单轴压缩过程中冻结砂岩的损伤局部化规律研究

损伤局部化是岩石受荷破坏过程中的必经阶段和破坏前兆特征。本文研究冻结岩石受荷破坏过程中的损伤局部化规律,并探讨初始饱和度的影响。在-20℃下对具有不同初始饱和度的冻结砂岩试样进行单轴压缩试验,并采用数字图像相关(DIC)和声发射(AE)系统采集试验过程中的表面变形和声发射信号,分析了试样表面应变局部化模式与内部微裂纹扩展类型。结果表明:(1)初始饱和度令试样的单轴抗压强度产生阶段性变化,并改变了试样各加载阶段占比和破裂过程中的声发射振铃计数分布特征;(2)以40%初始饱和度为转折点,试样的表面应变局部化模式由拉应变为主变为剪应变为主,初始饱和度超过90%时出现了拉、剪应变同时发展的混合模式,并能与试样的最终破坏形态对应;(3)损伤局部化过程中,试样内部的微裂纹扩展类型与表面应变局部化模式基本吻合。最后,结合不同初始饱和度下冻结岩石孔隙中的相组成分变化,分析了其对冻结岩石损伤局部化模式的影响。本研究有助于加深研究人员对冻结岩石力学性质的认识,为寒区岩石工程破坏与失稳预测提供重要参考。

大埋深富水地层横通道冻结加固设计与施工

针对大埋深富水地层横通道冻结法设计理论和施工经验欠缺问题,以北京东六环改造工程10号人行横通道为背景,系统介绍了该工程的冻结设计方案与主要安全技术措施,冻结壁设计厚度为3.5m,平均温度≤-12℃,运用结构力学方法进行了冻结壁承载能力验算,并根据设计孔位进行了温度场验算,主要安全技术措施设计了防护门、隧道支架和充填与融沉注浆。该工程已安全顺利完成结构施工,开创了国内埋深最大富水地层横通道冻结工程,为后续类似工程提供了宝贵经验。

开放系统下非饱和季冻土分凝冻胀防治措施

随着西部大开发和振兴东北等重大区域性战略的实施,季冻土区土体的冻胀防治问题逐渐引起人们的关注。实际工程中冻胀主要发生在受季节性温度影响的非饱和土中,其防治措施的选择成为亟待解决的问题。分析总结了土体冻胀产生的原因与处理措施,从土体改良、控制温度、控制水分、改变基础形式等方向出发,简要评价了每种冻胀防治措施的利弊,指出将不同的方法择优组合应用是目前主要的研究方向。

川西高原高海拔寒冷地区隧道施工管理

川西高原地区地形条件复杂,环境恶劣,面临的除了隧道建设本身地质条件复杂多变对施工的影响外,还有高原隧道施工所处的恶劣的自然环境,其中最主要的是高海拔地区高寒、低气压缺氧条件,带来的如施工过程中对作业人员健康不同程度威胁,机械故障率增高、工效显著下降,冬期时间长、防冻保温困难,高原地区生态脆弱、恢复时间周期长、植被恢复难度增大等难题。问题多、难度大相互叠加加剧了工程施工管理难度,增加了工程施工成本,提高了工程施工风险。文章通过川西高原国道317线雀儿山隧道、S450线邛崃山隧道等多条隧道施工管理,从前期策划到过程施工的全链条管控,总结形成川西高原高海拔寒冷地区隧道施工经济、有效的管理措施及办法。

基于光纤传感技术的地铁隧道冻结法施工监测

为了掌握地铁隧道联络通道冻结法施工中冻土的温度场和应力场,提出一种基于光纤布拉格光栅(FBG)传感技术的冻结法施工实时监测方法.在低温潮湿工作环境下,FBG传感器比传统电子式传感器在精度、灵敏度以及稳定性等方面存在较大优势.基于此,首次提出了整合FBG传感器的冷冻监测管设计方案及安装方法.通过在联络通道冻土帷幕左右两侧监测孔内布置FBG传感器,对冻结法施工过程中的冻土温度和应变进行实时监测.根据FBG传感原理并采用小波变换去噪方法对原始温度和应变监测数据进行分析,获得了冻土温度和应变沿厚度和深度方向的分布模式,为进一步认识冻土帷幕的形成和发展规律提供依据.

