基于结构性的冻结黄土力学特性试验研究

通过对重塑冻结黄土和人工结构性冻结黄土（通过对重塑黄土添加水泥获取）进行室内三轴剪切试验,研究了围压、含水量、温度、水泥含量等因素对冻结黄土力学行为的影响. 结果表明：不同试验条件下,非饱和土试样和饱和土试样的应力-应变关系呈现不同的特点. 温度和围压是影响冻土体强度的主要因素,温度越低,其破坏强度越高;非饱和土样强度随围压增大而增大,饱和土体强度受围压影响很小. 初始含水量是影响冻土体强度的另一主要因素,对非饱和土样,随着含水量的增加土体强度逐渐增高,达到某一峰值之后随含水量继续增加而减小,饱和土体强度最低. 对非饱和土样,水泥含量越高,对应的破坏强度也就越大;但对饱和土样,水泥含量对冻土的应力-应变行为及强度影响不大. 最后,提出了与所试验土体强度参数相关的综合性系数M,通过回归分析,得出了其与c和tan φ的关系,并验证了其可靠性.     

黄土?三趾马红土滑坡滑带土的长期强度影响因素研究

西北地区三趾马红土广泛分布,其蠕变特性强、变形后强度衰减明显,为典型的易滑地层。以往研究较少关注三趾马红土的长期强度衰减规律,为探讨三趾马红土强度时间效应,文章开展三趾马红土蠕变试验研究,获取其蠕变全过程曲线;利用等时曲线法求取其长期强度,并分析影响因素对长期强度影响的敏感性。结果表明:三趾马红土蠕变性强,蠕变特性受初始条件影响显著,试样干密度越小、含水率越高、试验围压越小,其蠕变变形量越大;三趾马红土蠕变变形后强度衰减明显,强度损失率为6.67%～34.58%,干密度越小、含水率越高、围压越小其长期强度越低;三趾马红土长期强度衰减随影响因素变化敏感性不同,随含水率变化最为敏感,随围压变化敏感性次之,随干密度变化敏感性最低;三趾马红土强度损失率变化则呈现不同规律,干密度越小、含水率越高、围压越低,其强度损失率越大,且其变化幅度随围压变化最为敏感,随含水率变化次之,随干密度变化敏感性最低。     

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。      

饱和黄土卸载特性影响因素研究

黄土边坡开挖过程中常遇到边坡发生变形甚至破坏的情况,不同的开挖速率导致边坡的变形特征也不相同。通过饱和黄土的卸载三轴试验,研究固结围压及卸载速率对卸载状态下饱和黄土的应力-应变特性、孔隙水压力的发展及应力路径的影响。试验表明,固结围压越大,土体破坏所需的偏应力越大,抗剪强度越大;卸载速率越大,对应的偏应力峰值越大,抗剪强度越大。卸载速率相同时,土体卸载初期的超静孔压为负值,增大至正值后孔压的增长速率在其增大过程中逐渐减小;固结围压越大,土样剪切过程中对应的孔隙水压力越大。卸载三轴试验中,土体均表现为应变软化的特性;饱和黄土破坏时的应变均为1%~3%,且固结围压越高,破坏时的应变越小。固结围压相同时,卸载速率越大,孔压增长速率越快,但孔隙水压力值越小。     

衬砌粗糙度对季节冻土区渠基土-衬砌接触面间峰值抗剪强度的影响北大核心CSCD

目前来看,在构筑物与土体表面粗糙度影响土-构筑物接触面间切向冻胀力方面的研究还较少,因此,本研究从川西季节冻土区渠基土-衬砌接触面的切向冻胀力问题出发,着重考虑衬砌表面粗糙度这一因素对接触面间抗剪强度、黏聚力、内摩擦角的影响规律和影响效应,并结合环境温度、含水率及冻结时长,利用正交分析综合探究了4种因素对接触面间峰值抗剪强度影响的相关性和显著性,结果表明:接触面间抗剪强度、黏聚力、内摩擦角随衬砌表面粗糙度变化呈现相同规律,即衬砌表面越粗糙,3项指标随即增大。正交分析中揭示了影响接触面间峰值抗剪强度大小最显著的因素是衬砌粗糙度,其次是环境温度和含水率,冻结时长的影响效应不显著,同时低温、低含水率、较长冻结时长、较高衬砌粗糙程度下的峰值抗剪强度越大。此项结果可为季节冻土区渠系工程防冻胀危害提供理论支撑。     

