海相沉积软土地区人工冻土强度特性试验研究

人工冻土的物理力学指标是地铁隧道工程冻结壁设计参数和开挖的依据。通过对宁波轨道交通一号线联络通道②～⑤海相沉积软土地层人工冻土的室内单轴抗压强度和抗剪强度试验,获得了冻结前后②～⑤土层的比热容、导热系数、内摩擦角和粘聚力的对比结果以及不同温度条件下冻土的极限抗压强度、弹性模量和泊松比结果。试验结果表明:②～⑤土层人工冻结土的物理力学指标较原状土有很大的提高,人工冻土极限抗压强度、弹性模量随温度的降低而增大,近似呈线性关系。各土层泊松比、温度的变化对冻土泊松比影响较小,随温度的降低有一定的减小。在-10℃条件下,冻结前淤泥质土、粘土层的内摩擦角和粘聚力有了大幅的提高,而③1砂土层的内摩擦角增幅较小。     

高温冻土物理力学特性研究现状

高温冻土又称近相变区冻土, 通常用来描述相对较高温度的冻土. 由于其温度区间处于冻土的剧烈相变区, 冻土中冰和未冻水的比例对温度的变化极其敏感, 因此, 高温冻土的物理力学性质具有强烈的不稳定性, 极易在温度变化的影响下发生实质性改变. 基于有关高温冻土物理力学性质研究的文献, 综述了高温冻土的定义及其温度界限, 同时论述了未冻水对高温冻土物理力学性质的巨大影响, 并提出了一种在冻结状态下高温冻土中未冻水孔隙水压力的测试方法. 重点从强度特征、变形特性以及本构模型三方面对高温冻土力学特性的研究现状进行了总结和分析, 并提出要进一步探究高温冻土变形机理及本构模型, 可以为高温不稳定多年冻土区各类工程的基础变形及稳定性预报、评价提供理论基础.     

含盐冻结粉质砂土的强度参数和强度准则试验研究

对含盐冻结粉质砂土进行温度-2 ℃、-4 ℃、-6 ℃和围压0.3~16 MPa的三轴强度试验. 结果表明: 含盐冻结粉质砂土应力-应变曲线在低围压和高围压表现为应变软化特征, 中围压为理想塑性变形特性; 随着围压的增大, 强度先增加后减小. 在围压小范围内得到广义黏聚力和广义内摩擦角, 并得到广义黏聚力和广义内摩擦角随围压和温度的变化规律; 同时, 针对强度随围压的变化, 提出非线性强度准则.     

不同含水率与围压下伊犁高温冻土三轴力学试验特性研究

为了探究含水率与围压变化对高温冻土物理力学性质的影响，以新疆伊犁河谷高温冻结黄土为研究对象，开展了黄土的矿物成分、物理性质，以及不同含水率和围压条件下冻土的三轴压缩试验。结果表明：伊犁黄土的粉粒与黏粒粒组含量占比较高，对冻融作用的反应敏感。低含水率时表现为应变软化现象，破坏形态以脆性剪切破坏为主，饱和含水率时表现为应变硬化现象，破坏形态以塑性鼓胀变形破坏为主，软化系数随含水率增大而逐渐减小。随着含水率增大，峰残内摩擦角逐渐降低，峰残黏聚力逐渐增大，变形模量逐渐增大。随着围压增大，弹性模量和损伤演化特征参数均逐渐降低，引入的损伤力学本构模型能够较好地描述高温冻土在不同含水率和围压影响下的应力应变全过程。研究成果可为伊犁河谷冻融滑坡成灾机理研究提供力学参数与理论依据支撑。     

高温-高含冰量冻结黏土强度试验研究

为研究高温-高含冰量冻土的强度特性,分别开展了不同温度、不同含水率的冻结黏土单轴无侧限抗压强度试验。分析了高温-高含冰量冻结黏土在单轴压缩试验过程中的破坏类型、应力-应变关系;单轴抗压强度与温度、含水率之间的关系以及饱和冻结黏土单轴抗压强度对温度的敏感性-含水率关系。研究结果表明：当温度低于-0.9 ℃时,高温-高含冰量冻结黏土存在最不利含水率,在相同的温度条件下,该含水率状态下冻土抗压强度最小;当温度高于-0.6 ℃时,高含冰量冻土随含水率的增加,单轴抗压强度增大。     