热参数对冻土温度场的影响及敏感性分析

为评估热参数取值对冻土温度场的影响,将导热系数、比热、潜热作为冻土温度场的影响因素进行试验设计。通过室内试验测定了饱和粉质粘土在不同负温下的导热系数、比热及潜热值,并基于Johansen法提出了考虑冻土未冻水含量的热参数修正算法,按照变参数和常参数形式代入数值分析软件ABAQUS,获取了不同的温度场计算值。将不同负温下的热参数和某负温阶段的平均热参数代入数值分析软件,分析热参数变化对冻土温度场的影响。依据冻结试验获取了冻结150 h的模型箱温度场实测值,并将计算值与实测值进行了比较。结果表明:不同的热参数对冻结初期影响较大,随着冻结的深入各计算值间的差值逐渐缩小。采用一定负温阶段的平均热参数作为恒定热参数进行数值计算,从微观上不能满足精度要求。潜热是影响冻结温度场计算精度的主要因素,考虑不同负温土体导热系数、比热、潜热的计算更接近于实测值。研究成果为寒区水利工程设计和施工提供参考。

基于紧密排列土柱模型的冻土热参数计算

为评估热参数对饱和冻土瞬态温度场的影响,分析冻土温度场的影响因素,提出一种最紧密排列的土柱几何模型,土柱外部被自由水充满.假定冻结在土柱围合区域的中心产生并呈柱状发展,根据任意时刻单元体内部土、水和冰的体积构成,依据Johansen的预估土体导热系数计算方法,建立未冻水含量与导热系数之间的计算关系.依据比热加权计算的原理,结合土体的相对密度及水和冰的密度,获取了土柱模型在不同冻结时刻各相的质量比,确定了未冻水含量与比热之间的计算关系.依据不同冻结时刻土柱模型中的未冻水含量,建立潜热随冻结时刻的变化关系.根据实测粉质黏土的导热系数,结合土柱模型获取其比热、潜热随温度的变化关系.将获取的不同温度下的导热系数、比热和潜热值代入数值计算软件ABAQUS,获取了冻土温度场的计算值.将该计算值与实测值进行对比,表明基于该模型获取的计算热参数值能够较好地预测冻土温度场.

不同负温条件下冻土导热系数的理论模型和试验验证

基于饱和冻土的三相组成和导热系数量纲定义,将冻土简化为由土柱、液态水、冰柱组成的混合物,进而建立了冻土导热系数的几何模型。考虑实际冻土中三相组成的含量随温度变化而不断变化的事实,给出了随温度变化的水柱和冰柱体积计算与演变规律。在此基础上,利用并联体系导热效果的叠加原理,给出了随温度变化的冻土导热系数计算模型。基于热流传递过程中并联与串联同时进行的耦合特性,建立了考虑固-液界面的导热系数计算模型。将预测值与瞬态探针法的实测结果和Johansen法的计算结果对比后发现,该类计算方法能有效模拟不同负温条件下冻土的导热系数,并且具有概念清晰、方法简单等特点。

青藏铁路冻土路基热棒应用效果试验研究

通过青藏铁路沿线典型冻土路段热棒试验路基和对比路基的地温及变形现场监测,研究热棒对多年冻土路基的保护效果。通过对埋置在正线试验路基左侧不同规格热棒周围地温的监测,研究热棒构造对路基降温效果的影响。试验结果表明,热棒显著抬升路基下部多年冻土的天然上限,其最大平均抬升值达1.66 m;斜插方式埋置热棒能使最大融化深度曲线更快地趋于平缓,达到对路基下部多年冻土的整体保护;热棒路基的累计变形远小于未设置热棒的对比路基;热棒的产冷功率越大,其降温效果越好,降温范围也越大。

