多圈管冻结温度场特征分析及工程应用

多圈管冻结工法已在深厚地层井筒掘砌中广泛应用,但对多圈管冻结温度场需进一步深入研究。以某冻结井筒为原型,对关键层位开展冻结管无偏斜条件下的冻结温度场模型试验、进行冻结管偏斜条件下的温度场数值计算,同时利用温度场信息可视化软件对现场实测结果进行分析。将三种测试手段获得的结果进行比较,得出冻结管偏斜对冻结壁有效厚度影响较小,但对冻结壁平均温度、冻结壁交圈时间影响都很大,且容易在冻结壁内部产生密闭未冻承压水仓,造成冻胀力聚集,对冻结壁整体稳定性及井筒开挖不利。其结果可为多圈管冻结法凿井设计与施工提供参考。     

深部膨胀性黏土层冻结温度场的分布与冻胀力形成规律

防止冻结管断裂是深部膨胀性黏土层在冻结壁形成过程中的一项亟待解决的课题。针对淮南矿区某矿副井深部膨胀性黏土层, 通过热力耦合计算分析, 研究了其冻结温度场分布与冻胀力形成规律。结果表明： 冻结152天、 236天时, 黏土层冻结壁平均温度分别为-14.42 ℃、 -16.58 ℃, 细砂层冻结壁平均温度分别为-15.86 ℃、 -17.32 ℃, 黏土层冻结壁平均温度比同时期细砂层高1.44 ℃、 0.74 ℃。黏土层冻结壁平均厚度分别为8.92 m、 10.25 m, 细砂层冻结壁平均厚度分别为9.54 m、 10.77 m, 黏土层冻结壁平均厚度比同时期细砂层小0.62 m、 0.56 m。细砂较膨胀性黏土易于冻结。冻结90天时, 黏土层外、 中、 内圈三圈冻结管平均冻胀力约为同时期细砂层的1.1倍。冻结151天时, 黏土层三圈冻结管围成的冻结壁内平均冻胀力均达到初始地应力的81.1%, 是同时期细砂层的1.16倍。冻结236天时, 细砂层内圈管的冻胀力为3.91 MPa, 比中圈管3.72 MPa大了5.11%, 而黏土层内圈管的冻胀力为4.81 MPa, 比中圈管4.74 MPa大了1.48%。黏土层三圈冻结管围成的冻结壁内平均冻胀力均达到初始地应力的88.6%, 是同时期细砂层的1.28倍。深部膨胀性黏土层及与细砂层界面处冻胀力均存在显著的不均匀性, 最大冻胀力的主要位置与实际工程中掘进时的断管处基本对应, 不均匀冻胀力是造成冻结管断裂的重要原因。     

循环与单调加载作用下冻结黄土的变形与损伤特性

针对冻土工程中地基冻土体受力形式复杂、常处于变应力路径、反复加卸载作用问题, 开展了冻结黄土静力条件下的三轴加卸载试验与单调加载对比试验, 研究了两种应力路径下冻结黄土的变形和损伤特性. 通过对比发现, 加载方式对冻结黄土变形特性随围压的变化规律影响不大. 循环加卸载作用下, 冻结黄土的压密变硬增强了其抵抗变形的能力. 卸载阶段, 冻结黄土表现出卸载体胀的弹性现象, 呈现出与融土不同的体变特征. 基于弹性模量的劣化定义了冻结黄土的损伤变量, 并根据试验结果得出了冻结黄土的损伤演化规律可用双曲线函数来描述. 在较低的围压下, 围压增加对冻土损伤的发展有抑制作用; 而当围压足够大时, 由于冰的压碎和压融的出现, 围压增大加剧了损伤的发展.     

