低温环境下含表面裂隙硬岩温度场及冻胀演化过程分析

寒区含表面裂隙硬岩与大气连通,易受外界低温环境引起裂隙内部水分凝结,造成裂隙带附近形成温度场突变,进而随水冰相变产生冻胀力,二者随着冻结活动处于动态演化之中,涉及到温度场、渗流场及应力场等多场问题。目前的研究大多依据数值模拟结果,描述裂隙岩体温度场、应力场分布特征及规律,考虑从基础理论解析计算角度,探究低温环境下裂隙岩体温度场、冻胀力演化规律鲜有报道。针对含表面裂隙硬岩在低温环境下发生的冻结现象,从传热学理论、相变理论、弹塑性力学及断裂力学理论等多角度出发,探讨随着冻结深入含表面裂隙硬岩内部温度场及冻胀荷载演化过程,提出对应解析表达式,引入多场耦合数值程序Comsol-Multiphysics进行数值模拟验证,结果表明,文中提出的温度场及冻胀荷载演化解析表达式与数值模拟结果具有较好吻合度,可满足对含表面裂隙半无限板模型温度场、应力场演化过程分析,对于裂隙岩体在低温环境下温度场、应力场演化及热-力耦合分析具有较好借鉴价值。     

桩基冻胀力的三维黏弹性问题研究

以地基土冻胀变形理论为基础,从桩基冻胀力与桩侧土体冻胀位移的关系出发,引入经典黏弹性力学理论及Mindlin半空间作用集中力的弹性解,从理论上导出了桩基冻胀力三维黏弹性问题的积分方程表达式。运用单纯形法将室内实测蠕变数据反演得到三参量模型系数,并通过已有文献中现场实测数据拟合得到土体冻结深度、自由冻胀量,以及桩基冻拔位移随时间的函数,用于桩基冻胀力的理论计算。数值算例表明,按上述推导的桩基冻胀力三维黏弹性表达式计算的冻胀力沿深度分布规律与已有计算结果吻合较好。首次以理论的方法得到了桩基冻胀力的"时空分布"三维曲面,能较直观地反映冻胀力的分布规律。     

岩石内孔隙/裂隙冻胀力模型及其适用性评价

开展含缺陷空间(孔隙、裂隙)岩体内部冻胀力发生机制及演化规律分析,是岩体冻胀损伤、断裂评价研究的基础。孔隙、裂隙冻胀损伤发生空间尺度存在显著差异,其冻胀损伤机制及冻胀力演化分析也不尽相同,可将孔隙介质冻胀损伤理论归纳为四类：①基于水冰相变体胀的冻胀损伤模型,包括体积膨胀理论、静水压理论等;②基于水热迁移的冻胀损伤理论,包括分凝冰理论、全过程冻胀理论等;③基于孔隙水相变热力学平衡分析的损伤理论,包括毛细管理论、结晶压理论等;④孔隙介质力学理论。裂隙介质冻胀损伤一般认为发生在宏观空间尺度上,着重关注裂隙的冻胀扩展过程。其损伤理论可分为体积膨胀理论（包括水压致裂理论）和分凝冰理论,而裂隙介质冻胀损伤对微观过程（如未冻水迁移、岩/冰界面受力特性等）关注度有待深入。藉此分别讨论上述冻胀损伤理论原理、适用条件及局限性,并对不同缺陷形态（孔隙、裂隙）引起的冻胀力演化机制差异性进行简要分析。     

