颗粒迁移作用下宽级配土渗透性研究

宽级配土作为堆积层滑坡的主要物源,其渗透性研究是开展降雨型堆积层滑坡机制研究的前提和基础。宽级配土的渗透是一个包括水分运移和土体细颗粒迁移的复杂过程,但在研究其渗透性时通常只考虑了水分的运移而忽略了细颗粒的迁移。为此,采用自制大型渗透仪对3组不同D15/d85值(D15为粗粒组中小于该粒径的颗粒质量分数为15%的粒径;d85为细粒组中小于该粒径的颗粒质量分数为85%的粒径)的土样进行了饱和渗流试验,研究了宽级配土的水分运移特征和细颗粒迁移规律。研究结果表明:D15/d85值对宽级配土的渗透系数和细颗粒迁移有重要影响,D15/d85值越小,则土体渗透系数越小,细颗粒不易发生迁移;D15/d85值越大,渗透系数越大,试验过程中渗透系数变化越剧烈,迁出细颗粒的量也更大。根据渗透系数的变化也可判定土体内部细颗粒的运动情况,据此提出了3种宽级配土颗粒迁移模式。该研究成果加深了对宽级配土渗透特性的认识,为完善降雨型堆积层滑坡机制研究提供了新思路。     

Some aspects of artificial thawing of frozen soils

Despite its important practical value the problem of artificial thawing of frozen soils by the vertical, cylindrical defreezer-pipe method has been studied only comparatively recently.

To facilitate excavation and/or foundation work in frozen soil in seasonally freezing and/or permafrost regions, the frozen soil can be loosened up, among other methods, by artificial thawing. For this purpose it is necessary to evaluate the amount of thermal energy needed to bring about the desired thawing. Such an evaluation involves consideration of the relationships between the frozen and thawed soil properties; temperature of the defrosting agent; the size and spacing of the defreezer pipes; and the time required to thaw a certain amount of frozen soil. Although in practice several methods are used for artificial thawing, in this paper, discussion on and calculations for defrosting of frozen soil are presented relative only to thawing by means of vertically installed defreezer pipes.     

缺级粗粒土管涌类型的判别方法

利用大型渗透变形仪,对不同最大粒径和细粒含量的缺级粗粒土的渗透破坏特性进行了系统的试验研究。研究结果表明,缺级粗粒土在细料含量小于30 %的情况下都发生管涌型渗透破坏,基本符合前人提出的判别流土和管涌的准则。管涌破坏的类型可划分为发展性管涌和非发展性管涌两种,采用刘杰和康德拉且夫对发展性和非发展性管涌的判别方法都不能区分本次试验的管涌破坏类型。在康德拉且夫提出的判别粗粒土管涌类型的方法的基础上,考虑细料对粗料孔隙的填充程度及试样中缺级颗粒百分含量的影响,建立了缺级粗粒土管涌类型的判别式,为缺级粗粒土管涌类型的判别提供了新的思路和方法。     

高铁路基粗颗粒土水力学参数测试方法研究

高铁路基粗颗粒土的水力学特性对路基内部水分运移及路基的长期累积变形有重要影响。而对这种高压实度的粗颗粒土,常规非饱和土试验仪器存在试样尺寸小、制样难度大的缺点,难以应用。介绍了一种用于测试高压实度路基粗颗粒土-水力学参数的试验装置,利用张力计和时域反射计量器,分别测量路基粗颗粒土在浸湿、干燥阶段不同高度处土体基质吸力、介电常数的变化情况,获得高压实度下高铁路基粗颗粒土土-水特征曲线;并通过瞬态剖面法获得路基粗颗粒土非饱和渗透系数与基质吸力的关系。试验结果表明,该套装置能够适用于最大粒径为20 mm的粗颗粒土,试样压实度最大可达到0.95。通过对一组试验结果分析,并结合Ekblad等试验结果,发现随着填料细颗粒含量增大,?（与进气值有关的参数）值逐渐减小,土体进气值增加;粒径越大,细颗粒含量越低,土体储水能力越低,对应n（与排水程度有关的参数）值越大。为路基粗颗粒土-水力学参数的测定提供了方法。     

Stability of mine workings in frozen soils

The laws of rheological processes (creep and long-term strength) occurring in frozen soils are considered and initial equations formulated. Methods for determining the strength and deformability characteristics are described; the values of these characteristics are given.