冻结粉质黏土-桩基接触面剪切特性试验研究

在寒区工程中, 建筑物的冻拔病害和冻土-桩基接触面间的剪切特性密切相关。借助自制的试验模具, 采用压桩法对冻结粉质黏土中埋置的混凝土桩、 钢桩以及木桩进行了不同负温条件下的剪切试验。结果表明： 在负温下随着剪切位移的增加, 剪切力经历线性增长、 骤降的脆性破坏、 维持恒定三阶段。温度越低, 桩与冻土间的冰胶结力越大, 冻结强度越大, 残余强度越大, 破坏允许位移也越大。在-30 ℃时, 木桩与冻土间的冻结强度最大, 混凝土桩与冻土间的冻结强度次之, 钢桩与冻土间的冻结强度最小。混凝土桩、 钢桩对应的冻结强度及残余强度与温度的关系可用线性拟合, 木桩对应的冻结强度及残余强度与温度的关系可用二次多项式拟合, 三种桩的破坏允许位移与温度的关系均呈现线性规律。研究成果可为寒区结构物抗冻拔病害防治提供参考。     

冻结过程土体导热系数影响因素及预测模型研究

为探究土体导热系数的基本规律,采用瞬态平面热源法测试了冻结过程土体导热系数。研究了土体在不同温度、含水率和干密度物理指标下导热系数变化规律,分析了这三个物理指标动态变化对土体导热系数的影响机制。基于试验数据,建立了DT、RF、GBDT、AdaBoost、SVR、BPNN共六种机器学习模型以预测土体导热系数,通过四个性能指标评估了六种机器学习模型的预测能力,并与三种经验模型进行了对比。此外,基于RF和GBDT进行了特征重要性分析。结果表明:未冻结阶段土体导热系数无显著变化。剧烈相变阶段,因含水率和干密度的不同,土体导热系数随温度的降低分别呈现出减小和增大的趋势,其中增大的趋势随着含水率的增加而增加。冻结阶段,因测试过程中土样的水分蒸发和迁移,土体导热系数随着温度的降低而减小。土体导热系数均随干密度和含水率的增加而增加。根据评估结果,六种机器学习模型中RF的表现较好(RMSE=0.036,MAE=0.028,R²=0.993,AD=0.004),明显优于三种经验模型,RF相较于经验模型也能更准确地预测出其他地区的土体导热系数,建议使用RF预测冻结过程土体导热系数。特征...     

地基微波遥感评估黄河源区草原下垫面土壤冻融过程研究

土壤冻融过程对气候变化非常敏感,如何准确监测土壤冻融过程具有重要的科学意义。利用2017年6月至2018年6月中国科学院若尔盖高原湿地生态系统研究站玛曲观测场地基微波辐射计观测数据、浅层土壤温度和近地面气温数据,通过构建归一化极化比值冻结因子、极化差值冻结因子、组合水平极化差值冻结因子和组合垂直极化差值冻结因子等不同土壤冻结因子,评估了黄河源区草原下垫面土壤冻融过程。结果表明：L波段微波辐射计监测土壤冻融状态的结果与近地面气温和浅层土壤温度表征的土壤冻融过程基本一致。当入射角为50°时,归一化极化比值冻结因子和极化差值冻结因子与实测数据的一致性分别达到83.6%和82.8%。每种冻结因子具有明显的季节性变化,四种冻结因子在春季时的准确度低于夏、秋、冬三个季节。归一化后的相对冻结因子的标准差在秋季最大,可达0.3;在冬季和夏季最小,值小于0.2。在土壤发生冻结和融化转换时,垂直极化和水平极化下的亮温同时下降,其差值较完全冻结或者完全融化时的亮温差大。研究结果可为微波遥感监测土壤冻融过程提供技术参考。     

