非饱和土体水平冻结过程中的水热耦合作用机制研究

土体在冻结过程中伴随热量传递、冰水相变、水分迁移等演化过程，其水热耦合作用机制非常复杂。为此，在进行演化方程组解耦、冻结锋面精细化处理的同时，采用土体冻结特征曲线改进未冻含水量计算，引入总含水量优化冰组分生成，提出一种新的水平冻结水热耦合理论计算模型。基于隐式有限差分方法对该模型进行数值求解，结合试验结果验证其有效性。最后，以张掖壤土为研究对象，分析非饱和土体的水热耦合演化规律。研究表明，土体在冻结过程中，未冻区的水分会向冻结区迁移，在锋面位置处发生水分积聚；在孔隙率相同的情况下，土体的初始含水量越高，其温度下降速度越快，冻结区含水量的增加也更为显著。土体的冷源温度越高，冻结锋面的发展速度越慢，从而使得水分迁移时间更为充分，对应的冻结区平均含水量越高，水分积聚现象也越突出。冰阻抗在冻结锋面附近影响土体中的水分迁移，使其含水量及热扩散系数下降，从而影响温度场的演化。     

多年冻土区路基填筑短期内冻土温度场数值分析

采用有限元软件COMSOL建立冻土水热耦合计算模型,进行路基填筑短期内冻土温度场的变化规律研究,并提出路基覆盖范围冻结锋面下凹扭曲的计算方法。结果表明:路基填筑热效应使得路基中心下方冻结锋面发生下凹扭曲,在水分汇入充足情况下会引发水热侵蚀,产生路基热融沉降、路基开裂等病害;7月填筑会最大程度阻碍土体热量向大气中输出,路基覆盖范围冻结锋面下凹扭曲程度达到最大、冻土温度场恢复最慢,属于最不利工况;路基覆盖范围冻结锋面下凹扭曲程度随填料与地表温差、路基高度、路基宽度、填料体积热容的增大而增大,随填料导热系数的增大而减小,实际工程中应尽量选用体积热容小、初始温度低且导热系数大的填料;采用冻结锋面下凹扭曲计算方法可计算得到填筑完成后不同时刻不同工况下的冻结锋面下凹扭曲曲线。     

深季节冻土区哈齐客专路基现场试验

鉴于哈尔滨—齐齐哈尔(哈齐)客专路基工后沉降不大于15 mm的要求,开展了路基现场试验。对路基中的温度、沉降变形、路基冻胀变形及路基本体的含水量变化情况进行监测。结果表明:线路所处地区,11月中旬开始冻结,来年1月下旬地表附近地温过程线开始上抬;冻结层直到4月中旬才全部处于正温,最大冻深约为2.4 m。经过现场监测,处于深季节冻土区的高铁路基在经历冻融循环后的沉降变形为20 mm左右。路基表面的最大冻胀量发生在地表温度处于-1~-2℃之间,在此地温值下,路基冻结层范围内易发生水分积聚现象,路堤冻胀较敏感,所以路基填料应严格保持为最优含水量,做好基床表层的防排水措施,避免路基病害的发生。     

人工冻结粉质黏土力学性能演化规律研究

基于地铁工程中人工地层冻结法应用的工程背景,以粉质黏土地层为研究对象,通过室内试验研究冷冻温度、含水量和围压等因素对人工冻结粉质黏土强度和冻胀变形演化规律的影响。结果表明:冷冻温度、含水量和围压显著影响人工冻结粉质黏土的应力应变发展趋势和破坏模式,三轴剪切强度、弹性模量与冷冻温度、含水量和围压的相关性因三者的耦合作用而呈现不同的演化趋势;单向冻结模式下,温度场达到恒定温度梯度后,人工冻结粉质黏土达到了最大冻胀变形量;冻胀率与冷冻温度之间存在较好的线性回归关系,且外界水源补给条件下粉质黏土冻胀率远大于封闭不补水条件;冷冻温度、含水量和地层埋深是确保人工地层冻结技术中冻结壁达到设计强度、控制地表变形以及防止结构物破裂、渗水或漏泥等问题的3个关键指标。     