循环荷载作用下正融粉质黏土强度特征与滞回环演化规律

季冻区路基春融过程中,特别是反复循环荷载作用下,极易造成承载能力显著降低、翻浆冒泥等灾害现象,但是目前对季冻区路基的研究大多数都停留在冻结土和经历冻融循环后全融土阶段,正融土的研究比较少。本文对正融粉质黏土进行了不同融化温度、冻结负温、含水率以及围压下的三轴单调加载和循环加卸载试验,研究发现经历循环加卸载的试样强度较单调加载绝大多数均有降低,每次循环会对试样造成一定的损伤;峰值强度随含水率的增大、围压减小而下降显著,主要由于试样顶端融化时存在大量水分和围压的约束作用造成;冻结负温和融化温度影响了融化速率,温度越低,前期强度越高,随时间推移影响减弱;用滞回环回弹模量定义了损伤变量,发现损伤变量与循环次数呈正相关;不同因素影响下,损伤变量的增长区别在于损伤快速发展和缓慢发展时对应循环次数上的差异;基于滞回环面积定义了耗散能,而损伤变量与耗散能却存在一定此消彼长的相关性。     

硫酸钠盐渍土冻结温度计算模型构建及验证

土的冻结温度是使土体物理力学性质发生显著变化的关键温度,盐渍土中由于盐分存在使冻结温度的预测变得困难。本文提出了一种适用于硫酸盐渍土有盐分析出时的冻结温度计算模型,分别对硫酸钠自由溶液、硫酸钠盐渍土及石英砂的冻结温度变化规律展开了研究。首先,依据固液两相平衡时化学势的规律、冰晶表面曲率影响以及盐分结晶析出对溶液浓度的影响,构建了自由溶液、盐渍土及石英砂的冻结温度预测模型;然后,开展室内冻结试验得到了冻结温度测量值,通过计算测量值与计算值二者的均方根误差(RMSE)、显著性水平(α)及一致性系数(LA),验证了本文模型的精度与适用性。结果表明:土样中初始含水率越小,土样表面的毛细作用和吸附作用越强,使土样冻结温度越低。在土样孔隙中盐溶液有效浓度越大,冻结温度越小。由于盐分结晶的影响,有效浓度随盐浓度增大先增大后减小,然后保持不变。土样孔隙半径越小,冰晶表面曲率影响越大,冻结温度越低。该研究成果能为盐渍土盐冻胀变形及人工冻结中的温度参数分析提供一种新的方法。     

模拟人工冻结凿井状态下冻土强度特性研究

通过模拟人工冻结凿井中冻土冻结、受力的实际过程,对已冻结试样进行不同温度、不同初始围压状态下的减载试验研究.结果表明:温度和土层深度是影响深部冻土破坏强度和破坏应变的主要因素,当温度不变时,破坏强度和破坏应变随初始围压呈线性关系变化.破坏强度受温度的影响取决于初始围压,在低初始围压状态下,冻土的破坏强度受温度变化影响不明显,但随着初始围压增大即土层深度加深,破坏强度受温度的影响也逐渐明显.破坏应变随温度的降低而逐渐减小,且呈双曲线形变化,但当温度低于 - 7℃时,在不同初始围压下其破坏应变基本不随温度的变化而变化     

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.     