盐渍土与盐溶液冻结温度关系的试验研究

通过不同降温方式的冻结温度试验,明确了降温速率对土体冻结温度的影响,并采用快速降温方法,测定了不同含水率的三种天然氯（亚）盐渍土和黄土的冻结温度,以及不同浓度Na₂SO₄、NaCl溶液和由溶液配制的黄土的过冷温度和冻结温度,分析了降温速率、含水率、含盐量、盐类对土和溶液相变过程的影响。结果表明,快速降温得到的冻结温度值比缓慢降温得到的值偏低。当含水率低于盐渍土的塑限含水率时,水分是冻结温度的主要制约因素;当含水率大于土的塑限含水率时,天然盐渍土的含盐量对土的冻结温度起控制作用,Na₂SO₄含量控制含盐土的第一次相变,NaCl含量控制含盐土在低温下的第二次相变;低含盐量黄土含水率低于塑限含水率时,冻结温度随含水率增大而增大,但当含水率高于饱和含水率时,冻结温度随含水率变化不大。含Na₂SO₄的土和溶液的过冷温度变化规律与冻结温度变化规律类似,且其温度差值较小,通过Na₂SO₄溶液的冻结温度试验,可近似得到同浓度下含水率为16%只含Na₂SO₄黄土的冻结温度。     

冻结作用下粉土-混凝土接触面抗拉强度试验研究

为探究冻结作用下土与结构接触面抗拉强度的影响因素及变化规律, 开展了冻结状态下多种含水率、 温度及干密度的粉土-混凝土接触面抗拉强度正交试验研究。试验结果表明： 在试验温度下,粉土-混凝土接触面的冻结抗拉强度约为饱和黄土的1/10, 粉质黏土的1/10 ~ 1/7; 含水率对接触面的冻结抗拉强度影响最大, 其次是温度、 干密度; 在试验含水率范围内, 接触面的冻结抗拉强度与含水率正相关; 温度降低会增大接触面冻结抗拉强度, 在-2 ℃至-6 ℃, 冻结抗拉强度迅速增长, 在-6 ℃以后, 冻结抗拉强度的增长速率显著减小。结果证明： 低温、 高含水率、 低干密度条件下, 接触面冻结抗拉强度达到最佳; 三种因素对接触面冻结抗拉强度具有不同的影响程度, 其中含水率、 温度影响显著, 干密度影响不显著; 在试验含水率区间内, 接触面冻结抗拉强度随含水率增长呈线性增长态势, 且含水率、 温度之间存在交互作用; 随温度降低, 存在一临界负温, 接触面冻结抗拉强度由迅速增长转为缓慢增长。     

城市盾构隧道水平冻结地层加固的数值分析

冻结地层加固法是一种环境影响小、加固效果好的地层加固方法,人工冻结壁的形成是一个复杂的热-力耦合问题。依托实际盾构隧道始发施工中冻结加固工程,采用有限差分软件Flac3D建立数值模型分析了地铁隧道水平冻结施工中温度场随时间的发展和分布特征,同时采用准热-力耦合的方法,分析了冻结施工中地表冻胀隆起变形规律。分析结果表明：冻结壁模拟交圈时间和设计交圈时间基本一致;冻结壁交圈前,地表冻胀隆起位移速率快,冻结壁交圈之后,地表冻胀变形逐渐趋近稳定。计算结论可供设计和施工参考,提供了一种简便的人工冻结加固施工的数值模拟方法。     

冻结管对人工冻结构件加筋作用的试验研究及数值模拟

为研究冻结管对人工冻结构件的加筋作用,通过淤泥质粘土人工冻结梁构件三点弯试验,获得了各级载荷下构件的位移值,并运用MARC软件中的加筋单元进行了对应的有限元计算.根据对冻土梁加筋与否,构件特定力学响应的比较分析,揭示了考虑土层冻结构件中冻结管的加筋作用对于增加冻结构件强度,减小变形量及对提高人工冻结支护工程经济效益的重要作用.同时,通过物理试验和数值模拟试验的对比,验证了应用MARC软件进行类似计算的可靠性.     