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。     

冻融循环作用下岩石含冰裂隙冻胀力演化试验研究

为探讨寒区裂隙岩体含冰裂隙在冻融循环作用下的冻胀力演化规律,进而揭示疲劳冻融对岩体结构劣化的影响机制,采用自行设计的8通道冻胀力实时监测系统开展了不同岩性、不同裂隙几何形态下的冻胀力测试试验,获取了多次冻融循环中冻胀力演化曲线,并分析了岩性和裂隙几何形态对冻胀力演化规律的影响。研究表明:(1)冻融循环造成岩体结构劣化是冻胀力引起岩体疲劳损伤的过程,每个冻融循环的冻胀力演化过程都经过孕育阶段、暴发阶段、跌落回稳阶段、回升阶段和消散阶段,并且发现了冻胀力回升这一现象;初始冻胀力峰值可作为裂隙岩体抗冻融损伤指标;(2)在多次冻融循环作用下岩体裂隙冻胀力不断暴发、积聚和释放,期间产生的裂隙累积损伤驱动着裂隙持续扩展,引起岩体进一步的疲劳劣化;疲劳冻融作用下,初始冻胀力峰值与二次冻胀力峰值变化趋势可作为裂隙岩体受冻融影响损伤劣化程度的判断依据;(3)岩体结构特性影响冻胀力演化规律,岩体基质的微细观结构影响冻结过程中水分迁移;宏观预置裂隙几何形态影响冻胀力演化规律,扩展程度越大的裂隙积聚出的冻胀力越大。疲劳冻融下冻胀力演化规律的研究可为寒区岩体工程长期冻融稳定性预测及工程建设提供理论依据。     

冻融作用下裂隙类砂岩断裂特征与强度损失研究

寒区裂隙岩体中经常发生水冰相变产生冻胀力,冻胀力的反复作用会驱动岩体裂隙扩展、贯通甚至断裂破坏。通过在类砂岩试样中预制不同倾角的单开口裂隙,分别进行预冷和不预冷饱水裂隙冻融循环试验及冻融后的单轴压缩试验,探究冻结方式和裂隙倾角对裂隙冻胀扩展过程、断裂破坏特征及单轴强度的影响机制。试验结果表明,裂隙冻胀力是驱使裂隙冻融扩展的主要动力且与裂隙水的冻结方式密切相关,采用预冷方式冻结会引起绝大部分裂隙水挤出而难以形成冻胀裂纹;在非预冷冻结方式下冻胀裂纹一般先沿着预制裂隙共面方向扩展,但由于边界效应而逐渐转向短边,共面扩展长度与裂隙倾角呈正相关;当预制裂隙倾角在60°～90°时,岩体容易沿着冻胀裂纹方向发生压缩破坏,从而引起岩体单轴抗压强度降低。研究结果可为揭示裂隙岩体冻融损伤机制及开展寒区岩体工程建设提供借鉴。     

多年冻土区L型挡墙水平冻胀效应计算方法与分析

针对多年冻土区L型挡墙设计中水平冻胀力计算方法不完善的问题,基于利夫金地基模型及挡墙?土体之间的协同变形原理,分别建立了墙后有无换填土两种情况下的L型挡墙水平冻胀效应计算模型,利用叠加原理及有限差分法对所提出的计算模型进行了求解,并依托MATLAB自行编制了水?热?力耦合分析软件。结合工程实例,应用提出的L型挡墙水平冻胀效应计算方法得到的水平冻胀力值分别与现场实测值、修正土压力值、规范经验值及水?热?力耦合软件模拟值进行对比分析,结果表明：提出L型挡墙水平冻胀效应计算方法得到的水平冻胀力值与现场实测值及数值模拟值在大体趋势上吻合较好,修正土压力值、规范经验值低估了水平冻胀力对挡墙的作用;相比规范经验值及现场实测值,提出的L型挡墙水平冻胀效应计算方法得到的水平冻胀力沿墙高呈抛物线和梯形两种分布模式,更具有普遍性;通过多场耦合分析可知,所提出L型挡墙水平冻胀效应计算方法与水?热?力耦合方法得到冻胀力趋势相似,表明了计算方法的可行性,可为多年冻土区L型挡墙设计提供一定的理论支持和指导。     

冻融循环条件下岩石弹性模量变化规律研究

岩体冻融损伤机制为温度降低使岩体中的水发生相变、体积膨胀、产生冻胀力的作用,岩体中的微裂隙在冻胀力的作用下扩展延伸,温度升高时,融化的水进入新的裂隙,冻结成冰再次产生冻胀作用,反复循环使裂隙网络扩展,最终造成岩体的损伤。基于此,从弹塑性力学、断裂力学的角度出发,研究了在冻胀力的作用下单裂隙扩展特性,推导了冻胀力与裂纹扩展长度之间的关系,利用Mori-Tanaka方法建立了岩体宏观损伤量与冻胀力及冻融次数之间的关系式,讨论了岩体弹性模量与冻融次数、冻胀应力以及渗透系数的变化规律,并与试验结果进行了比较分析。结果表明,岩体在冻融循环条件下的弹性模量随冻融次数的增加呈非线性减小;冻胀应力越大,岩体弹性模量衰减越快;岩体的渗透系数越大,弹性模量衰减越慢。     