青藏铁路冻土爆破开挖技术

青藏铁路冻土爆破开挖必须解决高原、冻土、环保三大技术难题。针对青藏线多年冻土区的地质结构特征和对爆破器材的要求,在青藏铁路冻土爆破中,应尽可能采用机械化装药和高威力炸药。现场试验证明在暖季爆破可选用普通销铵炸药和乳化炸药,在寒季拟选用防冻、抗水性炸药。钻孔机械选型建议为:钻孔深度不超过2 0m的浅层开挖爆破可选择麻花钻;钻孔深度2～7m的中深层开挖爆破可选择冲击钻,并可在含碎石的冻土中穿凿钻孔;开挖深度大于5m,且开挖方量比较集中的工点,可选择牙轮冲击回转式钻机。通过冻土中钻孔扩壶爆破试验和深孔爆破试验,青藏高原多年冻土应采用弱松动爆破,炸药单耗一般控制在0 25～0 35kg·m3,一次爆破规模限定在当天爆破当天挖运的方量。

浅覆土下矩形冻结加固的模型试验研究

为获得浅覆土下矩形冻结加固体的温度场分布及冻胀变形规律,以广州地铁6号线穿越3号线的冻结工程为原型,根据相似理论,设计进行了水平冻结的模型试验。结果表明,在地表散热的影响下浅埋冻结工程中紧邻地表的冻结区域降温速度较慢,形成的冻结壁是整个加固体的薄弱环节;冻结过程中冻结壁向内发展较快,其平均发展速度是向外发展速度的1.5倍左右;形成封闭的冻结壁前,采用较高的盐水温度进行冻结,可有效地控制土体的冻胀变形,冻结壁封闭后,降低盐水温度,冻胀变形会明显增加;冻胀过程中产生的冻胀力对上部土层有压密作用,使土层的冻胀变形随着埋深的变浅而减小;对于浅埋矩形地下冻结工程,上部覆土和冻结加固体之间相互影响作用明显,上部土层的散热会影响冻结加固体内温度场的分布规律,而下部冻土的冻胀作用也会压密上部土层。

动水条件下土层液氮冻结模型试验的研究

根据相似理论，首次建立了模拟大流水条件下土层液氮冻结的试验系统．本文详细介绍了试验系统的设计，并对冻结试验规律进行了分析和研究．

长钻孔灌注桩后注浆深度及数值模拟研究

对钻孔灌注桩后注浆深度时的桩顶位移进行了数值计算。当桩端和桩侧注浆的浆液上升55 m时,桩顶荷载为700t时的未注浆桩桩顶位移为9.357 mm,桩侧注浆的桩顶位移为6.99 mm,桩端注浆的桩顶位移为7.11 mm。未注浆桩的计算极限承载力为1 300 t,桩侧注浆桩的极限承载力为1 800 t,桩端注浆桩的极限承载力为1 700 t。2种注浆方法提供桩基承载力的比例分别为38.5%和30.8%。数值结果表明:后注浆技术是减小深厚软土地区桩基沉降的有效手段之一。对深厚软土地区的超长钻孔灌注桩,宜优先选用桩侧压力注浆为主的方法减小桩基沉降,即可简化后注浆装置,又可方便注浆施工;当承载力要求较高、桩较长且桩端有较好的持力层时,可采用桩端桩侧联合注浆。

考虑加载速率影响的冻结含盐砂土强度准则研究

围压、加载速率等外部条件对冻结盐渍土强度影响显著。对-15℃德令哈含盐砂土进行了一系列不同加载速率、不同围压下的常规三轴剪切试验,依据广义非线性强度理论建立了考虑加载速率影响的冻结含盐砂土强度准则。依据试验结果采用二次函数拟合得到了子午面上的破坏函数,分析了加载速率对冻结含盐砂土强度及内摩擦角的影响。通过修正的Lade-Duncan强度准则给出了?平面上的破坏函数,探讨了加载速率对子午面破坏函数及偏平面形状函数的影响。提出的模型能够反映在加载速率、压融以及冰晶破碎等因素共同影响下的冻结含盐砂土强度的非线性特点。