Methods are considered for calculating the optimum thickness of the walls of ice—soil retaining structures built by means of artificial freezing and proposed by the authors, as well as methods of design for creep and long-term strength of the frozen soil surrounding various mine workings. The corresponding calculation equations are given; graphs are attached to facilitate the use of these equations. The calculation techniques are illustrated with examples.     

非饱和（冻）土导热系数预估模型研究

岩土材料的导热系数是岩土工程温度场分析及建筑热工计算中的重要参数。研究旨在建立一个基于归一化导热系数概念和以土的干燥和饱和状态导热系数为基准的非饱和土导热系数的通用预估模型。通过对文献中328组实测数据的分析发现,将同类土在不同密实度条件下的各种导热系数-含水率曲线簇进行归一化处理后,可以得到惟一的归一化导热系数kr与饱和度Sr（归一化含水率）关系,1/kr与1/Sr呈相关性较好的线性关系,而每支1/kr-1/Sr直线均通过坐标（1,1）点的斜率由土质类型决定。据此提出了一个集成土质类型、密实度（孔隙率）和含水率（饱和度）等因素综合影响的融土和冻土导热系数通用预估模型,并给出了导热系数预估模型中土质参数的取值范围,以及融土和冻土处于完全干燥状态和饱和状态的确定方法。对预估模型进行验证结果表明,所提出的非饱和土导热系数预估模型具有较好准确性。     

寒区渠基黏土热参数最优概率分布

为分析寒区渠基黏土热参数的随机分布特征及概率分布模型,以寒区渠基黏土的导热系数为样本,结合经典分布拟合法、多项式逼近法、最大熵法和正态信息扩散法,分别对寒区渠基黏土热参数的概率分布规律进行了研究。首先通过分析热参数的离散性,并比较概率分布曲线、拟合检验值和累计概率分布值,对不同方法描述热参数随机性的优劣进行了评价;然后,基于寒区渠基黏土热学参数对温度的敏感性,提出了一个可以达到理想拟合精度的寒区渠基黏土热参数概率推断的区间取值标准。研究结果表明：寒区渠基黏土的热参数具有随机变量的特征;正态信息扩散法可以描述热参数样本的随机波动性;在4种方法中,正态信息扩散法的拟合精度最高。使用3.5σ法,将[μ-3.5σ,μ+3.5σ]（μ为随机变量的均值,σ为标准差）作为概率函数推断时的取值区间,同时考虑偏度的影响,可使得累计概率值达到1.000 0的精度,能够较准确地推断热参数的概率分布函数。     

泥石流堆积物中细颗粒含量与渗透系数关系试验研究

泥石流拦砂坝通常建造在沟床堆积物上。泥石流堆积物的渗透性是影响坝底扬压力的关键因素。目前关于土体渗透性的研究主要集中于无黏性粗粒土,对泥石流堆积物这种宽级配土体渗透性的研究比较缺乏。选择北川县泥石流沟床堆积物作为试验材料,通过渗透试验,确定了影响宽级配土渗透性的细颗粒上限粒径;在此基础上,通过试验研究了细颗粒含量与渗透系数的关系。结果表明,泥石流堆积物中粗颗粒仅起骨架作用,细颗粒才是决定其渗透性能的关键;显著影响宽级配土渗透性的细颗粒上限粒径为0.1 mm;细颗粒（<0.1 mm）含量与渗透系数呈负指数关系,并且当细颗粒含量超过20%以后,泥石流堆积土的渗透性趋于稳定。     