压剪应力作用下多裂隙岩体的力学特性—断裂损伤演化方程及试验验证

首先对多裂隙岩体的损伤加以定义，在建立裂纹扩展时产生等效次生裂纹模型的基础上，对多裂隙岩体受荷后发生断裂损伤时其演化方程进行探讨，最后通过大型岩体相似模型试验对理论计算结果分析验证，理论计算与试验结果吻合较好。     

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.     

Study on frost heaving characteristics of sandstone under different freezing conditions北大核心CSCD

At present,artificial freezing method has become one of the effective methods for coal mine shaft to pass through water-rich soft rock strata,which can stop the movement of groundwater and limit the deformation of surrounding rock. In order to study the frost heaving characteristics of sandstone under different freezing conditions,frost heaving tests of saturated and dry Cretaceous red sandstone samples under different freezing rates （10 ℃·h-1,5 ℃·h-1,2 ℃·h-1,1 ℃·h-1）and different confining pressures（5 MPa,10 MPa,15 MPa,20 MPa,25 MPa）were carried out by using GCTS（Geotechnical Consulting & Testing Systems）servo-controlled low temperature and high pressure triaxial rock testing system. In this paper,based on the existing theory of physical and mechanical properties of frozen soil,we studied the frost heaving law of sandstone under different freezing conditions and explored the frost heaving mechanism. The result shows that in the process of cooling,the dry rock sample always produce cold shrinkage deformation,while the saturated rock sample first produce cold shrinkage deformation,then produce frost deformation,and finally the deformation tends to be stable. The deformation of saturated rock samples is much larger than that of dry rock samples. The larger the stress level of rock samples at the same temperature is,the smaller the frost deformation is,which shows a linear negative correlation,mainly because the high confining pressure limits the volume expansion of the water phase in the pore inside the rock samples when it becomes ice. The frost deformation of rock samples is mainly affected by confining pressure and water content,while the frost heaving rate is mainly affected by cooling rate. Under this test condition,the higher the cooling rate of sandstone is,the higher the frost heaving rate is,and the relationship between them is approximately linear. For saturated rock samples,the confining pressure reduces the rock frost heaving by limiting the expansion during the phase transformation of ice water,and the temperature affects the rock frost heaving by affecting the freezing rate of pore water and the thermal expansion and cold contraction of rock skeleton. For dry rock samples,the deformation is mainly due to the volume contraction of rock mineral particles caused by thermal expansion and cold contraction effect,and the greater the temperature change,the greater the deformation. Based on the experimental results and theoretical analysis method,a calculation formula of rock frost heaving considering the influence of confining pressure was established. By calculating the frost heave of sandstone samples under different confining pressures,it is found that the calculated values are in good agreement with the experimental results. Moreover,according to the calculation formula of frost heaving,the influence factors of rock frost heaving during freezing can be divided into two categories：internal cause and external cause. The internal cause includes porosity,saturation,volume modulus of ice and rock skeleton,and the external cause includes temperature and confining pressure. For saturated rock,the frost heaving is mainly affected by factors such as confining pressure,temperature and porosity. When the saturation,porosity and freezing rate are low,the rock may only produce shrinkage deformation,because these indicators determine whether the rock produces frost heave or freeze shrinkage. The mechanism of rock frost heaving is very complicated due to the interaction and restriction between the internal and external factors and the dynamic changes of rock micro-structure and mechanical properties during the process of frost heaving. The research results can provide theoretical reference for freezing construction scheme design of deep coal seam mine construction,and also provide a theoretical basis for the study of physical and mechanical properties and engineering application of soft rock in frozen soil area. © 2022 Science Press (China).     

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。     

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。