非饱和黄土强度参数的试验研究

非饱和土强度理论的研究是非饱和土力学的核心问题。目前公认的非饱和土强度理论是Bishop的单变量理论和Fredlund的双变量理论,二者都引入了基质吸力这一应力参数,只是前者将其归到有效应力中,后者作为独立变量。要得到这两个公式中相关参数需利用控制基质吸力的非饱和土三轴仪或直剪仪测定,控制基质吸力是通过同步增加气压和孔隙水压力保持吸力不变实现的,即所谓的轴平移技术,该项技术一直面临测试周期长的困难和合理性的质疑。鉴于此,本文采用不同含水率的常规三轴CU试验,测定了有效稳态强度参数,得出了吸应力和体积含水率的关系曲线,非饱和强度直接用吸应力函数表达,该强度公式回避了测定基质吸力的问题,便于在工程实际中推广。为了进一步和Bishop及Fredlund的强度公式进行对比,又用张力计测定了同一试样的水土特征曲线,获得了其强度参数。理论上,这3种强度理论对机理的解释不同,但在数学上可以互相转化。从工程应用的角度,基于吸应力的抗剪强度更便于工程应用。     

无定形态游离氧化铁脱水老化对粘性土物理性质的影响

无定形态游离氧化铁以其自身的特性及其脱水老化作用,对粘性土的物理性质、水理性质乃至工程性质产生了一定程度的影响。本文就粘性土的物理性质、水理性质及力学性质在无定形态游离氧化铁脱水过程中的变化进行了初步研究,期望对粘性土的土工测试方法及参数的合理测定有所裨益。     

应用碱性水泥外掺剂固化天津海积软土的试验研究

天津海积软土具有高含水量、低强度、高压缩性、低pH值等特征,不能直接满足工程建设需要,必须进行人工处理。在水泥土搅拌法中使用适量碱性外掺剂NaOH或Na2CO3,可以提高桩身水泥土强度和复合地基承载力,同时能节省大量水泥,降低工程费用。现场试验中将海积软土与分别掺入0.5%NaOH和0.5%Na2CO3的10%水泥就地搅拌,形成两种新型水泥土,在与原状土及20%纯水泥土进行比较后,发现碱性外掺剂可以促使生成大量针状、棒状或纤维状水化硅酸钙晶体,抑制了能产生膨胀作用的钙矾石的生成,同时,有Ca(OH)2晶体析出,它们共同构成土颗粒间和土颗粒表面的充填物和包裹物,使水泥固化土的孔隙明显减小,密度和强度得到极大提高。检测结果显示水泥土强度提高了20%以上,复合地基承载力不小于120kPa。     

非饱和冻土的强度分析

冻土的强度是由土颗粒与冰的结合强度所决定,冰含量(或初始含水量)和干容重是非饱和冻土强度的主要影响因素.干容重越大,土骨架能够承受荷载的有效面积越大,冻土的强度也越大.同样干容重下的非饱和冻土,冰含量越多,冰与土颗粒的结合面积越大,承受的荷载能力增强,冻土的强度越大.为此,提出冰饱和度的概念,建立了非饱和冻土强度与饱和冻土强度关系,它涵盖了干容重和冰含量的影响作用,揭示了非饱和冻土强度的机理.通过试验验证,该关系式与试验结果具良好吻合.     

含盐量对石灰固化滨海盐渍土力学强度影响试验研究

随含盐量的增加,滨海盐渍土中的盐分结晶形成了许多晶体颗粒,改变了土的颗粒级配和微结构形式,使土的力学强度发生变化。无侧限抗压试验和三轴压缩试验结果表明,随含盐量的增加,石灰固化土的无侧限抗压强度和抗剪强度降低;随养护龄期的增加,石灰固化土的无侧限抗压强度和抗剪强度增加;随含盐量的增加,固化土试样浸水和不浸水无侧限抗压强度之间的差值越来越小。工程应用滨海盐渍土时需控制土的含盐量。     

含水率对煤系土抗剪强度的影响

煤系土具有遇水软化的特点,强度随含水率的增加急剧下降。以分布在广州－梧州高速公路沿线的煤系土为研究对象,在分析其物理特性的基础上,通过常规直接剪切试验测定了不同含水状态煤系土试样的抗剪强度,分析了含水率对煤系土抗剪强度的影响,并提出了实际工程中处治煤系土的建议。研究结果表明：煤系土抗剪强度与起始含水率具有明显的相关关系,且起始含水率越大,抗剪强度越小。随着含水率的增大,煤系土黏聚力总体呈减小趋势,但变化趋势具有显著的阶段性。当含水率小于某一值时,煤系土黏聚力随含水率增大变化幅度较小;当含水率高于该值后,煤系土黏聚力随含水率增大急剧降低,凝聚力对数与含水率呈线性关系。含水率变化对煤系土内摩擦角的影响较小,但在含水率增大过程中,煤系土内摩擦角先增后减,具有明显的峰值。     