冻融作用对饱和粉质黏土抗剪性能的影响

为研究季节冻土地区冻融作用对道路边坡土体抗剪性能的影响规律,在不同冻结和融化温度、不同冻融循环次数、开放和封闭体系条件下对冻融饱和原状粉黏土试样进行了不固结、不排水剪切试验。试验结果表明:饱和原状粉质黏土冻融后,黏聚力降低,内摩擦角增大,冻结温度越低,冻融作用对黏聚力和内摩擦角的影响越小,随着冻融循环次数的增加,5～7次冻结循环后二者的变化逐渐趋于稳定。水分补给会强化冻融作用对试验土抗剪性能的影响;融化温度对试验土的抗剪性能影响很小。     

冻融期东北农田土壤温度和水分变化规律及影响因素分析

为了更好地认识季节性冻融区冻融过程对农田土壤温度和水分的影响, 以吉林省长春市黑顶子河流域为研究对象, 监测了冻融期流域内玉米田和水稻田土壤温度和水分的变化过程。结果表明： 冻融期表层土壤温度主要受积雪厚度影响, 深层土壤温度主要受土壤初始含水率影响。冻结期, 冻结层含水率几乎都呈增加趋势, 其中浅层土壤增幅最大; 冻结速度慢、 初始含水量低、 相邻土层含水量高的土层冻结过程水分增加量更大, 反之则小。融化期, 各下垫面、 土层土壤含水率基本呈下降趋势, 且主要集中在表层0 ~ 30 cm, 水分损失以蒸发为主, 冻结层对土壤蒸发有抑制作用; 冻结层的融化是造成各下垫面不同土层土壤含水率差异, 以及各土层在不同融化阶段土壤含水率差异的主要原因。     

冻结饱水砂卵石三轴压缩强度试验研究

为研究北京富水砂卵石地层冻结后的强度特性,以北京某地铁暗挖车站砂卵石为研究对象,进行不同温度（?5、?10、?15、?20℃）,不同围压（0.0、0.3、0.8、1.3、2.0、3.0、4.0、8.0 MPa）条件下三轴压缩试验。试验结果表明：冻结砂卵石的应力-应变曲线以应变软化形态为主,高负温、高围压条件下,呈现理想塑性破坏形态;砂卵石强度、黏聚力和摩擦角均随温度降低而增大,其中强度呈指数分布,黏聚力和摩擦角呈线性分布;强度和弹性模量随围压增加而增大,但增大趋势逐渐减小,低围压压缩区强度满足线性Morh-Coulomb（简称M-C）准则;冻结砂卵石的破坏形态以破裂面始/终于试样侧面的剪切破坏为代表,张拉型破坏受冰影响显著,仅存在于低围压条件下,高围压、高负温时易出现体胀型破坏。     

高含水量冻粉黏土应力-应变曲线特性的试验研究

为研究青藏高原粉质黏土在高含水量条件下的应力-应变特性,本文对粉质黏土试样开展了较高含水量（15%,30%,50%）、不同温度（-2℃,-4℃）及围压（0.5,1.0,2.0,4.0 MPa）条件下的三轴剪切试验,分析了冻粉黏土试样应力-应变曲线的形态和强度规律,并给出了机理性解释。试验结果表明:冻粉黏土试样的应力-应变曲线均为应变软化型。高含水量下（50%）,试样的初始切线模量随围压增大呈幂函数形式增大。随着含水量的增大,试样的破坏过程渐呈脆性。试样强度方面,含水量的增大使冻粉黏土强度呈先减小后增大的规律,即存在一个强度最不利含水量。此最不利含水量主要是由于土骨架与冰相的组合使系统处于“最弱结构”以及各组分在承受荷载时的主次地位变换而引起的。围压增大使冻粉黏土强度线性降低,但降低幅度不大。结合Mohr-Coulomb准则的分析表明,黏聚力是冻粉黏土强度的主要指标,其值在最不利含水量时取得最小值,围压对冻粉黏土强度的削弱作用也在此时得以突显。     

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.     