无胶结粗粒土初始结构强度研究

无论是原状土还是重塑土均存在初始结构性,土体初始结构所抵抗的剪应力为土体结构强度。为了研究无胶结粗粒土初始结构强度,定义了粗粒土剪切过程中初始结构变化点特征,并根据大于20 mm粗颗粒含量将粗粒土划分为4种结构类型,采用可视化直剪仪对不同结构特征的粗粒土进行直剪试验,通过剪切过程中粗粒土平面孔隙比、配位数、概率熵等3种初始结构指标的数值大小及变化趋势,来确定不同初始结构的粗粒土结构临界强度。结果表明:不同初始结构类型粗粒土在相同正应力、相同颗粒种类的情况下,其抗剪强度大小与结构强度占比大小的排序一致,表明了颗粒结构强度在抵抗剪应力的整个过程中起到了重要作用。4种初始结构类型粗粒土平均结构强度占比为36.27%,即结构强度占峰值抗剪强度的36.27%,其中排列接触结构的结构强度占比最高,为36.62%,其次为镶嵌结构36.61%,悬浮密实结构35.99%,叠置结构的结构强度占比最低,为35.87%。     

Effects of coarse-grained materials on properties of residual soil

Residual soils are generally characterised by a low coefficient of permeability and high shrinkage potential. Several soil improvement methods can be applied to overcome these problems, including mixing the residual soil with coarse-grained soils. In order to study the effects of varying coarse-grained materials on the hydraulic properties and shrinkage characteristics of residual soils, a local residual soil was mixed with different percentages of a gravelly sand and a medium sand. The hydraulic properties and shrinkage potential of the residual soil and the soil mixtures were investigated. The measurements showed that increasing the amount of coarse-grained materials increased the saturated permeability and reduced the shrinkage potential of the residual soil mixture. Increasing the amount of coarse-grained materials in the residual soil produced changes in several key parameters of soil-water characteristic curve (e.g., the slope, the air-entry value, the residual matric suction, and the residual volumetric water content), as well as the unsaturated permeabilities of the soil mixtures.     

基于Noah陆面过程模型模拟青藏高原植被和土壤特征对多年冻土的影响

针对青藏高原植被稀疏、土壤颗粒较粗糙的特征,基于Noah陆面过程模型（LSM）,模拟了植被和土壤对整个高原多年冻土分布和关键属性特征（包括活动层厚度和年平均地温）的影响,并通过野外调查数据对模拟结果进行了评估。结果表明：在考虑稀疏植被和粗糙土壤后,改进的Noah LSM对青藏高原多年冻土分布和属性的模拟性能都有所改善;多年冻土面积由原始Noah模型模拟的1.216×10⁶ km²减少到1.113×10⁶ km²,模拟的空间差异主要出现在多年冻土与季节冻土的过渡区及高原南部的岛状多年冻土区;模拟的高原平均活动层厚度由原始Noah模型模拟的2.55 m增加到2.92 m,年平均地温也由-2.17℃增加到-1.65℃。总之,青藏高原稀疏植被和粗糙土壤对多年冻土有重要影响。     

公路涎流冰的成冰机理与新型防治措施研究

建立了粗、细粒土冻结模型, 分析了扰动三层体内部的析冰原理, 提出密闭水体的冻结-压力循环, 该循环是涎流冰发育的机理. 对饱水粗颗粒土与饱水细颗粒土的冻结模型比较表明, 饱水粗粒土在密闭体系中的冻结; 就其产生的水压力而言, 实质上就是密闭水体的冻结, 也就是水冻结成冰体积膨胀受限而产生力的问题. 这种体积膨胀产生的力导致约束结构(如薄弱层)的整体性破坏. 在公路边坡数值模拟分析的基础上, 提出边坡薄弱层破坏导致渗水是形成坡积冰的主要原因之一, 薄弱层破坏处是病害最严重的位置. 根据病害形成原理和成因分析, 并提出渗井与仰斜式排水管相结合的复合防治措施, 工后效果良好.     

