土体冻胀和盐胀机理

在国家自然科学基金及冻土工程国家重点实验室基金资助下,项目组与俄罗斯和日本学者合作,从土体冻胀和盐胀的基本影响因素及其相互关系、土中水的成冰作用和冷生组构、土体冻胀机理及含盐土的盐胀和冻胀等方面,对土体冻胀和盐胀机理进行了深入研究,提出许多全新的观点...     

硫酸钠溶液的盐胀与冻胀

为探讨硫酸钠盐渍土产生盐胀与冻胀的机理,研究了硫酸钠盐溶液在温度变化时的盐胀和冻胀的特征和规律性.针对不同浓度的硫酸钠盐溶液,在不同温度下的体积变化进行了观测.通过试验,定量分析了不同浓度的硫酸钠盐溶液在温度降低过程中,其盐胀率在一定的温度范围内随温度的变化规律;尤其是在负温区间,不同浓度的硫酸钠盐溶液冻胀率随着温度的变化规律.试验表明,硫酸钠盐溶液的盐胀必须具备一定的浓度条件,否则无结晶盐析出,无盐胀产生,并且低于这个浓度的所有盐溶液随着温度的降低将一直处于冷缩状态,直到冻胀产生.比较了不同浓度溶液的盐水比和结晶盐的盐水比,不同浓度的盐溶液其体积膨胀率(盐胀率与冻胀率之和)不同,硫酸钠盐具有一定的抑制冻胀的作用.     

开放系统下硫酸钠盐对土体冻胀的影响

易溶盐在土中的存在及其在冻结过程中的重新分布对土体的冻结过程有重要影响.在开放系统单向冻结条件下,对青藏铁路沿线粉质红粘土进行了冻结试验.结果表明:随着冷能的持续传递,硫酸钠盐和水分向温度较低处迁移,土体0℃曲线持续降低;但基于测定的含盐土大量冻结温度的基础上,对土体冻深的研究发现,在开放单向冻结条件下土体冻深随着水盐迁移进程的发展而减小,造成与补蒸馏水的土体相比,土体的冻胀较小.同时,利用冻深发展曲线和硫酸钠水溶液相图及溶解度曲线,对土柱中的冻胀和盐胀分别进行了计算,结果认为:土体变形主要是由冻胀引起,硫酸钠结晶膨胀只发生在未冻土段,这与试验结束后对土体冻土段和未冻土段的干密度分层测定的试验结果相一致.     

新疆玛纳斯河灌区水工建筑物衬砌的盐胀和冻胀

本文通过玛纳斯河灌区的调查和初步观测试验以及各有关单位的试验资料,概述了玛纳斯河灌区土壤含盐情况、盐碱土的物理力学性质、盐碱土对渠道和建筑物衬砌护面的冻胀破坏情况,最后提出了防治措施。 一、灌区自然概况 玛纳斯河灌区位于天山北麓,准噶尔盆地南缘,地处北纬43°30′—45°30′之间,年平均气温6.6℃,极端最低气温42.8℃,最高43.1℃。 灌区土壤多为粉状壤土,少部分为粘土。土壤含盐量多在0.3—1.5％之间,最高达6％,以硫酸盐为主(表1)。     

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。     

土体冻结和冻胀研究的新进展

１９９７年４月１５￣１７日在瑞典吕勒奥工学院召开了“国际地层冻结和冻结作用研讨会”，会议共发表论文８２篇，涉及７个专题：ＩＳＳＭＦＥ工作组报告，正冻正融土岩中的热质迁移，冻结敏感性和冻胀，已冻已融和正融土岩的力学性质、环境土冻结、工程设计和工程实例，文章主要论述土体冻结和冻胀研究的新进展。     

硫酸盐渍土盐冻胀机理研究现状与进展

盐渍土地区发生的土体盐冻胀破坏严重危害到渠道、公路、铁路、机场跑道、桥梁等工程建筑的稳定性和耐久性,因此解决实际工程中的盐胀及冻胀等病害问题具有十分重要的意义。从微观结构、单次降温、冻融循环、水盐运移和构建机理模型等方面综述了近年来国内外关于盐冻胀机理的最新研究成果,总结了目前研究中存在的问题及不足,并对今后盐渍土盐冻胀机理的研究方向进行了展望。     

甘肃省公路沿线典型地段含盐量对冻胀盐胀特性影响的试验研究

季节冻土区含盐土公路路基在季节性冻胀、盐胀和融沉作用下,发生大量的道路病害,给道路的安全运营带来了严重的隐患。在考察大量现场道路病害的基础上,针对甘肃省季节冻土区公路沿线盐渍化道路病害比较严重的地段,选取几种典型的盐渍土进行室内冻融循环试验来研究它们在周期波动温度条件下冻胀、盐胀和融沉特性,进一步探讨盐渍土地区道路病害产生的机制。试验结果发现,含盐量对路基土冻胀、融沉和盐胀等变形过程有明显的影响,不同的含盐量路基土膨胀机制不同。含盐量较高的土体,变形主要由盐胀引起,没有明显的融沉变形;含盐量较低的路基土,变形主要由冻胀和融沉引起,可能存在盐胀;对于无盐但冻胀敏感性路基土,其变形主要由冻胀和融沉引起。另外,开放系统下盐渍土反复冻融循环后含水率重新分布,含水率普遍增加,且形成了两端含水率高、中间低的现象。     

