基于孔隙结构的土体未冻水含量滞回效应研究

冻结特征曲线（SFCC）是描述负温与土体内部未冻水含量之间的关系曲线，是非饱和冻土研究的重要基础。冻融循环是冻土研究的关键因素。以粉土和黏土为试验对象，采用低场核磁共振（NMR）技术，测得了土体在冻融循环作用下的冻结特征曲线和孔隙结构分布图，研究土体在冻融循环作用下冻结特征曲线的变化。试验结果表明：随着循环次数的增加，土体孔隙分布发生了变化，进而导致冻结特征曲线滞回圈和特征温度点的变化，冻结特征曲线变化的本质是孔隙结构的变化；从微观结构出发得到了基于孔隙结构的SFCC表达式，指出融化过程的冻结特征曲线是主冻结特征曲线；结合试验数据的对比分析，模型有效展示了多次冻融循环下土体冻结特征曲线的滞回效应，适用于多次循环下的非饱和冻土。     

季冻地区路基中的水分迁移机理及处理措施

在季节性冻土地区，冬季土体冻结，路基产生冻胀；春季冻土融化，路基产生翻浆、冒泥，对公路造成危害。而水分迁移又是产生冻胀的直接因素，所以研究冻土中的水分迁移机理及处理措施很有实际意义。     

有限单元法在人工冻土冻胀数学模型分析中的应用

建立了冻土中的热传导模型.在计算冻胀时,利用水分入流量和时间关系计算水分迁移引起的冻胀应变;利用已冻土中未冻含水量和温度关系,求原位水的冻胀应变,将冻结引起的体积膨胀系数作为负的热膨胀系数.利用MARC程序中热应力的计算程序计算外界迁移水和原位水的冻胀位移;两项位移之和为总冻胀位移,并利用冻胀率和荷载的实验公式来考虑荷载对冻胀的影响.采用有限单元法对二维水平冻结模型进行了数学模型分析.通过验证,证明所提出的有限元模型及相关参数,可以结合有限元计算软件用于计算冻土中的冻胀量,分析其在外界荷载作用下对环境的影响.     

冻融循环作用下多年冻土区公路路基三场耦合分析理论模型

冻土体在冻胀、融沉过程中受控于土体中的水、热、力的变化规律,其本质是冻土多孔介质中颗粒、冰晶体、未冻水这3种物质在温度势、土水势、压力与变形等外界因素作用下的相互运动、迁移、扩散与相变。基于饱和冻土冻融循环过程中,土水体系冰-水相变及未冻水的迁移规律,采用热物理学基本原理,推导了冻土水、热、变形三场耦合的理论架构模型与基本方程。同时选取青藏公路典型路面建立冻土路基二维数值计算模型,对其趋势和规律进行了初步分析,验证了构建的三场耦合理论框架的合理性和可行性。     

多年冻土地区路基冻胀变形分析

首先模拟气候因素变化过程,得到不同时期冻土路基温度场分布,温度场随时间的变化可以反映出冻结相变区的变化,然后考虑土体体积力和土体冻结相变产生的冻胀力,采用考虑拉破坏的热弹性力学方法,分析得到多年冻土地区路基变形分布和演变规律;在此基础上,对冻土路基纵向裂缝的成因进行研究,揭示出冻土路基纵向裂缝主要出现于路面中部及路面靠近路肩部位,这与实际情况是相符合的。进一步的分析表明:采用低冻胀性的土填筑路基,如采用碎石土填筑,对于降低冻土路基冻胀变形及防治纵向裂缝病害是有效的。     

联络通道冻结法施工三维力学分析

应用人工冻结土体技术开挖隧道的联络通道,涉及到土体冻结的热力学作用以及冰冻土体与隧道结构相互影响等一系列复杂的物理力学过程。采用FLAC3D建立主隧道、联络通道及冻结管的三维数值模型,综合考虑了温度计算、冻土与非冻土的转变及土体的冻胀作用,研究了人工冻结法对隧道管片及周围土体的力学响应。通过对冻胀率参数敏感度分析,研究土体冻结变形、冻胀力及隧道管片内力的变化,所得到的初步结果对冻结法施工有着实际的工程意义。     

冻区盐渍土水热耦合效应及对力学性能的影响

水份迁移和温度场变化是引起路基冻胀融沉的直接因素.针对冻区高氯盐渍土,经水热场耦合作用后水份迁移和温度场分布规律进行了室内动态试验,研究了水热耦合作用对力学性能的影响.结果表明:单向冻结过程中,水份向温度较低的地方迁移,迁移量随土体深度的增加而增加;水热耦合作用后的土体冻结强度有不同程度上升,提升后的强度随土体深度增加而降低,远离冻区端因盐晶析出导致土冻结强度有所回升.     