反复冻融作用下粉质黏土的微观分形特征研究

粉质黏土作为一种常用的路基填料,受冻融循环作用的影响后其微观结构的变化直接导致路基强度的改变。为研究多次冻融后土体力学强度与微观结构的关系,以东北地区粉质黏土为研究对象,进行不同冻融循环次数下土体的扫描电镜(SEM)、压汞(MIP)及无侧限抗压强度试验。基于分形理论,分别计算土体颗粒、孔隙三维分形维数,并据此建立分形维数与力学强度的关系公式。研究结果表明:随冻融次数的增加,土体颗粒重新排列,整体性受到破坏,孔隙体积呈波动上升的趋势;试样含水量升高后,5~20μm孔径的孔隙含量逐渐减小,而0.3~5μm孔径孔隙含量增加;分形维数很好地反映了冻融循环过程中土体微观结构的变化特点,由分形维数与无侧限抗压强度构建的回归方程得知,分形维数越大,土体强度越大。     

人工冻结砾石土三轴剪切强度试验研究

为分析冷冻温度和含水量对于砾石土抗剪强度参数的影响,通过室内试验对南宁地铁联络通道砾石土层进行冻结状态下的三轴剪切强度分析,研究围压、冷冻温度以及含水量对于其强度演变的影响,分别得到几个特征围压下的砾石土冻结强度与冷冻温度及含水量的关系。试验结果表明:砾石土的三轴剪切强度随着冷冻温度的降低而升高,温度效应明显;同时,含水量变化对于其剪切强度影响也十分显著,在试验研究范围内冻结砾石土偏应力峰值与含水量成一定的正相关性,随着含水量增加,冻结冰晶体含量随之升高进而引起土体胶结能力增大,相应的强度有所提升。该三轴剪切强度符合Mohr-Column准则,黏聚力与内摩擦角随着冷冻温度的降低而增大,随着含水量的增加而增加。同时,冷冻温度对于砾石土三轴剪切强度参数的影响受土体含水量变化影响显著。     

冻融循环下纤维水泥改良风积沙NMR试验研究

新疆和若铁路沿线属于季冻区,路基基床表层采用玄武岩纤维加筋水泥改良风积沙填筑时,运营期间会长期受冻融循环的影响.为了研究冻融循环作用对玄武岩纤维加筋水泥改良风积沙微观结构的影响,对其进行0,4,7,10,14和18次冻融循环条件下的核磁共振试验,单次冻融循环的冻结和融化时间均为12 h,冻结温度和融化温度分别为?20℃和20℃.研究结果表明:T2时间分布于0.1～10000 ms之间,随着冻融循环次数增加,纤维水泥改良风积沙的T2谱向右移动,达到14次冻融循环后,T2谱的变化不明显;纤维水泥改良风积沙的小孔和中孔的比例随冻融循环次数的增加而降低,而大孔的比例逐渐提高,14次冻融循环后,孔径分布趋于稳定;纤维水泥改良风积沙的孔隙率和最可几孔径随冻融循环次数呈双曲线增长.本文成果解释了冻融循环作用对纤维水泥改良风积沙力学性能影响的微观机理,对沙漠季冻区铁路路基基床的设计与施工具有参考价值.     

考虑孔隙比的冻胀弱敏感性土修正PCHeave模型研究

针对我国严寒地区高速铁路路基填料和机场填方等工程具有严格的压实度要求,而考虑孔隙比的冻胀弱敏感性土冻胀影响研究尚未有系统性的理论分析,采用理论与经验分析相结合的方法,基于冻胀弱敏感性土的孔隙比与渗透系数和未冻水含量之间的关系,建立考虑孔隙比的修正PCHeave模型。基于该模型分析孔隙比与冻胀量、冻结深度和冻胀率之间的关系,并进行试验对比验证。研究结果表明：孔隙比与冻胀弱敏感性土的未冻水含量之间存在很好的线性关系;冻胀弱敏感性土的冻胀量和冻胀率均随孔隙比先增大再减小,即存在一个最不利孔隙比使得冻胀量和冻胀率均达到最大值;冻胀弱敏感性土的冻结深度随孔隙比增大而逐渐增大;若仅考虑孔隙比对饱和渗透系数的影响,冻胀量和冻胀率均随孔隙比显著增加,若仅考虑孔隙比对未冻水含量的影响,冻胀量和冻胀率均随孔隙比减小,但减小幅度很小。冻胀弱敏感性土通常被认为不能产生显著冻胀,在一定孔隙比下也能产生较大冻胀,同时考虑孔隙比对饱和渗透系数与未冻水含量的影响要更合理。冻胀弱敏感性土的冻胀不能忽略孔隙比的变化,与试验结果对比,该模型能够较好地描述孔隙比对冻胀弱敏感性土的冻胀影响。     

