基于pF Meter的土体冻结特征曲线研究

为解决冻土中土体冻结特征曲线(SFCC)长期以来只能通过经验模型间接推测获得,且土体冻结特征曲线(SFCC)与土水特征曲线(SWCC)间关系的相关研究也因技术手段制约而仅停留在理论假设阶段的问题,采用可直接用于极端负温条件下的pFMeter基质势传感器,得到青藏红黏土、兰州粉土、细砂这3种不同粒径土体的冻结特征曲线,获得三者在冻结过程中未冻水数量与能量变化之间的规律;对过去冻土学研究中利用Clapeyron方程间接转换获得土体冻结特征曲线方法的可靠性进行试验验证;此外,针对不同粒径大小土体冻结特征曲线及土水特征曲线进行比较,并对以往冻土冻胀研究中将饱和冻土中冰晶等划为非饱和融土中气体的方法进行验证。结果表明:Clapeyron方程得到的冻结特征曲线与实际测定的冻结特征曲线基本一致,Clapeyron方程可用于土体冻结特征曲线的预测;冻结特征曲线与土水特征曲线虽在形态上具有一定的相似性,但由于冻结过程与脱湿过程土中相的不同所致的各相间界面力不同,导致其在数值上存在一定差异,且差值大小与土体平均粒径成反比,进而证明了被广泛用于冻土研究中的将冻土中冰晶体视作融土中气体来简化冻结过程中冰晶-液态水-土颗粒关系的方法并不合理,并从理论上阐述了其机理;相关研究成果可为后续研究冻胀过程中水分迁移机制与水分迁移驱动力提供相应的基础理论支撑。     

冻融循环后土体细观结构试验分析

以黄土为研究对象,通过多次冻融循环试验,主要分析反复冻融循环下土体CT数的变化及分布规律,并借助图像形态学处理方法对CT图像进行处理,分析冻融循环作用下土体孔隙特征的变化。通过处理CT扫描得到的冻融循环作用下土样灰度图,提取出了土样不同高度处的CT数,经数据分析发现:融化状态下土体CT数同冻结状态下土体CT数变化规律相似,均随着冻融循环次数的增加,土样整体CT数呈降低趋势。有所不同的是,冻结状态下的CT数大于同一次冻融循环中融化状态下的CT数。这表明,冻融循环作用使得试验土体密度减小,且同次冻融循环中冻结状态下土体密度大于融化状态下土体密度。     

反复吸湿循环对原状残积土剪切特性的影响

为了研究反复吸湿循环下天然土体因吸力路径变化引起道路、桥梁等工程土体剪切特性变化的规律,开展了不同围压、吸力和反复吸湿条件下的非饱和土三轴试验研究,从有效应力原理、矿物成分和土水特征曲线(SWCC)滞回特性出发,对不同吸水条件引起的非饱和土剪切特性差异进行多角度分析和解释;同时,研究不同吸水次数后非饱和土体积变化趋势和SWCC滞回特性引起饱和度变化对土体强度的影响,深入分析土体抗剪强度吸水软化的原因。结果表明:脱湿路径下原状残积土表现出的延性和剪缩特性与正常固结土的剪切性状相似,而吸湿路径下土样具有的脆性和剪胀特性与超固结土相符;同一吸力条件下,第1次脱、吸湿路径的抗剪强度差值并不随有效应力的增加而增加;而相同围压下,第1次脱、吸湿路径的抗剪强度差值表现出随吸力增加而减小的趋势;多次吸水后,残积土总体积增加具有不可逆和滞后的特点,土体膨胀性和剪破特性与有效应力和吸力水平有关,应力水平越大,土体应变软化效应越明显;土体软化与水力滞回特性引起土体饱和度的变化和产生的不可逆变形(或累积不可逆变形)有关,多次脱吸湿循环产生的累积不可逆变形是导致土体强度下降的主要原因。研究结果对残积土边坡稳定性分析评价及其治理设计具有重要意义。     