冻结粉质黏土三轴抗压强度和变形特性试验研究

通过对-6℃冻结粉质黏土在1～9 MPa的围压范围内进行一系列的三轴压缩试验,分析了冻土的变形和强度特性.结果表明：不同围压下,冻结粉质黏土的应力-应变曲线形态基本相似,而软化程度及初始阶段的硬化速率则有所不同.根据摩尔-库仑准则,得到广义黏聚力和广义内摩擦角随围压的变化规律,同时基于包络线理论建立非线性强度准则,以描述冻结粉质黏土强度随围压先增大后减小的变化规律.     

高温冻结粉土力学特性试验研究

为了探讨高温冻结粉土的力学特性,进行了一系列常规三轴压缩和三轴压缩加卸载试验。结果表明：（1）随着围压的增大,应力应变曲线先表现为应变软化,后应变硬化,最后又应变软化。（2）体积应变曲线均表现为先体缩后体胀,且围压越大,体胀越弱。（3）通过引入改进的双曲线模型,能较好地模拟应变软化和硬化特性。在q-p平面内建立了一个新的强度准则,并利用修正Mohr-Coulomb屈服准则,探讨了黏聚力c和内摩擦角φ的变化规律。根据试验结果,确定了不同围压及不同加卸载循环次数下高温冻结粉土的回弹模量及其损伤变化规律。最后,建立了塑性体积变形和塑性剪切变形之间的关系式和表达式,进一步探讨了高温冻结粉土的剪胀特性。     

初始含冰量对冻结粉质砂土变形与强度的影响

基于一系列同一温度、不同初始含冰量和应变率条件下的高含冰冻结粉质砂土的单轴压缩试验,开展了高含冰量对冻结粉质砂土变形行为和强度特性的初步研究。结果表明：随着试样中初始含冰量的增加,冻结粉质砂土的塑性增强,当初始含冰量超过210.1%后,应力-应变曲线趋近于冰的特性,可用修正的Duncan-Chang双曲线模型较好地描述其单轴压缩应力-应变关系;当应变率为0.083×10-3 s-1和0.467×10-3 s-1时,其初始切线模量呈非线性增大,但当应变率为0.667×10-3 s-1时,初始切线模量增大到一最大值之后转而减小,并且影响程度与应变率大小有关;当初始含冰量从32.9%增加到304.0%,冻结粉质砂土强度也是先非线性增大,然后逐渐趋于稳定,两者可用对数函数关系很好地描述。其研究结果可为开展高含冰冻土区路基的稳定性评价提供基础。     

低围压下冻结粉质粘土的三轴强度及变形分析

高围压和低围压对冻土的变形性能及力学指标有不同的影响。对冻结粉质粘土进行了3种负温、4种围压下的三轴试验。试验结果表明：在温度相同时,不同围压、不同应变速率下的应力-应变曲线具有相同的形态,其三轴抗剪强度与围压及温度有明显的线性关系,与应变速率成指数关系;变形模量与围压没有明显的相关关系,但与温度成线性关系,与应变速率成指数关系。而且从冻土结构角度分析了冻土变形及其强度表现的内在原因。     

青藏高原高温高含冰量冻土压缩试验研究

采用恒温变载和恒载变温两种压缩试验方法研究了青藏高原高温高含冰量冻土(WIFS)的变形特性,得到了不同温度下的压缩指标。试验结果表明:(1)高温高含冰量冻土的压缩性具有很大的量级,压缩指数都在0.15以上。(2)恒温变载(CTSL)实验条件下,压缩系数都在0.2MPa-1以上。恒载变温(CLST)实验条件下,当温度为-1.5℃时,压缩系数为0.04MPa-1,而当温度升高到-0.3℃时,冻土压缩系数变为0.29MPa-1。(3)在分级加载试验中应变最大可达10%,在阶梯型升温条件下应变最大可达8%。通过探讨分析,认为青藏高原高温高含冰量冻土属于中高等压缩性土,青藏铁路在其以后的运营中必须加强必要的维护和密切的动态变形监测。     

