unit for control of the coolant temperature and constant coolant circulation and (4) measuring devices including an LVDT and load cell, together with recording devices such as a digital multimeter, an oscilloscope, a strip-chart recorder and a minicomputer.

Test results indicate that the dynamic Young's modulus increases with increasing frequency, confining pressure and sand content, but decreases with increasing strain and temperature. The damping ratio decreases with increasing frequency, sand content and lower temperatures. The influence of confining pressures and axial strain on the damping ratio are less explicit for the ranges considered. The experimental results are compared with data from other sources.     

冻结法施工旁通道的冻土压力现场监测方法

冻结法广泛用于盾构隧道的旁通道施工,但设计上对于冻结引起的作用在隧道上的冻胀力还没有明确取值方法,其主要原因之一是缺乏现场测量数据。以上海长江隧道的旁通道施工为背景工程,采用新型土压力计监测。首先介绍了PAD式土压力计的基本特征和安装方法,然后介绍了自动数据采集和测点设置原则,接着通过实例重点说明电缆保护的重要性和保护措施。上述监测工作保证了全部5个土压力计的正常工作,并获得了有效的实测数据。数据显示,冻结工法造成的最大荷载增量远小于预期值,这主要是由于施工上设置了泄压孔,从而减少了作用在管片上的冻胀力     

盐渍化冻土-混凝土衬砌接触面直剪试验研究

土与结构接触面的研究一直以来是岩土工程研究的热点之一。为研究位山灌区渠系工程冻害破坏问题,开展了不同盐类型、不同含盐量、不同含水率条件下渠道下卧盐渍土-混凝土衬砌冻结接触面直剪试验研究。结果表明：冻结状态下接触面的应力-位移破坏性状呈脆性破坏,存在明显的峰值应力;剪切变形包括线性变形和非线性变形,线性变形随含水率和含盐量的增大而减小,非线性变形随含盐量的增大而增加;剪切模量随含水率的增加而提高;随含盐量的增加而降低;抗剪强度随含水率的增加而增大,随NaCl含盐量增加而降低,随Na₂SO₄含盐量增加先降低后升高;通过对变形能的分析发现,含水率w=14.7%和w=16.7%时具有相似特征,即NaCl含量为0.5%时,曲线存在极（最）小值。     

基于高密度电阻率法对季节性冻土的监测研究

通过建立正演冻土模型,验证了将高密度电阻率法应用于冻土监测的可行性。对高密度电阻率法装置进行特殊处理,将其应用于对季节性冻土的监测,并进行了七个月份的连续监测。结果表明:高密度电阻率法在季节性冻土监测中可行;通过对实测数据进行反演处理,得到电阻率反演剖面,可以看出表层土壤在季节变化中有明显的结冻、解冻行为;并可估算出冬季冻土深度范围。     

冻结黏土空心圆柱试样制样方法

冻土空心圆柱仪是室内研究冻土在车辆荷载等复杂应力路径下力学特性的主要仪器,试验中为实现主应力轴方向在垂直于径向平面内连续旋转,其试样多采用薄壁空心圆柱试样,但由于空心圆柱试样薄壁的特点,增加了制样的困难,成为制约冻土空心圆柱试验研究进展的主要阻碍。为此,借鉴冻土三轴试验的制样方法,基于实验室现有的制样条件,设计了一套重塑冻结黏土空心圆柱试样的制样装置,可提高制样效率,减小制样过程中人为因素的影响;随后,基于该制样装置,提出了一种冻结黏土空心圆柱试样的制样方法,给出了制备重塑冻结黏土的制样步骤。最后,通过对所制备试样的物理力学性质测定,发现采用该制样方法可以制备含水率及干密度均匀、力学性质稳定的重塑冻结黏土试样;同时对两个平行制备的冻结黏土试样的不同主应力轴方向的定向剪切试验结果进行了比较,证明了所提出的制样方法具有良好的可重复性,且所得的冻土力学特性与已有研究成果吻合较好,可用于进一步系统研究复杂条件下冻结黏土的静、动力学特性。     

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。     

A multisurface elastoplastic model for frozen soil

Acta Geotechnica - Many geotechnical engineering problems in the cold region, including cracking of pavements, damage to the foundations of structures, and fracture of pipelines are blamed due to...     