大气作用下非饱和黄土路基湿度变化及影响因素研究

以西北地区的黄土路基为研究对象,以夏秋季节大气作用下的降雨—蒸发作用对路基湿度场、温度场以及变形的循环作用机理为研究目的,采用室内物理力学试验、人工填筑模型试验等多种研究方法,详实展开了降雨—蒸发循环作用下非饱和黄土路基土体含水率、温度、孔隙水压力以及变形的动态响应规律和稳定性研究;并对不同大气作用下,路基土体湿度场、温度场以及横向变形的变化规律和影响因素进行分析。发现非饱和黄土路基边坡在降雨入渗过程中,对应着一个临界入渗强度,路基边坡的表层土体含水率的变化比较明显,中雨对路基土体湿度变化的影响深度最大,路基不同位置土体含水率受到影响的程度不尽相同,非饱和黄土路基中水分的入渗速度要大于蒸发速度。     

城市富水地层大型地下空间管幕冻结规律模型试验研究

为解决管幕+冻土复合结构在大体量冻结工程应用时冻胀规律不明确、控制效果不稳定等难题，基于上海轨道交通18号线江浦路车站管幕冻结暗挖工程进行了开放系统下的模型试验。通过对不同影响因素下的管幕冻结冻胀特性和管幕受力规律进行试验研究，得出以下结论： 1）管幕可以对冻胀产生较好的约束作用，管幕+错峰冻结可以有效避免上覆土体及结构抬升； 2）间歇冻结后管幕受力曲线根据间歇时间呈现规律性锯齿波动，停冻3、5、7 d后，管幕所受冻胀压力分别可以减少约40、50、60 MPa，表明采用间歇冻结可以有效降低冻胀压力； 3）上覆地层压力越大，管幕受冻胀压力越小，较大的上覆压力可以约束冻胀的发展。     

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:...     

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。     

非饱和膨胀土的土-水特性试验研究

以南宁高速铁路弱膨胀土填筑路堤在干湿循环下,土体非饱和特性的变化规律为依托,采用压力板仪法和滤纸法测试,对南宁重塑非饱和弱膨胀土室内的土-水特性进行了研究,并与现场监测情况进行对比分析。研究结果表明:土体土-水特性在干湿循环下,存在明显滞回效应;滤纸法试验值与现场监测值更为接近,所得方程对路堤土-水特征稳定性预测效果更佳。     

冻融循环下橡胶-砂胶结材料力学特性试验

在季节性冻土区，冻融作用将改变桩周土体的强度，并诱发桩基发生病害，研制桩周土体置换材料，探明温度及冻融循环对其力学特性的影响机理，对于季节性冻土区桩基冻融与冻胀病害的防治非常必要。利用橡胶颗粒、砂和聚氨酯胶黏剂制作试样；开展不固结不排水三轴压缩试验，获得不同条件下橡胶-砂胶结材料试样的应力-应变曲线；并通过非线性拟合和回归分析，建立试样切线模量和切线泊松比与轴向、径向应变之间的拟合关系式；据此分析了橡胶-砂胶结材料试样在不同的冻融循环次数、温度及围压等条件下的力学特性。结果表明：橡胶-砂胶结材料试样的应力-应变曲线没有峰值点，为典型的应变硬化型材料；橡胶-砂胶结材料的切线模量介于2.0～9.0 MPa之间，温度对试样破坏强度和切线模量的影响较大，而冻融循环次数和低围压对试样破坏强度和切线模量的影响相对较小；橡胶-砂胶结材料试样的切线泊松比介于0.50～0.75之间，径向应变越大，切线泊松比也越大。相对而言，切线泊松比受冻融循环次数、温度及低围压的影响并不明显，可忽略不计。橡胶-砂胶结材料有望为季节性冻土区桩基冻融与冻胀病害防治提供支撑。     

