深基坑支护中冻土墙力学特性研究综述

人工土冻结技术在地下工程中的应用日益受到国内外重视。对冻结法设计中冻土墙厚度的各种确定方法进行了阐述与分析。另外，还阐述了冻土墙稳定性、可靠性设计的思路和具体内容，提出了今后研究的方向。     

饱和正冻土水分迁移及冻胀模型研究

正冻土在温度梯度大的情况下,冻结锋面快速移动,孔隙水变成冰,造成原位体积膨胀;而通常在天然条件下,温度梯度都不大,水从未冻区向冻结区迁移,在某一个位置引起冰的累积,形成分凝冰。由于此诱发的冻胀要比原位冻胀大很多,因此,建立一个能够模拟土体水分迁移及分凝冰形成过程的冻胀模型尤其重要。基于第2冻胀理论,建立了饱和土体冻胀模型。在模型中,假设冻结缘中单位时间内水分迁移速度为常数,以计算冻结缘内水压力,再根据克拉方程得到冰压力。根据冰压力的大小作为分凝冰形成判据,研究中假设新的分凝冰形成以后,上一层分凝冰停止生长。模型把水分迁移和冻胀速率当作基本的未知量,模拟了与可天然土体冻胀类似的底部无压补水和顶部加压的冻胀情况。通过数值模拟与试验结果进行对比,初步验证模型的可靠性,其研究结果为实际寒区工程的冻胀预测提供参考。     

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.     

饱和正冻土冻结过程的冻胀变形分析

在分析土体冻胀形成原因的基础上,通过建立冻胀过程的应力场控制方程和温度场控制方程,利用固相增量法和热弹性力学理论,推导出冻胀过程中在温度场影响下的应力分量。在此基础上对冰透镜体形成条件进行了补充,提出相变温度也是冰透镜体形成的必要条件。通过对冻结过程机理的分析,在考虑温度和未冻水对冻胀量的影响基础上,对原位冻胀和分凝冻胀机理分别进行了讨论,给出完整冻胀量的理论计算方法,该方法可以更贴近描述土体实际冻胀过程。     

饱和颗粒正冻土一维刚性冰模型的数值模拟

基于刚性冰模型,应用有限差分法离散方程组,对于饱和颗粒土开放系统的冻结过程进行了一维数值模拟,给出了冻结缘内参数的分布.计算过程中修正了刚性冰模型中分凝冰产生条件,提出以冻结缘内冰压与载荷的关系作为分凝冰产生的判据,计算得到的冻胀量与实验室冻胀实验的测量数据较为吻合.将计算结果与现场实测资料进行了比较,温度场、含水量分布等结果在分布规律方面与现场实测资料相符.     

岩体力学试验的理论分析

本文通过对岩石力学试验中岩石试件破坏方式的分析, 在理论上解释了岩体力学试验中经常遇到的一些力学现象并且作出了定量的回答, 同时还建立了岩石的各种破坏模式的判据。     

冻土/岩的液相吸力与固相冰压作用机制

为研究冻土/岩内液相吸力和固相冰压在冻结过程中的作用机制,首先根据热力学基本原理,统一了不同边界条件下的理论冰压方程;然后,联立广义Clapeyron方程和Gibbs-Thomson方程,在阐释液相吸力和固相冰压物理意义基础上,给出了弯曲界面液相水的冻结温度方程;最后,将冻结温度方程引入冻结毛细管模型,将液相吸力方程代入达西定律,分别对固相冰压和液相吸力作用机制进行验证。研究表明：（1）平衡状态下的理论冰压仅与温度线性相关,与边界条件无关;（2）液相吸力来源于理论吸力与固相冰压抵消因子之差,为水分迁移统一驱动力,当固相冰压趋近于理论冰压时,液相吸力趋近于0;(3)固相冰压为绝对压力,可抵消液相吸力,而液相吸力为相对吸力,不可抵消固相冰压;（4）孔隙内的总压力仅为固相冰压,在毛细管冻结时,可达到平衡状态下的理论冰压,故遵循冰压法分凝冰形成机制。研究结果揭示了冻土/岩的液相吸力与固相冰压作用机制,对完善现有冻胀理论具有较高的理论价值和科学意义。     