现浇混凝土-冻土接触面冻结强度直剪试验研究

关于混凝土-冻土接触面的力学强度研究多集中于预制成型混凝土样（块）与冻土接触面的力学试验研究,而与工程实际更为接近的冻土中现浇混凝土、冻结稳定后混凝土-冻土接触面的力学强度研究则少有涉及。基于冻土中现浇混凝土的试验方式,开展了不同水灰比、含冰量及冻土温度条件下,混凝土-冻土复杂接触面冻结强度的直剪试验研究。结果表明：试验条件下,由于混凝土中粗、细骨料导热系数及水化热侵蚀强度不同,冻土中现浇混凝土会导致混凝土-冻土接触面发生起伏变化。受该因素影响,粗糙接触面较光滑接触面的冻结强度增大71.9%。粗糙接触面引起的应力集中,使得剪应力在剪切破坏过程中出现间歇性增大、跳跃。在冻结强度构成中,随接触面粗糙程度的增大, φ值对冻结强度增长的贡献要大于c值。水灰比由0.4增至0.6,混凝土导热系数降低,生成接触面趋于光滑,冻结强度减小;土体含水量由15%增大至30%时,冻结强度增大,含水量继续增大至40%时,冻结强度减小;在不同温度条件下,整体呈现冻土温度降低冻结强度相应增大的趋势。基于上述结果,多年冻土区灌注桩设计时,建议混凝土采用0.4~0.5水灰比。     

基于冻融次数-物理时间比拟理论的冻土长期强度预测方法

冻融作用可以改变土的结构,引起其力学特征的变化,从而影响到冻土工程的稳定性。由于冻融周期的设定不尽相同,因此大量的试验结果不能有效地进行对比分析。另外,对于冻融作用下土体力学特征的预测也成为研究的难点。在冻土遗传蠕变理论的基础上,利用球型模板压入仪作为测试方法,提出了一种冻融次数-物理时间比拟的方法。把冻融周期(次数)转化成物理时间(min),将不同冻融周期土的长期强度曲线簇映射到同一坐标中,利用该归一化曲线进行长期抗剪强度的预测,并选取了两种土样进行了测试,分别得到了相关的长期抗剪强度的预测方程。该方法对冻融作用下土体力学行为的成果对比研究以及长期强度的预测有重要的理论意义,对寒区工程稳定性预测分析也具有工程实践价值。     

高寒冻土区生物结皮对土壤理化属性的影响

生物结皮是高寒地区地被层的重要组分之一。其作为地表特殊的结构层,能够改变地表结构及土壤理化属性,从而影响冻土环境。迄今为止,关于青藏高原高寒生态系统中生物结皮对土壤理化属性的影响尚不清楚。以青藏高原高寒冻土区生物结皮为研究对象,初步研究了生物结皮的特征及其对土壤理化属性的影响。结果表明：生物结皮在高寒草甸退化过程中广泛发育,主要以藻结皮为主,其盖度可达37.3%~51.7%,结皮层平均厚度为12.6 mm。由于生物结皮的发育,高寒地区5~20 cm土层粉粒含量有所增加,但差异不显著,而结皮层土壤田间持水量相比于裸地表层（2 cm）增加了10%~40%,结皮层容重较裸地降低了30%;两种类型藻结皮均显著增加了结皮层及其下0~20 cm土层土壤有机质,而深色藻结皮增加了结皮层及其下0~20 cm土层土壤全氮含量,浅色藻结皮仅增加了结皮层土壤全氮含量,对其下0~20 cm土层土壤全氮含量没有显著影响;生物结皮对土壤pH没有显著影响;生物结皮是高寒生态系统植被退化过程中的关键环节。研究结果为揭示生物结皮在高寒生态系统中发挥重要生态功能提供依据。     