寒旱区硫酸盐渍土特征温度及盐冻胀特性

针对寒旱区硫酸盐渍土的盐冻胀特性开展了室内试验研究。选取甘肃省河西地区硫酸盐渍土为原料土，以室内人工制备的硫酸盐渍土为研究对象，就含盐量和含水率等因素变化对土体的特征温度(过冷温度和冻结温度)以及盐冻胀变形的影响进行了系列试验研究，基于硫酸钠盐渍土冻结试验，建立了冻结温度的计算模型，通过数值计算结果与试验结果的对比分析，对所提出模型的有效性进行了验证，并对其变化规律以及产生的机理进行了探讨。结果表明：含盐量较高土体在正温盐分结晶析出，含盐量较低土体在负温盐分结晶析出；土体孔隙中溶液的浓度对盐渍土冻结温度以及总变形有着显著的影响，且存在2个临界浓度值，使得低浓度时的特征温度随着溶液浓度的增加而降低，当达到较小的临界浓度值后，结晶盐析出导致特征温度随着浓度的增加而升高，直到浓度达到较大的临界浓度值；在变形方面，溶液浓度较低时，土体变形主要由冻胀引起，反之，当孔隙溶液浓度较高时，变形则主要由盐胀引起，而在2个临界浓度之间时盐胀和冻胀相互制约。     

桂林红黏土干湿循环条件下饱和渗透系数及孔隙特征变化试验

以桂林红黏土为研究对象，采用抽真空饱和法、恒温干燥法对重塑土样作干湿循环，研究对渗透系数与干湿循环次数的关系，并结合压汞和电镜扫描分析不同循环次数下孔隙分布的变化特征。试验结果表明:桂林红黏土具有明显的片状结构，经过反复干湿循环，在孔隙水压力的作用下，孔隙孔径由双峰逐渐变为和原状土相似的单峰，中微孔隙都会向0.1～1.0 μm的小孔隙靠近，孔隙孔径分布范围变小，在此过程中，游离土颗粒会被吸引在团聚体周围，使土粒孔隙形态更加平滑，且迂曲度与循环次数呈对数关系逐渐减小。压实重塑土样在经过3次干湿循环后，孔径结构变化基本稳定，渗透系数与同条件下原状土样相同，可替代无法获得符合试验条件的原状土样的结果。     

水热耦合作用下季节冻土边坡降雨入渗规律及入渗机理

为研究春融期降雨工况下季节冻土边坡水热迁移规律及降雨入渗机理,选取季节冻土区高速公路路堤边坡为研究对象,基于非饱和冻土水热迁移耦合模型结合降雨入渗边界条件,提出了降雨入渗条件下冻土边坡水热耦合理论与数值计算方法,并通过COMSOL有限元仿真软件对冻土边坡降雨入渗过程进行计算,分析不同降雨强度、初始含水率对冻土边坡体积含...     

冻融循环作用下寒冷地区铁路路基泡沫轻质土填料性能衰减规律

通过冻融循环试验和无侧限单轴抗压试验,以水固比、泡沫溶液质量分数、冻融循环次数为控制因素,分析泡沫轻质土物理力学性能衰减规律。结果表明：冻融循环6次前的冻融劣化效应显著,12次之后土体结构趋于稳定;泡沫掺入量为10.0%、水固比1∶1.2时试样的最终强度损失率为24.1%,而泡沫掺入量为6.0%、水固比1∶1.8时的强度损失率仅为6.3%。冻融循环试验后的土样力学强度满足铁路基床应力环境要求,可为泡沫轻质土在寒区路基的应用提供参考。     

不同干湿循环路径下Q2原状黄土强度与微观结构演化试验

为探明不同干湿循环路径对Q₂原状黄土宏观强度和微观结构的影响,考虑地下黄土赋存环境,开展了3种干湿循环路径下的三轴剪切试验、核磁共振测试和扫描电镜试验,分析了Q₂原状黄土强度、微观孔隙分布和土颗粒结构的演化规律与特征,并结合矿物成分变化探讨了相互之间的影响关系。研究结果表明：不同干湿循环路径下,宏观参数-黏聚力与微观参数-孔隙分布、孔隙和土颗粒平均直径均表现出不同程度的劣化效应,参数衰减趋势完全一致,即干湿循环幅度越大,上限含水率越高,衰减越严重,劣化效应越明显。宏观参数-内摩擦角与微观参数-孔隙和土颗粒结构演化特征相似,即内摩擦角小幅波动,孔隙与土颗粒的形态、结构复杂度和排列有序性基本稳定。考虑干湿循环幅度、上限含水率和循环次数3种参数,构建了微观孔隙劣化特征函数,解释了不同干湿循环路径下的孔隙劣化特征,揭示了Q₂原状黄土微观孔隙损伤劣化两阶段发展规律,即波动式损伤积累上升阶段和损伤劣化稳定阶段。相关研究成果可为不同循环路径下的原状黄土宏微观劣化认知提供有益参考。     