压实黄土路基导水参数的试验研究

基于黄土路基压实后土体的基本性质,根据路基土中水分运动的基本方程,通过室内一维土柱入渗试验,得到不同压实度的黄土湿润锋湿度与平均湿度、水分入渗速率的关系曲线。由黄土中水分再分布过程确定压实黄土路基的导水参数和水分扩散参数,并分析压实黄土路基内水分迁移,得出相应的黄土路基中水分入渗规律,为黄土路基严格控制压实度提供重要的理论依据。     

季节冻土区高铁路基保温层稳定作用研究

针对西宁至成都高铁若尔盖湿地段路基工程，基于传热方程、水分迁移方程与力场平衡方程建立季节冻土区高铁路基冻胀的水热力耦合模型，对比分析普通路基和保温路基的温度、水分和位移特征差异。结果表明：保温层有效降低路基的冻胀量，同时减小左右路肩的冻胀量差；保温路基与普通路基的总含水量分布相似，由于保温层将冻结锋面完全阻止在保温层内，其冻深远小于普通路基。     

不同冻结方式下高山草甸区路基冻胀变形研究

为了研究不同冻结方式下高山草甸区贡觉～芒康公路路基季冻土的冻胀变形特性,基于室内冻胀试验,分析了路基土在单向冻结和周围冻结条件下的冻胀变形特性。试验结果表明:两种冻结方式下,土中含水率、细颗粒含量与冻胀变形率均为正相关关系;在含水率、细颗粒含量相同的情况下,土在单向冻结情况下的冻胀率小于周围冻结的冻胀率;实际工程中设计路基土级配时,初始含水率宜控制在最佳含水率即8%左右,土中细颗粒含量宜控制在9%左右;在单向冻结情况下,土中初始含水率和细颗粒含量均对土的冻胀变形率有明显影响,初始含水率的影响更明显;在周围冻结情况下,初始含水率对土的冻胀变形率有明显影响,细颗粒含量对土冻胀变形率无明显影响。     

拱北隧道管幕冷冻施工中的冻胀控制技术研究

以港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道为工程实例,研究管幕冷冻法工艺中地层的冻胀控制原理和技术。基于热力耦合原理,采用有限元预测人工冷冻过程中的土体温度变化及地表冻胀位移,比较和分析管幕周围土体预注浆和采用限位管模式对地表冻胀的控制效果。结果表明： 管幕周围土体的预注浆降低了土体的渗透系数及冻胀率,抑制了土中水分迁移,是冻胀控制技术的主体;限位管有效地降低了冻土的发展速率,加强了冻胀控制效果,是冻胀控制技术的有效补充。通过对现场地表冻胀实测数据与有限元模拟结果的比较分析,从地层温度和地表位移分布规律说明了冻胀控制技术的工作原理。研究结果为拱北隧道的顺利实施提供了技术保障,提高了我国复杂条件下超大断面隧道建造的总体技术,还可为类似人工冷冻法隧道施工提供技术参考。     

Mechanism Analysis on Subgrade Frost Heaving in Seasonal Frozen Region

为掌握季节性冰冻地区路基冻胀机理,减少由于路基冻胀融沉而产生的路面开裂、沉陷及翻浆病害,在重冻区路基中埋设了温度传感器,进行冰冻期路基温度自动监测,同时,对季冻区典型道路冻害进行了钻探调查.结果表明:上路床降温幅度大,降温速率高,路基土发生了快速原位冻结;下路床降温幅度小,降温速率低,发生了充分的水分迁移及焦聚现象,为聚冰带出现的深度;不同路基土质中冰的存在形式不同,且不同形式冰结构出现的深度和含水量呈现出一定的规律性;聚冰带出现的平均深度范围为1.08～1.65 m,含水量平均分布范围为14.7％ ～23％,含水量最大值均接近或超过了土的塑限含水量,冰晶析出,构成冻胀量的主体部分.在上述研究基础上,发现季节性冰冻地区路基冻胀是一个因路基密实程度和湿度不同,随着冷量推进和水分迁移热平衡状态不断形成和破坏,产生不同形式冰结构构成冻胀量的过程,建议通过排水、阻水措施控制路基湿度,并加强路基填料的均匀性、密实性控制,从而减少和防止路基冻害的产生.     