高温-高含冰量冻土压缩变形特性研究

高温-高含冰量冻土属于塑性冻土, 荷载作用下具有较强的压缩性.为了研究高温-高含冰量冻土的压缩变形特性, 采用恒温-变载的试验方法得到了不同温度(-0.3、 -0.5、 -0.7、 -1.0、 -1.5℃), 不同含水量(40%、 80%、 120%)条件下冻土试样的体积压缩系数.结果表明: 1)高温-高含冰量冻土具有极大的压缩性, 青藏黏土40%含水量试样在-0.3℃时的体积压缩系数可达0.328 MPa^-1, 属于高压缩性土; 2)高温-高含冰量冻土在压缩过程中存在渗滤变形, 且主要发生于加载的初始阶段; 3)温度与含冰量是影响高温-高含冰量冻土压缩性的主要因素, 它们决定了冻土中体积未冻水的含量, 从而控制了冻土的压缩性; 4)在试验条件下, 高温-高含冰量冻土的压缩性随着温度的升高而增大, 随着含水量的增大而减小.高温时含水量对压缩性的影响比较显著, 低温时影响较小.     

高温冻土的蠕变特性试验及蠕变模型研究

为了研究高温冻土蠕变变形特征以及各影响因素对蠕变的作用, 分别在含水量15%、 25%及35%, 荷载100 kPa、 200 kPa及300 kPa, 温度-1.5 ℃、 -0.7 ℃及-0.3 ℃的条件下开展了室内单轴蠕变试验, 分析在无侧限条件下高温冻土在不同温度、 荷载及含冰量条件下的蠕变变形特性。结果表明： 在当前试验条件下, 冻土蠕变变形非常可观, 且蠕变曲线都没有出现渐进流阶段; 温度是影响冻土蠕变的最重要的外在因素, 而含冰量是影响冻土蠕变的关键内在因素; 在高含冰量条件下温度及荷载的改变对蠕变速率的影响非常显著, 甚至引起量级上的差别。在现有试验条件下, 高温冻土蠕变过程可利用Burgers黏弹性模型来较好地描述。     

冻土侧限压缩试验仪的研制及应用

随着寒区高等级道路工程等基础设施的建设,迫切需要对冻土压缩特性和静止土压力系数（K₀系数）开展试验研究,但目前缺乏开展相关研究的专用仪器。本文基于融土侧限压缩试验的原理,结合冻土力学性质受温度控制的特性,自主研发了冻土侧限压缩试验仪。该仪器采用冷却罐内冷液循环和冷却罐外恒温箱实现二级控温,控温范围为-50℃至90℃,控温精度达±0.1℃;采用全数字伺服测控器实现温度闭环控制;采用高性能负荷框架结构,刚度大、重量轻,保证仪器在大荷载下平稳运行。利用该仪器对冻结饱和标准砂进行侧限压缩试验,试验结果验证了仪器可靠性。本仪器能准确快捷地测定冻土静止土压力系数和压缩性参数,是研究冻土力学特性并服务于寒区岩土工程建设的有力工具。     

Experimental study on variability in mechanical properties of a frozen sand as determined in triaxial compression tests

Large uncertainty exists in soil testing due to the randomness in sampling and system errors, especially in tests on frozen soils. In order to reduce the randomness and improve the test accuracy, the sample preparation method is improved to obtain more homogeneous samples. The standard Chinese sand is used as the soil. An environmental material test apparatus with three-point temperature control was used. Four temperatures and four confining pressures are used for the triaxial compression tests, which makes 16 combinations. For each combination, five repeat tests were carried out to examine the scattering of the mechanical properties of the frozen sand. It is found that under a certain confining pressure, the scattering increased with the increase in temperature and vice versa. Under a certain combination of temperature at ?0.5 °C and confining pressure of 10 MPa, the stress–strain curves are so different that similarity in the curves does not exist. This phenomenon is not scattering because sample randomness or system errors cannot explain it any more and is therefore called variability. It is attributed to pressure melting, pressure crush of soil particles as well as severe phase changes caused by small temperature variations. The difference in the test results is considered as an inherent feature of frozen soils. Strength and strain energy are used, along with temperature and confining pressure to analyze the cause of variability. This work shows that further work must be carried out to develop an optimum testing program in order to make a reasonable analysis for engineering constructions in which frozen soils are involved.     