温度变化对粗粒硫酸盐渍土路基变形影响分析

粗粒硫酸盐渍土路基在环境温度变化下易出现盐胀、沉陷等变形问题，其对路基正常使用造成的影响不容忽视。针对此问题，依托伊朗德黑兰-库姆-伊斯法罕高速铁路项目，在施工现场选取试验段，开展路基温度、水分的长期监测，分析路基温度和含水率随时间的变化规律。在此基础上，利用自主设计的温度变化试验装置，采用现场路基填料，开展室内温度变化循环试验，对粗粒硫酸盐渍土的变形特性进行研究。结果表明：监测期间，试验段路基温度的敏感深度为0.22 m，深度为1.0 m以内的路基含水率变化较大；在9个周期的试验过程中，试样深度在20 cm范围内的温度和含水率随时间的变化更为显著，且随着试验温度的变化，试样温度的变化存在一定的滞后性；含盐量为1.5%的土样在第1，2次温度变化循环试验中表现为盐-冻胀变形，其最大盐-冻胀变形量为0.128 mm，而含盐量为3%的土样在前6次循环试验中均表现为盐-冻胀变形，其最大盐-冻胀变形量为0.232 mm；由于受到温度、冰盐相变、含盐量、土颗粒组成、试验周期等多重因素的影响，9个试验周期后，不同含盐量的试样最终均呈现沉陷变形，其中，含盐量为1.5%试样的最终沉陷变形量为0.585 mm，是含盐量为3%试样最终沉陷变形的5.42倍。该研究结果可为相关工程提供一定的技术参考和借鉴。     

连续降雨入渗作用下非饱和土路基稳定性研究

为了分析连续降雨入渗对非饱和土路基稳定性的影响，依托G30₁₁线（青海境）察尔汗-格尔木高速公路工程，基于非饱和土路基降雨入渗机理，建立公路路基降雨入渗计算模型，对比分析了非饱和土路基在降雨入渗作用下的孔压、沉降、位移与含水率随时间、空间（水平向、竖向）的分布规律，同时界定了路基降雨入渗影响范围。结果表明:在降雨入渗过程中，地表饱和区域逐渐向路基上部非饱和区域扩展，上部路基基质吸力和土体强度逐渐降低，但土体孔压和含水率逐渐增大。     

酸雨湿干循环作用下百色膨胀土裂隙发育规律及其微观机制

为弄清酸雨与湿干循环共同作用对膨胀土裂隙发育的影响,以广西酸雨重灾区的百色原状膨胀土为对象,室内设置高清照相机观测记录经不同酸雨与湿干循环作用后试验土样的裂隙发展,用Image-Pro Plus(IPP)图像处理软件获取土体裂隙特征参数,并采用扫描电镜(SEM)和X射线衍射法研究试验过程中土样的微结构及化学成分演变.据...     

干湿和冻融共同作用下压实黏性土回弹模量试验研究

以山东济南和黑龙江大庆的两种低塑性黏性土为研究对象,在不同围压、动偏应力、含水率和冻融循环次数条件下,开展两种压实黏性土动三轴试验确定其回弹模量M_R,研究季节性冻土区域干湿、冻融共同作用对天然路基土M_R的影响规律。试验结果表明：试样冻融循环次数越多、含水率高,围压对M_R的贡献越大。动偏应力有两种刚度效应,即动偏应力下因土体逐渐压实产生的刚度增强效应和动偏应力反复剪切造成的土体结构破坏而产生的刚度衰减效应。高塑性土体M_R对含水率变化较为敏感,但敏感性随冻融循环作用显著降低。两种土的M_R在前3次冻融循环中衰减明显,随着冻融循环次数的继续增加,M_R基本保持不变。