土体冻胀发育的几种类型

假设达西定律仍适用于冻土中分运动，讨论了开放系统单向冻结饱水正冻土中冻胀速度与冻结速度，人流速度及温度梯度之间的关系。通过端面温度恒定和调节土柱冷端面的冷却速的室内受控冻结试验，证实有关推论是正确的，且随冷却速度不同，可分出土体冻胀速度发育的三种类：峰值型谷值型和递降型，而且，通过调节土柱冷端面的冷却速度，可控制总人流量随时间按直线变化，即形成稳定人流情况。     

一维冻结土体冻胀曲线的分形优化

分形几何理论作为研究自然界具有自相似性质的非线性问题的主要手段，被广泛应用于岩土工程中。土体的冻结涉及到土体本身的性质、温度场、水分场和应力场的共同作用，采用数值解法又必须对其进行大量的简化，使其所求得的数值解或拟解析解与实际值存在较大差距。采用神经网络方法研究表明，在冻胀初期系统难以稳定，同时对于低含水量的土体误差也较大。近年来，通过国内外学者的大量研究，发现土体冻结过程中同样存在分形现象。通过分析土体冻胀特征，提出采用分形插值方法研究一维冻结土体的冻胀问题。采用Douglas-Peuker算法和随机中点移位法相结合的方法对一维冻结土体的冻胀曲线进行了优化。研究结果表明，采用该方法对冻胀曲线进行优化，既可保留其原有的宏观结构特征也可以反映微观结构动态；经过插值处理后，曲线的特征点和特征形状并无变化；但细节部分随着分形维数的增加，逐步得到细化。由此真实地反映了冻胀过程，为研究土体的冻胀过程提供了一种新的方法。     

国内外物理化学方法防治土体冻胀的研究

影响土体冻胀的主要因素有土质、水分、温度。物理化学方法防治土体冻胀,即从以上三个因素着眼,使用人工材料来处理土,抑制适合土体冻胀产生和发展的条件,从而达到减弱或消除冻胀的目的。 苏联、美国、加拿大、中国是世界上主要的冻土国家。随着这些国家冻土地区工程建筑规模的扩大,所遇冻害问题也日益俱增。因此,用物理化学方法防治土体冻胀的研究及其应用工作也越来越受到重视。本文所述内容主要是这些国家的研究成果。     

添加剂对土体的加固作用及冻胀防治研究

将研制的高分子有机材料作为添加剂，加入到土体中，经过拌和夯实、干燥固结，能够起到稳定和提高土体的强度，并具有低渗透和低吸水等特性．冻胀试验表明：加入添加剂不仅能阻止土体冻胀的产生、外来水源的入侵及水分的迁移，还能隔断土体孔隙之间的联系，使水分在土体孔隙中不能运移，从而达到了防治冻胀的目的。     

冻土区输气管道周围土体冻胀融沉研究

管道作为油气资源的最为常用的运输方式之一,穿越不同地质情况的区域,所面临的工程问题各有不同。本文对青海省某冻土区输气管道进行调研,针对出现的管沟融陷、工程构筑物冻胀变形等病害问题,选取典型断面,钻孔埋设温度传感器和沉降磁环测试元器件,对暖季和寒季管道周围土体温度和位移进行监测,研究输气管道周围地温变化及冻胀融沉规律,为冻土区输油气管道的设计、施工、运营、病害治理提供借鉴。研究表明:该冻土区寒暖季地表地温随气温波动较大,越靠近管道,地温年振幅越大;该区域冻土地温范围为-2~-1℃,地温带类型属基本稳定带,正温输气的热扰动,导致周围土体融沉;管道正上方受管道放热影响,地温均为正温,影响范围约1.5m;在近管道处,深度1~4m,地温受多重因素影响,深度4m以下,地温年较差较小,均为负温;冻胀由深处向上发生,时间上有滞后性;10月和11月为冻融剧烈时间段,应及时监测预警。     

土体冻胀对排桩支护结构影响规律

随着城市的发展, 越来越多的工程转向地下, 向地下要空间。基坑工程越来越多, 伴随的工程事故也逐渐出现。中国多年冻土和季节冻土面积分别占国土面积的 21.5%和 53.5%。在这些地区, 建筑基坑往往受冻、融循环作用而破坏, 给寒冷地区的基坑支护结构施工的安全性造成较大的安全隐患, 给科研、设计和工程施工单位提出了很多新的挑战。文章以有限差分分析软件FLAC3D为基础, 利用数值模拟方法的灵活性, 选用合适的本构模型, 对基坑进行冻胀模拟:得出基坑温度场变化规律、支护桩顶位移随温度变化的规律, 并提出几种减小桩体冻胀位移的措施, 为今后越冬基坑支护桩的设计与施工提供参考。     