冻土工程中力学问题的研究进展和思考

随着寒区工程,如青藏公路、青藏铁路、输油管道、西气东输等工程的日益增加,冻土的研究越来越深入,而力学问题是贯穿始终。本文从两个方面讨论冻土工程中力学问题的研究进展,(1)冻土受多种因素的影响,不能单一的用某一个条件解释,因此冻土水、热、力和变形的耦合问题已取得了长足的进展;(2)冻土路基受动荷载的影响非常显著,冻土的动力学性质的研究已全面开展。     

冻土切削力学特性的试验和理论分析

利用笔者所研制的冻土切削试验台，在室内对不同冻土在不同温度、含水量、切削速度、切削深度和切刀前角下进行了一系列切削试验。结果表明，切削时，冻土主要呈脆性断裂破坏，其切削过程被认为是刀刃切入和撕裂冻土的结果，切削阻力随冻土温度降低而非线性增加，随切削速度提高而略有增加，随切削深度增加而近似线性增加，最佳切刀前角随切削深度增大有增大趋势。但平均切削阻力与最大切削阻力之比值对不同试验条件基本在０．４－０．６５间变化。同时，根据切削过程机理，从理论上建立了最大切削力模型，此模型考虑了切入和撕裂冻土阻力。     

冰透镜体形成过程中的土体破裂驱动力研究综述

随着寒区工程高等级化和变形限制要求的进一步严格化,冻胀问题已经成为寒区工程建设考虑的关键问题。造成冻胀的原因在于外界水分迁移冻结并形成冰透镜体,因此,深入认识冰透镜体形成问题对解决实际工程中的冻害问题具有重要的意义。由于冰透镜体的形成受控于土体破裂驱动力,因此,深入开展冻结过程中的土体破裂驱动力研究对阐明冰透镜体的生长机理以及解决工程冻胀问题具有重要的指导意义。通过对国内外在土体冻结过程中的土体破裂驱动力方面的研究进行综合评述,指出各研究结果之间的异同点。基于各研究结果的相同点,分析了目前土体破裂驱动力研究中存在的不足,并提出了今后研究发展的方向。     

基于格子Boltzmann方法的饱和冻土孔隙成冰介观尺度模拟

路基冻胀问题严重影响寒区高速铁路的安全服役,而成冰相变过程是解释冻胀机制的关键。基于介观尺度的格子Boltzmann方法,将修正的孔隙水冻结温度算法与焓法固液相变格子Boltzmann模型相结合,模拟了悬浮液滴冻结和冻土孔隙水成冰两个过程,分别揭示了液态水在自由状态和孔隙束缚状态下冰水相变的细观机制。计算结果表明：土体孔隙中冰晶由中心向外生长的过程与悬浮在空气中的液滴冻结过程截然不同,并且孔隙水越接近颗粒表面,其冻结温度越低。相同粒径颗粒按照不同排列方式得到的冻结特征曲线（soil freezing characteristic curves,简称SFCC）具有明显差异;不同粒径的SFCC随着颗粒增大残余水含量逐渐变少,形态更加陡峭。通过与文献试验结果对比,验证了格子Boltzmann方法的有效性,表明该方法能够为研究多孔介质水气迁移与相变过程提供介观尺度的新手段。     

Segregation freezing as the cause of suction force for ice lens formation

We propose a new freezing mechanism, called segregation freezing, to explain the generation of the suction force that draws pore water up to the freezing surface of a growing ice lens. We derive the segregation freezing temperature by applying thermodynamics to a soil mechanics concept that distinguishes the mechanically effective pressure from the mechanically neutral pressure. The frost-heaving pressure is formulated as part of the solution of the differential equations of the simultaneous flow of heat and water, of which the segregation freezing temperature is one of the boundary conditions.     