用固化剂GX08加固杭州海湖相软土的强度特性研究

为了验证固化剂GX08加固杭州海湖相软土的效果及考察有机质对水泥固化的不利影响,对固化土的强度特性进行了试验研究。结果表明,有机质的添加会显著阻碍固化土强度的增长,而固化剂GX08能有效增强固化土的强度;固化土强度与有机质含量存在二次函数关系,与水泥掺量呈线性关系,与固化剂GX08掺量和龄期都以对数函数的形式相关;将总灰水比C/W用于固化土强度模型的建立,通过对试验数据的分析与整理,建立了同时考虑固化土中有机质含量、水泥掺量、固化剂掺量和龄期影响的固化土综合强度预测模型。最后对模型进行了推广使用,验证了模型的适用性。     

武汉地区一级阶地黏性土电阻率试验研究

通过电阻率原位测试和室内土工试验,研究黏性土电阻率特性及电阻率与岩土参数的相互关系。在武汉市轨道交通7号线勘察过程中,沿轨道走向,在长江一级阶地共布置完成电阻率测井22组,并于测井位置采取原状土样进行常规土工试验、无侧限抗压试验、直剪快剪试验及三轴UU试验。通过研究发现:黏性土电阻率随含水量及孔隙比的增加而增加,随无侧限抗压强度增加而减小。根据黏性土三轴UU试验结果,其电阻率随黏聚力、内摩擦角的增加而减小。通过拟合,给出了黏性土电阻率与岩土参数间的经验公式,其相关性显著。     

滇池固化淤泥重塑土的重塑时机及强度恢复特性试验

采用无侧限抗压强度试验和直剪试验,从单轴抗压强度、黏聚力、内摩擦角的角度探求了淤泥固化土重塑时导致的强度折减和重塑后土的强度恢复特性,并分析了重塑前养护龄期（T_前）、重塑后养护龄期（T_后）、水泥掺灰比（a_c）的影响。试验结果表明,重塑时机的选择对淤泥固化土的强度折减程度有显著的影响：T_前越长,破碎过程带来的强度折减越严重,且大致满足a_c越大、强度折减越严重的规律。从强度恢复特性来看：小水泥掺灰比的固化淤泥土经过T_后,其强度恢复较好;大掺灰比的重塑土其强度则较难恢复至固化土的水平,T_前越长,强度恢复越不利。从而得出了大掺灰比固化土宜早重塑,小掺灰比的重塑时间可适当延长的规律。     

四川理县桃坪冰水堆积物非饱和强度特性

为探究含水率变化对桃坪冰水堆积物抗剪强度的影响,取原状土样进行了6种不同含水率条件下的不固结不排水三轴剪切试验,并结合土水特征曲线探讨了该类特殊土体的非饱和强度特性。含水率对桃坪冰水堆积物的抗剪强度有着显著的影响,其饱和时的黏聚力和内摩擦角比天然含水率情况分别降低40.0%和29.5%。建立了桃坪冰水堆积物非饱和黏聚力与含水率参数χ（w）的关系式,实际应用时可采用指数函数来确定χ（w）。含水率增大使冰水堆积物基质吸力迅速减小,其抑制土颗粒塑性滑动的能力大幅降低,土体中细小裂纹不断发育、扩张,导致其宏微观结构遭受破坏、抗剪强度出现衰减。针对桃坪堆积体上广泛存在的浅层滑坡,应积极开展堆积区降雨量动态监测、优化改进灌溉方式以及加强坡体表部排水设施建设等工作。