冻结作用对青藏红黏土及兰州粉土微观结构的影响分析

冻土微观孔隙特征是决定冻土体一系列物理、力学性质的基本参数,冻土中存在的冰晶体其体积受温度影响发生变化会影响到冻土的土体微观结构及孔隙特质发生变化。利用可用于负温冻土观测的新型扫描电镜,通过对青藏红黏土及兰州粉土不同初始条件下的土样冻结前后微观结构进行研究分析。结果表明：冻结作用发生后,冰晶生长对周围土颗粒产生挤压作用,导致周围土颗粒的移动和结构破坏,土中大孔隙的数量增多,加之周围小孔隙补给大孔隙中的冰晶进一步生长,出现局部个别大孔隙体积增大,小孔隙体积缩小的现象,表现在孔隙率上为土体在冻结后孔隙率减小;此外,对于粒径级配不同的土体而言,冻结作用对细颗粒土的土体孔隙的尺寸、形态以及排列方式等方面的影响均大于粗颗粒土;同样,初始含水率决定了冻结作用发生后参与改变土体微观结构的冰晶体生长的"量"的大小,在冻结作用对土体结构性破坏的过程中起重要作用。研究成果定量揭示了冻结作用对不同初始条件下的土体微观结构的影响,为研究冻土宏观力学特性和冻胀机制等提供了理论基础与和试验支撑。     

直剪试验下粗粒土能量演化与强度参数关系研究

为探索剪切过程中粗粒土能量演化与强度参数间关系,采用直剪试验对粗粒土的能量演化过程及强度特性进行分析,根据能量守恒原理,结合Mohr-Coulomb强度准则,推导能量与强度参数能量平衡方程,建立了理论模型与适用模型并对模型进行论证与分析,探讨粗粒土能量与强度参数的定量关联,结合MATLAB分析函数,对模型应用进行探讨。研究结果表明:因棱角型颗粒能量演化过程剧烈,棱角型接触颗粒强度参数取值大于圆型,达到应力峰值临界状态外力做功能量大;不同法向应力下,最后一阶段外力做功F(c, φ)与强度参数值呈线性关系,随强度参数值增加而增大,其偏微分方程将无限收敛于定值f(c_α, φ_β)。研究结果可用于分析路基填料受剪情况与能量演化过程,反演满足工程需要的强度参数值。     

A new criterion for strength of frozen sand under quick triaxial compression considering effect of confining pressure

The strength of frozen soils has been one of the most extensively studied aspects in frozen soil mechanics. When carrying out deep excavations using freezing methods, high stress states are often encountered. Therefore, the strength of frozen soils under high confining pressures is of major concern. This paper first reviews the present failure criteria for frozen soils, especially with regard to the effect of confining pressure on the strength. It is suggested that the strength consists of two components, cohesion and friction, and can be expressed by the Mohr–Coulomb criterion and in the framework of the Drucker–Prager criterion. However, these two components are both dependent on the stress state. Duncan’s equation for the friction angle is extended to frozen soils. A frozen Lanzhou fine sand is taken as study subject. The frozen sand is compressed at a high strain rate under three different temperatures and under a wide range of confining pressure. Experimental results have confirmed the generally recognized principle that the strength increases with the confining pressure up to certain value. Thereafter, it decreases with continued increase in confining pressure. Experimental data from our own tests and literature are fitted to the new criterion, which shows its validity.     

