三轴加载条件下路基软土微观结构演化研究

为了从宏、微观角度研究受力全过程中土的微观结构演化及损伤机制,对武汉地区路基软土开展了一系列K0(静止土压力系数)固结不排水三轴剪切试验、扫描电子显微镜试验和压汞试验。基于分维理论和图像处理技术,对微观结构参数进行了分析。研究结果表明:武汉地区路基软土的孔隙具有多重分形特征,并据此确定微孔隙、小孔隙、中孔隙和大孔隙的孔径分界点分别为0.03、0.50和7.00μm。其中孔径为0.50~7.00μm的孔隙整体上具有更强的自相似性,将其定义为特征区间,该区间的表面分形维数随着应变的增加而减小。软土损伤在微观上表现为团聚体解体,并伴随着孔径分布与孔隙形态的演变,孔隙面积比与孔隙形状系数随着应变的增加分别非线性增大和非线性减小。微观结构演化全过程可分为结构微调、损伤发展和结构破坏3个阶段。提出的微观结构因子能够有效揭示软土宏观力学性质的变化。

汽车顶盖前横梁上板回弹发生机理及整改措施

以长城公司某车型汽车顶盖前横梁上板为例,介绍了其冲压工艺设计、回弹发生机理及控制要点。探究了利用CAE软件对生产现场制件回弹缺陷进行分析,制定对应回弹补偿策略,运用数模重构技术,对现场模具进行二次整改,保证产品最终质量的方法。对同类制件冲压工艺开发、模具设计制造及现场生产整改具有一定的指导意义。

季节冻土山区公路路基阴阳坡效应及其防治措施研究

大量工程实践表明,在寒冷山区公路建设过程中,路基阴阳坡效应对冻土区路基的稳定性具有重要影响。以甘肃省南部山区季节冻土路基为例,基于新建宕昌—迭部二级公路试验段的现场监测资料,分析了季节冻土山区公路路基阴阳面的地温和变形差异,提出针对性的两种新型防治措施——措施A(阴坡侧路基下半幅铺设10 cm厚XPS板,阳坡侧路基下半幅铺设6 cm厚XPS板)和措施B(路基下满幅+阴坡坡面铺设6 cm厚XPS板),并通过数值模拟分析了这两种措施控制路基阴阳坡效应的效果。结果表明,在甘肃南部季节冻土山区,山体遮挡作用使公路路基阴阳坡发生转换,对路基横向地温的影响不容忽视,试验段K18+180段阴坡路肩与阳坡路肩地温最大相差6℃左右,公路路基横向地温存在显著的阴阳坡效应。地温的横向差异导致公路路基土体冻深和冻胀变形的横向差异,两个试验段路基中心与阳坡路肩的最大季节冻深在第一个、第二个冻结期内均相差约0.8 m和0.9 m,K18+180段阴阳坡路肩冻胀量差值的最大值为2.8 mm,出现在春融初期。路堤高度为1.0 m、2.0 m时,措施A和措施B都能显著地减小公路路基阴阳坡温度差异,并且控制效果明显优于普通措施(满幅铺设8 cm厚XPS板、满幅铺设6 cm厚XPS板)。建议季节冻土山区公路设计时应充分考虑山体遮挡这一局地因素对路基土体冻融状态的影响,并采取阴阳坡两侧差异设计的结构型式,以减少因阴阳坡现象导致的路基病害。研究结果可为季节冻土山区路基阴阳坡效应及其防治研究以及冻害研究提供参考和借鉴。

祁连山区1961—2014年冻融指数时空变化特征

冻融指数不仅对冻土研究具有重要意义,而且是反映气候变化的有用指标。利用祁连山区11个主要气象站点的逐日温度观测值计算了1961—2014年的年大气及地面冻融指数,分析了这些指数的统计与分布特征,并通过非参数Mann-Kendall检验法、Sen斜率估计法及相关性分析法分析了年冻融指数的时空变化趋势。结果表明:祁连山区近54年来冻结指数呈显著下降趋势,融化指数呈显著上升趋势,多年平均大气冻结指数、大气融化指数、地面冻结指数和地面融化指数大致分布在994.3~1 540.9℃·d、1 828.2~2 376.6℃·d、744.7~1 287.3℃·d、2 706.0~3 542.6℃·d之间;其气候倾向率分别为-6.5、6.5、-7.7、9.1℃·d·a^(-1)。从西北向东南方向,冻结指数表现出中部高,往东西方向逐渐降低的分布特征,而融化指数则相反;冻融指数除了受海拔和纬度综合影响外,还受台站地的坡向、周边地形、积雪深度以及人类活动等因数的影响。冻融指数时间序列的突变点发生在1994—1995年,与其气温的突变相对应;在突变点以后,大气和地面融化指数的增长速率和地面冻结指数的下降速率增大,大气冻结指数的下降速率减小,且在整个研究期间地面冻融指数的变化率均大于大气冻融指数的变化率,说明地面温度变化对全球变暖更敏感。此外,冻融指数与年平均气温和地面温度的线性关系非常强,且年融化指数在年平均地面温度的构成中所占的比重比冻结指数大。该研究结果对于了解祁连山区气候和冻土变化,进一步计算冻土参数变化和进行祁连山生态环境治理具有借鉴意义。

安钢3号高炉铁口区域温度升高的治理

安钢3号高炉中修开炉后,随着冶炼不断强化,炉缸侧壁温度缓慢升高,特别是1号铁口区域两处热电偶温度分别达到439.01℃和436.25℃。认为冶炼强度大幅提高、冷却设备损坏及中修停炉凉炉打水量偏大是造成铁口区域温度升高的主要原因。通过采取强化冷却、加强铁口维护与出铁管理、进行钛矿护炉,以及适当降低冶炼强度等一系列措施,1号铁口区域温度得到有效降低与控制,治理后的温度基本在260℃以下,保证了高炉安全生产。