青藏高原高温冻土旁压蠕变试验研究

为研究高温多年冻土的蠕变特性,在青藏铁路北麓河试验段开展不同温度、不同含水量的多年冻土旁压蠕变试验。试验结果表明:在冻土的短时旁压蠕变试验(尤其是高温—低含冰量冻土的旁压蠕变试验)中,瞬时变形在总变形中占有较大比例;在温度相同时,该比例随含水量的增大而减小;在含水量相同时,该比例随温度的升高而增大。因此,在高温—低含冰量冻土蠕变试验数据处理过程中,必须首先提取瞬时变形,才能够分离出蠕变变形。对于高温—低含冰量冻结黏土,随含水量的增加或温度升高,冻土流变性增强。     

低液限粉土填料掺盐抑制冻胀效果研究

采用室内单轴冻结试验,对比封闭条件下神朔重载铁路低液限粉土填料掺盐前后水分迁移和冻胀特性,并分析不同类型盐分、含盐量下抑制土体冻胀效果。结果表明:(1)低液限粉土的起始冻结温度随含盐量的增加而降低;掺入NaCl后起始冻结温度明显降低,有效抑制了土体的水分冻结;Na2SO4也能降低起始冻结温度,但效果不如NaCl。(2)随着盐含量增加,土体水分迁移量减少;加入NaCl后,冻结深度减小,冻结锋面含水率降低;加入Na2SO4后冻结深度无明显改变。(3)掺盐可有效抑制土体冻胀,且冻胀量随含盐量的增加而减小,NaCl抑制土体冻胀效果强于Na2SO4。建议该地区优先掺入NaCl来抑制路基冻胀,且掺入量控制在1.5%~2%之间。     

含水量对隧道衬砌混凝土耐火性能影响试验研究

火灾对特长公路隧道衬砌混凝土产生不同程度的损伤,含水量对隧道衬砌混凝土的耐火性能影响较大。对3种不同含水量的混凝土标准试块分别在不同的温度条件下(200,400,600,800,1 000℃)恒温加热5 h后静置冷却,测量其残余抗压强度和劈裂抗拉强度,并与常温下试块的强度进行比较。研究结果表明:高温下混凝土试块爆裂的频率和损伤程度随含水量的升高而加大,混凝土中水分加剧了混凝土耐火性能的劣化;C25混凝土发生爆裂的温度范围为500～600℃,爆裂的临界含水量为6%～8%。此结果可为火灾后隧道衬砌结构的鉴定、修复与补救提供参考。     

基于X-CT扫描成像技术的级配碎石冻结状态细观研究

以高速铁路基床表层级配碎石为研究对象,基于X-CT扫描成像技术进行级配碎石冻结状态细观研究。利用X-CT扫描技术结合图像处理技术重构冻结状态下的三维级配碎石试样模型。通过断层扫描图像的灰度识别技术,辨识出级配碎石中不同组分的灰度范围,进而获取级配碎石颗粒、冰晶和孔隙的分布特征。不同饱水度和细颗粒含量级配碎石冻结状态的X-CT扫描分析结果表明:冰晶主要聚集在试样的孔隙和粗、细颗粒交界处;冰晶含量随饱水度增加而增加,孔隙率随细颗粒含量的增加而减少;级配碎石冻胀有别于传统细粒土冻胀,主要在细颗粒聚集区发生水分微迁移,推动粗颗粒旋转、错动,使其偏离原来的位置,引发冻胀。     

冻土与混凝土接触面直剪试验研究

为研究冻土与混凝土接触面的力学性质,利用土工粗颗粒土直剪试验系统进行一系列接触面直剪试验。试验得出的平均剪应力-水平位移曲线和垂直位移-水平位移曲线均表现出明显的分段特征。通过不同参数的对比试验,总结垂直压力、温度、含水量对接触面抗剪强度的影响,给出拟合的经验公式。提出接触面峰值抗剪强度和残余抗剪强度的原理,来解释选用不同参数时试验曲线的变化。     

大埋深富水砂岩隧道垂直冻结法施工应用研究

考虑水分迁移和冰-水相变潜热对岩体冻结的影响,建立了大埋深富水砂岩隧道冻结法施工有限元模型,分析了隧道垂直冻结过程中交圈形成过程和冻结孔布设对冻结效果的影响。结果表明;垂直冻结117 d后冻结壁厚度及冻结体强度已经满足设计要求,可以进行隧道开挖施工;冻结孔的布置方式和间距对冻结体的冻结效果影响很大,应结合隧道结构、冻结壁的厚度、冻结体的平均温度、盐水温度、工期以及地质资料综合确定。     