细粒土含量对粗粒硫酸盐渍土路基填料盐胀特性的影响试验及分析模型

为了明确细粒土含量对粗粒硫酸盐渍土路基填料盐胀量的影响,针对 1% 和 3%含盐量工况下的砂、砾类盐渍土,采用降温试验研究了细粒土含量递增条件下粗粒硫酸盐渍土的盐胀特点。在此基础上,利用 PFC^3D技术模拟了粗粒盐渍土的盐胀变形并分析其机制,结合微观试验分析了盐胀状态中粗粒土骨架典型状态。结果表明：随着细粒土含量的增加,粗粒硫酸盐渍土的盐（冻）胀量均先增加后减少再增大,分界细粒土含量因含盐量及土类不同而异,1%、3% 含盐量的砂、砾类土样分别在15%和10%细粒土含量时产生最大盐（冻）胀量;3%含盐量砂、砾类土的起始盐胀温度约 20 ℃,1%含盐量土样的起始盐胀温度随细粒土含量及土种类不同差异较大且存在明显的界限细粒土含量,当细粒土含量低于界限值时土体的起始盐胀温度约为0.5～2 ℃,高于界限值时土体的起始盐胀温度约为 4～12 ℃;同时提出了盐胀状态中粗粒土骨架典型状态模型及其作为路基填料的细粒土含量界限值。     

Deformation properties of frozen soils

This paper gives a brief account of the results of a series of oedometer tests and triaxial creep tests on frozen soils.

The oedometer tests are performed on artificially frozen sand, silt and clay. The tests also include ice as a reference material. The results are given by parameters describing the tangent deformation modulus and the time resistance against creep.

The triaxial creep tests are carried out on the artificially frozen clay, and on a permafrost clay from Spitsbergen. The data are interpreted in accordance with Hult's theory. The artificially frozen clay shows much higher creep resistance than the permafrost clay.

In addition to deformation moduli and creep parameters the routine data of the materials tested are also included.     

粗粒土压实特性及颗粒破碎分形特征试验研究

对多个级配不同含水率的粗粒土进行击实试验,研究粗粒土的压实特性和颗粒破碎分形特征。结果表明,粗粒土最大干密度随级配中粗粒含量的增大而增大,当粗粒含量P5=70%时,最大干密度出现最大值;当P5＞70%时,最大干密度又随粗粒含量的增大而减小,粗粒土击实破碎后的粒径分布具有良好的分形特性,破碎分形维数为2.279 0～2.892 2,均大于击实前粗粒土粒度分形维数;相同级配条件下,粗粒土破碎分形维数随含水率的增大而增大,且粗粒含量P5＞50%时,增幅显著;粗粒土破碎分形维数D与破碎率Bg存在良好的线性关系,且击实前后粗粒土粒度分形维数差值能客观表征颗粒破碎的程度;粗粒含量和含水率是影响颗粒破碎率的两个重要因素,但相对于含水率而言,粗粒含量对破碎率的影响更加显著。     

粗颗粒土的静止土压力系数非线性分析与计算方法

确定静止土压力系数在土压力计算中非常重要,但是粗颗粒土的静止土压力系数非线性特征长期被忽视,专门研究其非线性特征具有重要现实意义。为弥补粗粒土K0非线性研究的不足,分析了粗颗粒土的静止土压力系数非线性特征。基于邓肯?张模型的应力?应变增量关系,引入邓肯?张模型参数,建立了静止土压力系数数学公式。同时,提出了粗颗粒土静止土压力系数非线性计算方法,并对公式参数敏感性进行了分析。基于K0试验数据和数值试验结果,对粗颗粒土静止土压力系数非线性计算方法进行了应用分析。应用结果表明：K0预测值与K0实测值吻合,所提出的非线性K0计算方法可用于粗颗粒土K0计算。通过与Jaky公式的结果的对比分析,讨论了初始应力条件对粗颗粒土静止土压力系数非线性计算结果的影响。该研究成果有助于加深对土体静止土压力系数非线性的理解,并为粗颗粒土静止土压力系数计算提供参考。     

土体导热系数的评价与计算

土体的导热系数是土木工程热工计算的重要参数.土体的多孔介质性质决定了土体的导热性质与干土、气体及孔隙充填物(水)的含量有密切关系.实验测试结果表明,土体不论处于冻结还是融化状态,其导热系数均随干容重以及含水量的增加而增大.采用土体的物理性质指标,对土体的导热系数进行了分析,给出土体导热系数较为方便的计算方法,有利于工程设计计算参数的选取,同时与实验测试结果对比,有较好的吻合度.