季冻区粉砂土路基水、温变化监测与分析

粉砂土介于细砂土和粉土之间,颗粒组成中黏性颗粒含量较少,用其填筑的路基含水率变化范围较大且与路基温度变化有一定的关系,在负温条件下由于水分的迁移积聚会加剧路基的冻胀。为了研究季冻区粉砂土路基的水、温变化规律及其对路基冻胀的影响,选择典型粉砂土路基,利用自主研发的监测设施对试验段路基水、温变化进行监测和分析,结果表明:路基在冻结过程中,水分在温度梯度的作用下,越往路基上层迁移积聚现象越显著;在路基不同深度处,由于温差和含水率的不同冻结单位厚度(即0.2m)土层所需的时间也有所差异;填方路基由于边坡的存在,距边坡较近处路基土的温度要略高于路中线处路基土的温度,冻融所需时间也短于后者。研究结果进一步了解了粉砂土路基的水、温变化规律及冻融过程,对今后粉砂土路基的施工和冻害防治具有一定的参考和借鉴作用。     

考虑相变作用的冻土路基变形场的数值分析

多年冻土活动层中每年都发生着季节的融化和冻结,并伴生有各种冻土现象。由此产生了多年冻土路基冻胀、融沉、纵向裂缝、反拱及波浪等一系列病害。冻土的冻胀融沉特性是导致道路工程冻害的直接原因,为了进一步定量描述其特性,本文建立了冻土路基变形场的二维数值计算模型,并应用有限元的方法求解路基土体冻结时变形场的分布规律。通过对土基范围内冻胀带对路基土体变形场作用的研究,进一步分析了冻土路基破坏的机理。     

人工冻土冻结过程分析及冻结管布置间距的计算

为确定在冻土冻结过程中冻结影响范围与冻结时间的关系,将人工冻土冻结过程拆分为土体表面的热散失和冻结管的冻结2个过程,并以热势能及热势能耗散过程中的平衡方程分析上述关系。为确定冻结管间距的合理取值,引入热势能理论并计算当量热阻,建立在多个冻结管影响下微元体的冻结时间方程,提出一种在多个冻结管作用下冻结影响范围与冻结时间的关系的计算方法及冻结管布置间距的确定方法。通过实例分析了人工冻土厚度的计算方法,以数值模拟方法比较了不同冻结管布置对冻结时间的影响。上述研究成果深化了人工冻土理论研究与实际应用之间的关系。     

冻土导热系数的聚合模型研究及试验验证

为揭示土体冻结过程中导热系数的变化规律,建立基于均质球形颗粒的聚合几何模型。该模型由若干半径相等的球形土颗粒在正交方向上堆积而成,且土颗粒之外的区域全部被液态水填充。依据孔隙水首先在远离土颗粒的区域开始冻结的客观规律,建立冻结核在球形颗粒之间的几何中心产生并呈同心球向外扩展的聚合模型。基于土颗粒、水、冰的三相组成,从饱和冻土的组成和球形颗粒之间的接触等微观角度出发,建立导热系数的混合流计算方法。依据建立的几何模型和未冻水含量测试结果,结合给出的导热系数混合流计算方法,能够确定冻土在不同负温阶段的导热系数。另外,给出修正的正交热传导几何模型以计算不同干密度冻土的导热系数,并将混合流计算方法得出的预测值分别与Johansen法、Wiener法的预测值和探针法的实测值进行比较。研究结果表明：提出的混合流计算方法能够高精度地预测高温冻结阶段砂土的导热系数;聚合几何模型解答了干密度较大的土体冻实后的导热系数不一定较大的现象,具象地揭示出冻土导热系数随不同负温变化的原因是土中冰体含量的动态变化;依据冻结核产生位置建立的混合流导热系数计算方法,赋予了Wiener法在冻土导热系数预测中的具体物理意义;聚合模型和混合流导热系数计算方法能够对冻土在不同负温阶段的导热系数进行可靠预测,该研究期望为寒区和冻结法中的水-热-力耦合问题研究提供保证。     