冻结盐渍土三轴剪切试验过程中的损伤及压融分析

三轴剪切过程中损伤及压融等力学性质对冻结盐渍土的强度及变形影响显著。通过对-15℃德令哈含盐砂土进行一系列的三轴剪切循环试验及CT扫描试验,分析冻结盐渍土在三轴试验过程中的损伤演化以及压融量变化规律。研究发现,在三轴剪切中损伤变量随静水压力的变化而改变,在本文条件下当静水压力在1~12 MPa之间时,损伤变量随围压的增加而增加,当静水压力超过12 MPa时,损伤变量反而呈现减小趋势。同时,定义压融阈值ps以及压融量达到最大值时对应的静水压力值pm,研究表明：当静水压力小于ps时,试样内部几乎不存在压融现象;当静水压力大于ps且小于pm时试验内部的压融量可用二次函数描述;当静水压力超过pm时,试样中的压融量达到最大值λm,且压融极值点与损伤变量极值点对应的静水压力值基本一致。

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1.5 m;在近管道处,深度1~4 m,地温受多重因素影响,深度4 m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。

直线排管冻结冻土帷幕平均温度通用公式

考虑到"成冰"公式过于保守以及平均温度理论解的计算公式较为复杂的特点,根据排管布置下冻土帷幕温度场平均温度等效截面法解的形式,利用数值拟合的方法得到了适用于单排、双排以及3排布管形式下冻土帷幕平均温度通用经验公式。在实际工程中常见的冻结管平面布置参数变化范围内,对该通用公式计算结果相对于依据解析解数值积分计算结果的误差进行的全面的分析。结果表明,该通用公式计算结果与精确解的绝对误差能够控制在±1℃以内,相比于"成冰"公式得到了明显的改善。同时,简便统一的计算形式更便于工程实际应用。

爆破法在冻土基坑开挖中的应用

结合工程实例,介绍爆破法在冻土基坑开挖中的应用。对基坑周边采用光面爆破控制其平整性。此次爆破,方案、参数选取合理,爆破效果良好。爆破的结果表明:爆破法开挖冻土基坑效率高,施工简便。基坑周边采用光面爆破不但可获得光滑平整的壁面,且不破坏光面冻土的强度,具有明显的经济效益。

基于方程分析法的土体冻结温度场相似准则研究

方程分析法主要用于解决可以转化为方程式或方程组的问题,其核心思想是将问题中的条件或关系转化为数学表达式,再通过解这个方程找到答案,其推得的相似准则具有明确的物理意义,逻辑严谨,因此被广泛应用。文章利用方程分析法中的相似转换法、相似定数法和积分类比法,结合是否考虑热参数变化受温度影响下的土体冻结温度场模型,分别建立了相似准则,给出了详细的推导过程,并分析了三种方法的异同点,为进一步研究土体温度场模型试验的相似性提供了理论支持。结果表明,对比考虑和不考虑热参数变化的模型,在相同推导方法下得到的相似准则数量存在差异;不考虑热参数随温度变化的温度场相似准则数少于考虑热参数的相似准则数,且具体数量和形式与热参数关于温度的函数有关。

钢波纹管涵在高寒地区的施工技术应用

钢波纹管是一种性能良好的公路建筑材料,此种类型的产品呈现出了较强的耐久性和抗变形能力,施工工期较短、施工安装十分便利等诸多特征,适合应用于高寒冻土区域、软土地基地带和抢险工程施工中,在各项领域中有着极高的优势,文章中以省道203线阿尔山至乌兰浩特公路工程举例说明,在高寒区域公路施工作业开展过程中,结合施工各个阶段,简单论述了钢波纹管涵施工技术的具体应用要点,探讨了钢波纹管涵的整体性能。