湖北崇阳城区土体胀缩特性研究

针对湖北崇阳县城区某些建筑物（构筑物）发生地面开裂地质灾害问题,根据勘察资料和大量的有关土体工程地质性质试验成果,系统地分析了与灾害密切相关的中更新统残坡积土体（层）的胀缩特性及与其内在的组织结构、矿物组成、化学成分之间的关联,阐述了膨胀土的空间分布特征及其与灾害分布的相互关系,为灾害成因判定和治理提供了科学的依据。     

考虑土体剪胀性和应变软化性的K-G模型

在三轴试验中密实无粘性土具有剪胀性和应变软化性,广泛应用于工程计算的非线性弹性邓肯-张模型、常规的非线性弹性K-G模型等都不能反映土体的这些性质。根据紫坪铺面板堆石坝筑坝料的大量三轴试验研究,分析密实无粘性土的剪胀性和应变软化性,提出了考虑这种剪胀性和应变软化性的K-G模型和模型参数的求取方法;通过预测曲线与试验曲线对比说明模型的合理性。模型适应多种应力路径,参数可方便地求取,可以在有限元应力-应变分析中推广运用。     

土体冻胀与地基梁相互作用的叠加法研究

根据随机介质的思想,土体冻胀引起的地表隆起近似为正态分布。以上海体育场穿越工程为研究背景,由叠加法基本原理,得出多管冻结冻胀叠加法表达式。将非均布的冻胀荷载简化成多段均布荷载,编制matlab程序求解冻土地基上的弹性地基梁方程,得到冻胀与地基梁（结构）相互作用的位移及接触压力,并用实测数据进行了验证。最后对冻胀与基础梁相互作用的影响因素进行计算分析,得出相互作用的冻胀量随地基梁刚度与外荷载增加而减小、随地基弹性接触系数与自由冻胀量增加而增加。     

补水压力对土体冻胀的影响北大核心CSCD

为了研究冷端温度、土质和补水压力对土体冻胀影响的强弱以及现行评价土体冻胀敏感性的方法在土体有压补水冻结时的适用性,开展了三因素三水平的冻胀正交试验。基于灰色关联度法得到的结果表明,影响土体冻胀率的因素由强到弱依次为补水压力、冷端温度和土质。补水压力、冷端温度与冻胀率的关联度较大,土质与冻胀率的关联度较小。在较高的补水压力作用下,非冻胀敏感性的砂类土产生了明显的冰透镜体,且部分砂类土的冻胀率超过了黏质土的冻胀率。发现仅凭细粒含量评价水压作用下砂类土的冻胀敏感性存在缺陷,应根据土体所处的实际环境进行综合评估。通过讨论冻胀敏感性、融沉敏感性与冻害敏感性之间的关系,提出受水压影响的寒区工程构筑物须通过设置隔水和排水设施以及使用换填法来综合防治冻害的方法,可为相关工程的设计及安全运营提供参考。     

细粒硫酸钠盐渍土盐冻胀特性试验研究

为探究温度与硫酸钠含量对细粒硫酸钠盐渍土盐冻胀率及盐胀占比的影响,取兰州黄土作为素土人工配盐,用平衡公式进行理论推导,并设计了室内试验对其进行验证。结果表明：当压实度为92%、含水率为最优含水率16.8%时,随着含盐量的升高,细粒硫酸钠盐渍土的冻结温度随硫酸钠含量的增大而降低,且随着温度的降低,盐胀率的变化趋势与盐冻胀率基本一致。在冻结温度以下至-5 ℃盐胀发展速度最快,在-5 ℃以下盐胀率增长很小;在压实度为92%、含水率为最优含水率16.8%条件下,在硫酸钠含量不变时,温度越低,盐胀占比越大;温度不变时,硫酸钠含量越高,盐胀占比越大,在冻结温度以上盐胀占比为100%,但当温度降至-3~-4 ℃时盐胀占比降到50%,在-10 ℃以下盐胀占比基本保持不变。     

土体劈裂灌浆力学机理分析

为了在塑性力学和大变形理论的基础上分析土体在劈裂灌浆初始阶段的力学机理,将劈裂灌浆的初始阶段视为无限土体中的圆孔扩张问题,并将圆孔周围土体中的应力分布分为3个区域。在弹性区中土体服从小变形假设,在软化区和流动区中土体服从大变形假设。根据应力平衡方程以及应力和应变连续的边界条件,推导出劈裂灌浆初始阶段的最终扩孔压力和最终扩孔半径的理论解答。同时,还分析了灌浆压力、最终扩孔半径、土体的泊松比和大变形以及压缩模量之间的相互关系。该理论的计算结果与工程实测结果比较接近,初步证实了该理论的可靠性。