循环荷载下冻土变形特性研究现状及冻土开挖问题

讨论了循环荷载作用下冻土的变形特性,总结了前人对冻土变形特性的研究成果。重点阐述了影响冻土变形特性的主要因素,包括土质、含水量、含冰量、温度、围压、动应力振幅和频率对冻土变形特性的影响及其研究现状和主要结论。简要论述了冻土开挖方面的研究情况,并强调了冻土机械开挖方法的重要性。最后针对高效开挖冻土的实际需求,提出了进行冻土变形特性进一步研究的几点建议。

动荷载作用下冻结黏土破坏特性试验研究

对冻结黏土进行单轴压缩试验和振动荷载试验,研究静-动荷载作用下冻结黏土的破坏强度、起始屈服强度、破坏应变、破坏时间、破坏应变比能,并进行对比分析。研究结果表明:冻结黏土破坏强度和起始屈服强度随温度降低而显著增大,振动频率的影响较小;冻结黏土破坏应变和破坏时间随温度降低呈现先增大后减小的趋势,温度的降低导致冻结黏土脆性增强;冻结黏土破坏应变比能是衡量冻结黏土抵御破坏能力的指标,随温度降低而增大,振动频率的影响规律不明显;在振动荷载作用下,破坏强度和起始屈服强度增大,破坏应变、破坏时间和破坏应变比能减小,振动荷载使得冻结黏土脆性增强,并且有利于破坏冻结黏土。

边界条件对多年冻土区高速公路整体式和分离式路基热稳定性的影响

根据青藏高原不同年平均地温区域多年冻土的长期监测资料及附面层理论,分别建立整体式和分离式路基计算模型,分析气候变暖和工程活动作用下多年冻土的变化过程。考虑采用分离式路基来弱化宽幅整体式路基所引起的“聚热效应”,分析不同年平均地温和隔离带宽度下分离式路基对多年冻土的影响。研究结果表明:与窄幅路基相比,宽幅路基具有强烈的吸热特性,导致下部多年冻土退化严重。在路基修筑后第50年,年平均地温为-0.5,-1.0,-1.5和-2.0℃区域的宽幅路基中心下部多年冻土上限比窄幅路基的分别低2.73,3.66,3.67和2.60 m,宽幅路基下部6 m深度多年冻土地温比窄幅路基的分别高0.61,0.87,0.82和0.48℃;两幅分离式路基之间存在相互热干扰作用,使得路基两侧土体温度场呈现明显的不对称性;随着年平均地温的降低和隔离带宽度的增加,路基两侧土体温度场的不对称性逐渐减弱,即两幅路基之间的相互热干扰作用减小。因此,拟建青藏高速公路可使用分离式路基来代替整体式路基进行修筑,且年平均地温和隔离带宽度是分离式路基修筑所要考虑的重要因素。

不同加载速率下冻结黏土的强度及破坏特性

冻土在不同加载速率下的强度和变形特性,是改进冻土机械开挖方法和设备所需的重要参数。通过对冻结黏土进行单轴压缩试验,研究了不同温度和加载速率条件下冻结黏土的强度特性、模量特性和破坏特性。通过分析试验,得到以下结论:(1)冻结黏土的抗压强度和起始屈服应力均随温度的降低和加载速率的增大而增大,且起始屈服应力与抗压强度有很好的线性关系。(2)温度和加载速率对起始屈服模量和切线模量影响很大,不同温度条件下切线模量与加载速率存在对数函数关系。(3)在不同温度条件下,破坏应变和破坏时间均随加载速率的增大而减小。(4)在较大加载速率条件下,温度对冻结黏土的破坏应变和破坏时间影响不明显。

振动荷载作用下冻结砂土强度及破坏特性试验研究

在寒区,工程建设不可避免地涉及到冻土开挖问题,且构筑物也常常受到振动荷载的影响,为保证工程安全运营,有必要开展冻土强度及破坏特性方面的研究。以冻结砂土为研究对象,进行了一系列不同温度、振动频率下的振动荷载试验,通过分析冻结砂土的强度特性、模量特性以及破坏特性,得出以下结论:(1)冻结砂土动强度和起始屈服强度均随温度降低而显著增大,且可用线性关系表示,振动频率对动强度和起始屈服强度影响较小;(2)在振动荷载作用下,温度和振动频率对冻结砂土起始屈服模量和切线模量影响较大,且振动频率的影响程度随温度降低而增大;(3)冻结砂土动弹性模量随温度降低和振动频率增大而增大,且温度对动弹性模量的影响可用线性关系表示;(4)冻结砂土破坏应变和破坏时间变化规律相同,随温度降低而减小,但随温度的降低,动强度逐渐增大,冻结砂土脆性增强。

不同荷载条件下冻土融化沉降过程试验研究

融沉是困扰多年冻土区工程建设与安全运营的关键因素之一。通过室内试验,针对两种初始干密度不同的青藏粉质黏土,在-8~24℃之间正弦波动的周期温度边界条件下,分别开展了无荷载、静荷载及动荷载作用下冻结饱和试样的融沉试验(试样的初始温度为-1℃),研究了试样内部温度、变形、孔隙水压力的时间变化过程。结果表明:温度边界相同时,在不同荷载作用下试样内部温度响应过程差异显著,反映了荷载对冻土融化速率的影响。在无荷载作用下,试样的竖向变形呈线性发展趋势,每次冻融过程中的融沉变形变化不大。在静荷载和动荷载作用下,试样的竖向变形呈先快速增加后逐渐稳定的趋势,且融化沉降变形主要发生在前3~4个冻融循环过程。试验结束时,在静、动荷载作用下试样最终变形量大于无荷载作用下,且干密度较小时竖向变形较大。在动荷载作用下,试样内部孔隙水压力变化幅度大于静荷载,且在前3次冻融循环过程中,动荷载作用下试样内部孔隙水压力消散数值大于静荷载,之后随着冻融循环次数的增加两者差异逐渐减小。试样融沉变形过程与温度变化、孔隙水压力的积累和消散过程密切相关。试验结果可为复杂边界条件下融化固结理论研究和工程中地基土体的融沉变形预测提供依据。