孔隙水含盐量对上海饱和软黏土冻融特性的影响

在河口三角洲地区使用人工地层冻结法修建过江、过海隧道工程时,高含盐量的地层冻结效果不同于以往淡水冻结.以上海市沿江地区软黏土的冻结施工为背景,对不同孔隙水含盐量的重塑软黏土进行单向冻融试验、冻结单轴抗压试验,得到不同孔隙水含盐量下软黏土的热力学特性、冻胀特性、融沉特性,冻结土的强度特性、抵抗变形特性.研究结果表明:孔隙水中的盐分能降低冻结软黏土的抗压强度、弹性模量,给工程带来不利影响;能降低土体的冻胀率、融沉系数,带来有利影响;对传热特性、融沉时间的影响不显著.冻结可以致使孔隙水中的水分子迁移,而对孔隙水中的盐分没有明显的效果.     

无缝线路稳定性计算模型的研究

提出了两种新的无缝线路稳定性计算模型,分析了初始波长小于变形波长的单波曲线以及复波曲线的无缝线路稳定性.根据势能驻值原理推导出了稳定性计算的公式,并与现有公式进行了比较.在此基础上,分析了扣件变形对温度力的影响.     

无缝线路稳定性计算模型的研究

提出了两种新的无缝线路稳定性计算模型，分析了初始波长小于变形波长的单波曲线以及复波曲线的无缝线路稳定性，根据势能驻值原理推导出了稳定性计算的公式，并与现有公式进行了比较，在此基础上，分析了扣件变形对温度力的影响。     

盾构始发端头水平冻结加固方案设计研究

以南京地铁四号线锁金村站右线盾构始发端头加固为例,经多种加固方案比选确定了水平冻结加固法。通过实测杯型冻结壁温度场,分析了干管、分支回路盐水温度变化规律,以及不同深度、不同冻结加固区和不同土质的土体温度变化特征。结果表明:分支回路中盐水温度均匀,其变化与干管盐水温度变化一致;在整个冻结期间,任意时刻冻结壁杯体加固区温度始终高于冻结壁杯底加固区;同一测温孔中,冻结前期距地连墙水平距离越远温度越高,冻结后期距地连墙水平距离越远温度越低;在相同冻结能量和冻结时间内,淤泥质粉质黏土比混合土温度高。     

冻土斜坡路基温度水分分布特性分析

为研究冻土斜坡路基温度与水分分布规律,基于不饱和土Richards方程推导出冻土水分与温度变化的耦合关系式,建立水热耦合模型。应用有限差分原理进行离散化,编制计算程序模拟冻土斜坡路基室内模型试验。通过模拟结果与试验值的对比,验证了应用模型计算程序的可靠性。对青藏铁路风火山K1139试验段斜坡路基的温度水分分布变化进行模拟分析。结果表明:相对于同一海拔高度的路基中心线上点及右坡脚点,斜坡路基的左坡脚点温度和含水量均较高。冻土斜坡路基的融化界面与水分富集层均沿斜坡发展,与斜坡坡向相同,影响斜坡路基稳定性。     

含水量对先注浆后冻结粉细砂剪切强度的影响

研究目的:含水粉细砂地层具有压缩性小、渗透系数大、易液化、无粘聚力、自稳能力差的特点,在该地层中开挖隧道极易发生涌水、涌砂、塌方等工程灾害。本文探究先注浆后冻结联合加固含水粉细砂等软弱地层,进而改善土体强度的方法,针对含水粉细砂,通过试验方法对注浆、冻结不同条件下含水粉细砂试样的剪切应力-剪切位移关系曲线进行研究,并分析不同含水量条件下对含水粉细砂试样剪切应力-剪切位移关系曲线的影响。研究结论:(1)先注浆后冻结的联合方法可以有效加固含水粉细砂地层;(2)试验得出含水粉细砂剪切应力-剪切位移关系曲线随含水量的变化有两种走势;(3)在一定条件下,适当增加含水量,先注浆后冻结粉细砂试样的剪切强度明显提高;(4)该研究成果可为含水粉细砂及软弱地层中土体的加固提供参考。