水力与热力耦合的开河判别准则

寒带河流在春季往往会由于水力和热力因素的剧烈变化而引发冰盖溃决,国内俗称为"武开河"。这一现象会导致冰坝形成,造成巨大的自然灾害。通过冰盖断裂机理的力学分析,耦合热力对冰盖材料性质的影响,提出了一种开河判别方法。应用黄河河曲段实测原型资料进行验证分析,结果表明该准则判定结果与实际相符,是一种行之有效的判别准则。     

冻结过程中单孔冰结晶变形机制研究

孔隙水在冻结过程中产生的冰结晶压力导致了多孔材料的冻胀及破坏。本文通过理论分析分别给出了不同形状晶体的结晶压力计算模型,并分析了经典结晶压力计算公式的使用条件。建立了降温过程中孔隙冰晶生长模型,实现冰晶生长过程中的孔隙变形计算,分析了晶核密度、孔径大小、荷载和冰晶体积对孔隙冻胀变形的影响机制。结果表明：起始孔隙直径和长宽比的增大对结晶变形抑制作用的机理在于减少了冰晶体积中膨胀结晶的比例。荷载对孔隙变形的抑制机制在于,荷载的增大迫使冰晶更多地横向生长（长宽比增大）,导致膨胀结晶所占比例减小。孔隙中的晶体生长有完全填充模式和部分填充模式,在部分填充模式下,晶核密度、荷载和孔径的增大都会导致晶体在孔隙中的填充率增大,从而对孔隙结晶变形产生影响。本模型揭示了单个孔隙中冻胀变形机制,为解决多孔介质的冻胀变形与破坏问题提供了新的思路。     

正冻土冻结缘研究现状及展望

湿土冻结过程中, 生长发育于冰透镜体与冻结锋面之间特殊的区间带称为冻结缘带。冻结缘作为温度场、 水分场和应力场三场耦合作用的结果, 是冰分凝的水源补给站, 冰水相变发生的剧烈区域以及水分迁移的必经之路, 具有重要的研究意义, 也是深入认识冻胀机理的基础。通过系统地阐述冻结缘的形成过程、 相关理论与试验、 微结构特征、 参数特征及冻结缘的模型构建等5个方面的研究进展及成果, 结合各个方向的发展趋势提出了冻结缘研究的重点, 即对冻结缘的研究应回归到试验研究, 利用新型测试技术深入对冻结缘微结构的观测, 结合物理参数及结构性参数变化构建耦合的冻结缘模型, 从而揭示其热力学机理, 为冻胀机制分析、 冻土精确预报提供理论支撑。     

土壤冻融条件下的陆面过程研究综述

冻土是全球中高纬地区和高山地带普遍存在的自然现象,它对全球以及区域性气候、水循环、水平衡等都有着巨大的影响,土壤冻融条件下的陆面过程正是这种影响的重要环节,介绍了土壤冻融条件下陆面过程的研究现状,特别是在大气环流模型(GCM)中引入水文陆面模型以来陆面过程研究的迅猛发展,对现在国际上正在进行的考虑冻土的陆面过程研究项目,如陆面过程参数化比较计划的第二阶段第五期PILPS(2E)以及美国NASA的寒区陆面过程实地试验计划也进行了介绍,并在此基础上对土壤冻融条件下陆面过程的发展趋势进行了分析.     

基于海冰物理和力学参数的渤海冰工程分区

根据渤海海冰物理和力学参数分布建立渤海海冰工程分区.其特点是将作用到相同直径或宽度的直立结构物上冰的作用力范围相同的区域划分为同一分区内,因此不同重现期设计冰厚度和峰值压缩强度之积作为区划指标.为了获得不同重现期渤海海冰物理和力学性质参数,利用渤海历史资料建立用气温、水温、冰期和冰厚表达非变形平整冰层和冰样温度、盐度、密度的关系,进而获得冰的孔隙率;利用渤海海冰单轴压缩强度同孔隙率的试验关系计算相应峰值压缩强度;然后发展渤海不同重现期平整冰层物理和力学参数的平面分布.在此基础上以新区划指标做不同重现期的海冰工程分区.作为新区划的实例,给出25、50、100年重现期的渤海海冰工程分区.