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。     

青藏高原季节冻土区土壤冻融过程水热耦合特征

青藏高原被誉为“中华水塔”, 其广泛分布的多年冻土和季节冻土在保证我国水资源安全上具有重要的地位。基于2015年7月 - 2016年6月青海海北站季节冻土的水热监测数据（土壤含水量为未冻水含量）, 分析了冻结深度的季节变化和冻融过程水热运移特征。结果表明： 各土层土壤温度与土壤水分含量变化均表现为“U”型。土壤温度变化规律与日平均气温基本一致, 但滞后于日平均气温的变化, 滞后时间取决于土层深度。与多年冻土冻融规律不同, 海北站季节冻土表现为单向冻结、 双向融化特征, 冻融过程大致可划分为三个阶段： 冻结初期、 冻结稳定期和融化期。同时, 季节冻土消融速率大于冻结速率, 且融化过程中以浅层土壤融化为主。在冻结过程中, 土壤水分沿上、 下两个方向分别向冻结锋面迁移, 各土层土壤含水量迅速下降。而在融化过程中, 各土层土壤含水量逐渐增加, 且在浅层土壤形成一个土壤水分的高值区。土壤冻融过程中未冻水含量与各土层土壤温度具有较好的相关关系, 且浅层土壤拟合效果优于深层土壤。本研究对揭示高原关键水文过程以及寒区水热耦合模型构建具有重要意义。     

Long-term strength attenuation characteristics and yield criterion of frozen soil北大核心CSCD

Frozen soil is generally regarded as a strongly rheological geomaterial. The strength attenuation of frozen soil is an important inducement for disease and instability in subgrade engineering, pile engineering and artificial freezing construction. Few efforts have been made to investigate the attenuation characteristics of strength envelope surface for frozen soil under complex stress states experimentally and theoretically. Considering this, at a temperature of -6 ℃, a series of triaxial stress relaxation tests under various confining pressures were carried out on the frozen subgrade soil specimens at strength points. The degeneration of strength parameters and stress attenuation process of frozen soil under complex stress states were systematically studied. The degradation law and mechanism of cohesion and internal friction angle are synchronously revealed in the stress relaxation process. Testing results indicate that the stress relaxation process of compacted frozen soil is significantly influenced by confining pressure. The stress relaxation ratio is increasing linearly with the rise of confining pressure if the confining pressure is beyond 1. 5 MPa. The anti-relaxation ability of frozen soil is greatly reduced during high confining pressure conditions:the stress relaxation ratio of frozen soil is only 41. 94% under 1. 5 MPa, but exceeds 90. 30% under 16 MPa. The strength of frozen soil attenuates linearly with time in the semi-logarithmic coordinate system. When the confining pressure is higher than 1. 5 MPa, the strength attenuation rate of frozen soil increases with the rise of confining pressure. As the development of stress relaxation of frozen soil, cohesion decreases linearly but internal friction angle increases linearly with time in the semi-logarithmic coordinate system. It manifested that the cementation in frozen soil shows evident rheological features and it is a key inducement for strength attenuation. Moreover, the attenuation law and value of cohesion in frozen soil which is measured by triaxial stress relaxation test are similar to the spherical template indenter test results. This may provide a new test method for obtaining the long-term strength and cohesion of frozen soil. On the basis of test results, the stress states of frozen soil in all stress relaxation curves at 12 relaxation durations were captured, and the rate-dependent variation characteristics of strength envelope in p-q stress space were analyzed in detail. Under high confining pressures, the strength envelope of frozen soil shows different geometric features as time goes on. In addition to the decline of level, the strength surface exhibits clockwise rotation with time, and the third stage sharply decreases at first and then becomes flat. Based on the analysis of characteristics of experimental strength surface and evolution law of strength parameters during the stress relaxation process, a rate-dependent strength theory for frozen soil considering the stress relaxation effect is established in this paper. © 2022 Science Press (China). All rights reserved.