A fractional order creep constitutive model of warm frozen silt

A series of triaxial creep tests were conducted on warm frozen silts extracted from Qinghai–Tibet Plateau at temperature of ?1.5 °C under confining pressures of 0.5, 1.0, and 2.0 MPa, respectively. The applied test stress levels were 30, 50, 60, and 70% of triaxial shear strength, respectively. The test results indicate that the creep strain increases with the increase in applied stress level and there is a stress threshold, based on which the test results can be classified into two types of creep strain curves. The creep strain curve only includes primary and secondary creep stages when the stress level is less than the threshold value. When the stress level exceeds the threshold value, the creep strain velocity gradually increases and the specimen quickly fails in tertiary creep stage. Based on the creep test results, a fractional order rheological element model is established for warm frozen silt, which is also generalized from uniaxial stress state to the three-dimensional stress state. From the analysis on the features of the stress threshold, a creep strength criterion is also proposed simultaneously. Comparing the calculated results of the warm frozen silt with the tested ones, it is found that the predicted results of the proposed model are in good agreement with the test results. In the proposed fractional order model, the relationship between the damage factor and time is established to describe the damage degree of the specimen. Compared with the existing creep constitutive model of frozen soil, the proposed fractional order model has advantages of fewer model parameters, higher simulation precision and wider applicability in analyzing the mechanical properties of warm frozen silt.     

高温冻土三轴强度分布及损伤统计本构模型

由于高温冻土内部含有大量随机分布的初始缺陷,从而使其力学性质具有明显的离散性和随机性.基于3种不同围压下的试验结果,利用K-S检验法对强度的概率分布进行了拟合检验,结果表明Weibull分布能较好地描述高温冻土的强度分布,随后对强度进行了可靠度分析.基于连续损伤理论和Drucker-Prager准则,建立了高温冻土的损伤统计本构模型.通过3种不同围压下的试验结果与之对比分析,表明该模型可以较好地反映出高温冻土应力应变曲线的变化过程.     

青藏直流输电线路冻土长期抗剪强度预测及影响因素分析

冻土是指0℃以下,含有冰的各种岩石和土壤,由于其复杂的物理力学特性,给青藏直流联网工程的施工和设计带来了很多难题。工程沿线冻土的长期抗剪强度,更是由于土质、含冰量以及密实度分布的复杂特性,影响了其在使用寿命内的安全运营和稳定性。为解决这一工程难题,室内制备重塑试样并在-2℃的温度下对3种土质类型（粉质黏土、粉砂和细砂）、3种含冰量（饱冰、富冰和多冰）的密实和松散冻土进行直剪快剪的蠕变试验,得到了不同土质、含冰量以及密实度类型的冻土剪切蠕变特性,并分析和预测了长期抗剪强度的变化规律和影响因素,结果表明:（1）短时间内冻土承受荷载的能力随含冰量的增加而增大;随着加载时间的延长,冰的流变特性表现出来,使冻土的蠕变变形加大,冻土的强度降低;（2）密实度越大、含冰量越大的冻土,初期强度越高;随着时间的增加,强度开始衰减,且含冰量越大,密实度越小的冻土衰减速度越快;（3）长期强度的变化规律不受土质的影响,说明在工程施工阶段,若单纯考虑长期强度时,只要不同土质冻土保持冻结状态,可同一对待和处理。以上结论为输电线路冻土基础设计、施工和安全运营提供了一定的理论基础,也为在青藏地区开展的其他工程活动提供了可借鉴的试验数据和资料。     

不同温度及排水条件下高温冻土孔隙水压力试验研究

在荷载的作用下孔隙水压力的消散是揭示冻土整体变形机理的关键,为了研究高温冻土中孔隙水压力变化规律,在不同温度、不同排水条件下,对高温冻土开展了压缩固结试验,并监测其在-1℃、-0.5℃和-0.3℃的条件下孔隙水压力及位移变化情况。结果表明：温度对孔压、变形有较大影响,温度越高,土体的变形速率越大,孔隙水压力峰值越大,消散速率也越快;而温度相同时,排水条件下的孔压峰值比不排水条件下的低,位移比不排水条件下的大;从试验结果中可以认识到,孔隙水压力在受骨架挤压增大的同时也在缓慢消散。