冻融作用下水分迁移对压实黄土强度影响的宏微观试验研究

在季节性冻土区，冻融作用下土体的水分迁移及其伴生现象会诱发黄土路基发生病害，探明冻融作用下水分迁移对压实黄土强度的影响及其机制，对于黄土地区路基工程冻融病害防治非常必要。采用大尺寸设备对洛川黄土开展单向冻结-双向融化作用下的冻融循环试验，对土体温度场、水分场均加以监测，并在此基础上进行直剪试验和电镜扫描试验。结果表明：土体温度场在每级负温作用下50 h达到稳定，单向冻结完成后冻结深度为46 cm；含水量在冻结区增加，在未冻结区减小，土体融化后水分回迁但回迁量小于冻结时的迁移量；土体剪切强度与含水量分布沿土体轴向呈现出较强的一致性，冻融后土体强度随含水量增加而降低，临界冻结锋面处强度劣化效应最明显；随着冻融循环次数的增大，土体孔隙面积和分形维数均表现为增加，其中微、小孔隙减少，中、大孔隙增加，冻融循环7次后土体微结构基本趋于稳定，土体强度与孔隙面积成反比例关系；土体在冻-融过程中，冻结区水分的显著增加是造成土体强度衰减、孔隙增多的重要原因。     

硫酸盐渍土水-盐-热-力四场耦合理论模型

针对硫酸盐渍土盐胀过程中较为欠缺的四场耦合理论,在已有的冻土三场耦合模型的基础上,建立了盐渍土水-盐-热-力四场耦合动力学模型。首先,基于水动力学模型和质量守恒定律,在水分场方程和盐分场方程中分别引入等效含水量和等效含盐量的概念,以此为耦合因子简化了水-盐-热耦合模型,不仅考虑了溶质扩散及水动力弥散的作用,还考虑了结晶盐-盐溶液相变(化学反应)对盐分迁移,以及结晶盐相变潜热对温度场的影响。其次,根据能量守恒定律,增加结晶盐的相变潜热,使温度场方程更符合工程实际情况。同时,在建立应力场方程时,盐胀部分由溶质的摩尔质量差进行计算,冻胀部分由原土中的部分水加上迁移来的水减去硫酸钠结晶所需要的水进行计算,从而推导出了应力与水分迁移、盐分迁移以及温度的关系,完善了盐渍土四场耦合理论。最后运用该理论模型,计算分析了新疆某公路盐渍土路基的盐冻胀变形过程。结果表明:计算所得地温规律、盐分迁移规律和盐冻胀规律与实测结果基本一致,计算与实测结果均表明,从秋末至来年春季,硫酸盐渍土路基经历了降温到升温的温度剧烈变化阶段,此阶段路基的变形过程可分为平稳区、缓慢盐冻胀区、剧烈盐冻胀区、盐冻胀变形滞后区、缓慢沉降区、剧烈沉降区6个部分。     

冻土路基水热迁移问题的理论模型及数值模拟

路基不均匀沉陷和冻胀变形、纵向裂缝等是多年冻土区或是季节冻土区道路工程的主要病害,路基中的热状况与水分状况及其变化是引起冻害严重与否的主要因素。路基中热量的差异和改变引起水分的迁移与转化,而传统的等温模型不能确切地反映温度变化条件下路基中水分的迁移。该文在土体水分等温模型的基础上,建立水热耦合迁移数值模型,引进非等温扩散流方程,提出在水热梯度共同作用下的二维水热迁移的理论模型,并以青藏公路K3363 880路段为对象,进行水热耦合计算,证明模型的有效性,从而进行温度场和水分场变化规律的研究。     

非饱和土体补水过程水分迁移数值分析

为了模拟地下水在路基中的上升过程,在室内对小型试件进行底部补水试验,动态观测土样含水量随时间及试件高度的变化过程,分析不同时刻湿润锋面上升速率与试件高度的关系,并通过建立一维非饱和土体水分迁移数值方程模拟该试验中土样含水量的变化状态。结果表明,水分迁移方程数值模拟的结果与实测值吻合较好;土体水分运动参数是影响数值模拟结果的重要因素之一。