Proposed engineering of gypsiferous soil classification

Proposed engineering of gypsiferous soil classification is given. This classification depends on soil texture, mineralogy, geochemistry and engineering properties. Study areas are located within the Mesopotamian plain and include four locations, namely, Najaf, Karbala, Falluja and Samarra which are located between latitudes 32° and 35° and longitudes 43° and 44° 30??. The study performed includes analyses of soil samples for their mineralogy and physical and engineering properties as well as the chemical analyses of soil water extracts. The results suggest that these soils consist of different percentages of sand, silt, clay and some gravel. Analysis also detected secondary gypsum, quartz, calcite, feldspar, different types of rock fragments and different types of heavy minerals in trace amount. Clay minerals are dominated by palygorskite. Hydrochemical analysis results of soil water extracts show that the calcium and sulphate ions are most common, followed by sodium, bicarbonate, chloride, magnesium and potassium. Bicarbonate and chloride show increased values in Karbala and Najaf areas. The highest gypsum content reached 67.5% in the Samarra area, while the lowest is in Karbala, which reached 28.9%.The physical and engineering properties of the studied soils were determined. Samples which were allowed to soak in water show a sudden drop in unconfined compressive strength, compression and shear values immediately after soaking and then decreased gradually. This classification of gypsiferous soils is composed of two classes: gypsiferous soil and highly gypsiferous soil, according to their gypsum content and initial void ratio, coefficient of curvature, coefficient of uniformity, the collapse potential, the compressive strength, cohesion, plasticity index, content of fines and the total dissolve solids of the soil water extracts. It is believed that this newly proposed classification for gypsiferous soils can be applied to other locations and therefore will be useful for other soil scientists and engineers as well because this classification depends on soil texture, mineralogy, geochemistry and engineering properties, while the other existing classifications deal with only one of these variables.     

Laboratory tests on soil conditioning of clayey soil

Tunnelling in difficult and challenging conditions such as soft soils in urban areas is increasing. In this condition, it is important to minimise the possible negative effect of the tunnel excavation, such as settlement or, in the worst case, collapses. To achieve this result, earth pressure balance machines are commonly used. One of the key parameters that must be considered for an optimal management of the EPB-TBM excavation is soil conditioning since the excavated muck must properly transmit the pressure to the tunnel face. Soil conditioning is also necessary to reduce the effect of the problems, such as clogging in clay layers, that can occur during the excavation and that can affect the performance of the tools and of the entire tunnelling process. For this reason, in the last decade, much research has been carried out to understand how to deal with and reduce the effects of clogging and stickiness, using different conditioning additives. These studies have proposed several different test procedures to evaluate the effect of the conditioning on the adhesion of the soil on the metallic parts of the machines. The present research has been carried out with the aim of proposing a new approach and new devices to study clay conditioning with laboratory tests, and the results of many tests carried out with the proposed device are presented and discussed.     

基于收缩试验的膨胀土地基变形预测方法

进行膨胀土的三相收缩试验,确定了广西膨胀土的体积收缩指数。对依托工程膨胀土进行了现场静力触探试验,根据比贯入阻力随深度的变化曲线特征,确定了膨胀土活动区深度,给出了膨胀土裂隙开展深度的理论解,膨胀土裂隙开展深度的计算值与静力触探试验确定的膨胀土活动区深度和现场观测的裂隙开展深度基本一致。最后介绍了基于三相收缩试验基础上的膨胀土地基变形计算方法,并在试验基础上给出了膨胀土地基变形计算模式和计算结果。以膨胀土地基变形量作为膨胀土地基的分类指标,对膨胀土地基进行了分类,对膨胀土基础选型具有重要意义。     

考虑损伤效应的冻粘土蠕变本构理论研究

用简单的屈服函数作为冻土塑性损伤变量,对西源模型中的粘塑性蠕变量进行损伤修进。通过相关推导得到了冻土粘弹塑性损伤本构方程。通过用户子程序将此本构模型嵌入到大型商业有限元软件ADINA中。有限元计算结果表明:考虑损伤的冻土本构模型能较好的模拟加速蠕变阶段,可用于深井工程实践。     

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。     

饱和正冻土冻结过程的冻胀变形分析

在分析土体冻胀形成原因的基础上,通过建立冻胀过程的应力场控制方程和温度场控制方程,利用固相增量法和热弹性力学理论,推导出冻胀过程中在温度场影响下的应力分量。在此基础上对冰透镜体形成条件进行了补充,提出相变温度也是冰透镜体形成的必要条件。通过对冻结过程机理的分析,在考虑温度和未冻水对冻胀量的影响基础上,对原位冻胀和分凝冻胀机理分别进行了讨论,给出完整冻胀量的理论计算方法,该方法可以更贴近描述土体实际冻胀过程。     

冻土中微裂纹尺寸的识别与确认

在对冻土微观结构试验观测的基础上,提出了对冻土中微裂纹尺寸进行识别和确认的方法,给出了3种典型土质在不同温度下的微裂纹尺寸参考值,为应用冻土强度破坏准则进行定量计算与分析提供依据。将冻土微裂纹损伤区作为冻土体的缺陷处理,并按“当量化裂纹”原则,把冻土微裂纹损伤区简化为“当量裂纹”,如此给出了理论估算微裂纹尺寸的新途径。把理论计算与试验观测结果进行比较,二者符合较好。