青藏高原公路路基周边风场特征风洞实验研究

路基高度是影响冻土路基工程热力稳定性的一个重要指标。同时,不同高度的路基对其周边风场的扰动也将不同,进而影响到局地的地-气能量交换过程。为揭示不同高度路基对其周边风场特征的影响规律及程度,基于风洞实验,研究了3种环境风速条件下青藏高原典型高度公路路基周边风场分布特征,并进行了量化分区。结果表明:路基坡前为流场减速区,不同高度情况下路基坡前减速区水平范围差异显著。10m·s^(-1)环境风速条件下,3、4和5m高路基坡前减速区水平范围约为1.8、2.2和2.5倍路基高度(H)。在路基坡前减速区0.3~1.1m高度范围内,随环境风速增加,同一水平高度流场在靠近路基过程中风速的变化率呈下降趋势。路基上部为流场加速区,路肩处风速增长幅度与路基高度呈正相关。路基坡后为低速回流区,路基高度越大,低速回流区水平范围越大,10m·s^(-1)环境风速条件下,3、4和5m高度路基坡后低速回流区水平范围分别约为2.0H、3.0H和4.1H。低速回流区后,流场逐渐恢复到初始运动状态,其消散恢复区水平范围与环境风速密切相关,但与路基高度关系不显著,10m·s^(-1)环境风速条件下,3、4和5m高度路基坡后消散恢复区水平范围均约为9.8H。通过考虑路基高度对其周边风场分布的影响,可为块石、通风管、热管等冻土路基结构的设计和布局优化提供参考。

高海拔冻土区通风管路基管内风速及影响因素研究

在多年冻土地区,路基工程的修筑将对下伏多年冻土的热力稳定性产生显著的影响。为保护多年冻土,保证路基的长期稳定性,通风管作为一种对流换热类主动冷却降温措施被广泛应用。通风管内的对流换热强度与管内风速密切相关,针对这一问题,采用现场监测与数值模拟相结合的方式开展了通风管内风速特征及影响因素的研究。结果表明:随通风管管径的增加,管内风速呈抛物线型增加,当管径达到0.6 m后,管内风速增加不再明显;通风管外伸长度对管内风速的影响较小,但随环境风速的增加这一影响逐渐加强;管内风速随通风管的埋设高度的增加呈线性增加,当通风管的埋设高度达到2 m后,管内风速受路基高度的影响较小;此外,在两幅路基并行条件下,受上风向路基的遮挡作用,下风向路基管内风速明显降低,以两幅路基管内风速差值不超过0.4 m·s^(-1)为标准,路基高度为3 m时两幅路基最小间距为50 m。

高海拔多年冻土区高速公路分离式通风管路基的降温效果研究

考虑到宽幅路基的“聚热效应”和复杂的多年冻土环境,拟建青藏高速公路建设所面临的关键问题是如何保证路基的长期热稳定性。基于现场监测数据和传热传质理论,建立分离式通风管路基三维数值模型,分析与预测未来50年通风管在青藏高速公路分离式路基中的工程效果。结果表明:分离式通风管路基具有较好的降温效果,能够保证路基及其下部多年冻土的长期热稳定性。但是,当隔离带宽度小于10m时,后幅路基管道内部风流变化特征受到隔离带宽度的显著影响,导致其对下部多年冻土的降温效果弱于前幅路基。此外,在隔离带较窄情况下,两幅路基之间隔离带区域存在局地增温效应,将对路基及其下部多年冻土产生严重的热扰动,不仅引起多年冻土上限下降、温度升高,而且增加了路基两侧下部土体温度场的不对称性。尝试将两幅路基通风管连通来弱化局地增温效应,但连通后路基及隔离带区域下部土体的热状况反而更差,说明这种方法未能有效解决局地增温效应的热影响。

有压冻融土体孔隙水压力变化试验研究

基于室内试验,开展了周期温度边界和上覆荷载共同作用下土体内部孔隙水压力变化及变形发展规律研究.结果表明:土体内部孔隙水压力的变化同时受到温度、上覆荷载以及冻融周期等因素的综合影响.融化过程中,孔隙水压力在短时间内快速增大后消散.冻结过程中,孔隙水压力先增大后减小.孔隙水压力变化幅度随上覆荷载的增大而增大,在冻融周期为8 h温度边界条件下,上覆荷载由50 kPa增加至150 kPa,试样高度77 mm处孔隙水压力平均变化幅度由13.4 kPa增加至46.0 kPa.冻融周期越大,孔隙水压力的变化幅度越大.在周期温度边界和上覆荷载共同作用下,试样竖向变形呈现阶梯型发展趋势,且量值主要受上覆荷载影响.荷载相同时,冻融周期对试样最终竖向变形值影响较小,上覆荷载为100 kPa时,冻融周期4 h和8 h温度边界条件下试样的最终竖向变形分别为10.5 mm和11.2 mm.