喜马拉雅山区公路桥涵病害类型及特征研究

以喜马拉雅山区公路桥涵作为研究对象,基于现场典型病害调查数据,系统论述了喜马拉雅山区公路桥涵病害类型、发育特征以及影响因素,提出了相应的病害整治措施建议。调查结果显示,喜马拉雅山区公路桥梁上部结构梁板铰接缝与翼缘渗水泛碱病害和桥面铺装病害较为普遍,病害率分别为25%和42%。下部结构的桥墩病害主要表现为基础冲刷(12.5%)、桥台台前护坡和耳墙破损(25%)以及桥台背墙渗水、腐蚀、掏空(29.17%)。桥梁附属构造物常见病害为伸缩缝病害、锥坡病害以及导流工程病害等,其中62.5%的桥梁病害出现在伸缩缝位置。涵洞的主要病害主要有涵洞盖板和翼墙开裂倾斜、涵洞进出口堵塞、波纹管涵断裂以及涵背跳车,并且大约60%的涵洞病害位于多年冻土区涵洞进出口位置。公路桥涵工程病害主要是由于环境因素(气候环境、地形地貌、人类活动)和工程因素(设计、施工、养护、建筑材料)所致。因此,建议建立喜马拉雅山区公路桥涵病害数据库,形成“空-天-地”一体化综合监测系统,研发病害防治新技术,做好定期养护维修,提高公路桥涵的服役性能。

环境因素对增压汽油机性能影响研究和修正计算

通过分析一台缸内直喷增压汽油机在相同测试设备条件下不同季节的性能表现,探索环境因素与发动机性能表现的内在联系,并采用环境修正因子对发动机性能进行修正。试验结果表明,经过环境修正后的转矩相比修正前,最大转矩偏差从14 N·m下降到9.1 N·m,转矩标准差从3.6~6 N·m下降到1.5~3.6 N·m,下降约40%。采用环境修正对于控制发动机转矩性能差异有比较明显效果,能够在不同测试环境下客观评价发动机的性能指标,对于大批量产品性能一致性评价具有指导意义。

寒区高铁路桥过渡段冻结特征及热影响区域数值分析

随着我国高速铁路网络逐步向寒区大范围延伸,线路纵向上选用了较高比例的桥梁以跨越地形,势必出现大量的路桥过渡段。路桥过渡段使线路纵向上出现了刚度变化以及桥用、路用材料的工程抗冻性能差异,进而引发不均匀的冻胀和融沉变形,产生桥头跳车的可能,降低行车的舒适度和安全性。文章运用土壤冻融条件下热传导理论的基本方程和数值方法,结合哈大高铁的典型工况建立路桥过渡段模型,计算分析其在春季融化期间的冻结特征差异和演变规律,并基于工程优化设计了三种不同的台后填筑模式,得到冻融条件下该气候分区的热影响范围,并基于此分析了冻结圈面积、周长、长宽比和横向热扰动距离等几何指标。计算结果表明,仅考虑热学影响时,在有保温层和无锥台护坡工况下,路桥过渡段的综合效果较好。

哈大高铁路基面冻胀变形特征及工程意义

路基面冻胀量是影响寒区高铁路基在冬季安全运营的关键性指标之一,也是协调轨面变形和判断扣件系统安全储备量的直观因素之一。根据哈大高铁沈阳至哈尔滨段开通运营后的前两个冻融期路肩冻胀量数据及其评估结果,认为现有的冻胀观测结果评估和预测方法对路基面整体冻胀量估计不足,在长期变形预测中并未考虑到一旦地基和基床固结完成时产生的冻胀量对路基和轨面变形的影响。结合哈大线实测路基面冻胀量数据,探讨了观测结果的合理性及应用的方法。分析表明:现在所测得的路肩处路基面的冻胀量只是名义冻胀量,较实际冻胀量要小,简单应用此数据从长远来看偏于危险;考虑到路基面上不同构件在环境条件下的组合效应,单独使用路肩处冻胀量来评估整体路基变形特征存在不足。因此在预测和评估长期路基面冻胀变形时,需结合观测数据和实际工况进行全面合理的分析,以提高路基工后变形和季节性变形预测的可靠度。

季冻区矿山排土场粗粒土冻融界面剪切性能研究

随着我国西部矿产资源的大力开发,季节冻融作用对于高寒高海拔地区矿山排土场的稳定性影响问题日益突出。以西藏某高海拔多金属矿山排土场为研究对象,利用可控温大型直剪仪开展了排土场粗粒土在全融状态下和冻融交界面的剪切试验,并考察砾粒组含量对两种状态下粗粒土剪切强度的影响。结果表明:对于全融粗粒土,其剪切应力—剪切位移曲线呈现应变硬化特征,而冻融交界面剪切应力—剪切位移曲线呈现应变软化特征。同一砾粒组含量条件下,相对于融土,冻融交界面抗剪强度约是其2倍,主要原因体现在两方面:一是冻融界面处冰的胶结作用增加了土体的粘聚强度,试验条件下这一贡献量值约在50～60 kPa;二是冻融界面处水分的润滑作用有所减弱导致滑动摩擦增加,且粗颗粒表面的冰包裹作用增强了颗粒之间脱离咬合的咬合摩擦,因此其内摩擦强度同样大于融土。随砾粒组含量增加,融土、冻融界面黏聚力显著减小,而内摩擦角显著增加,但相较于融土,冻融界面处黏聚力减小幅度较小而内摩擦角增加幅度较大。

青藏高原多年冻土区热喀斯特湖水文特征及环境效应

全面认识热喀斯特湖水文过程的季节变化特征是准确评估其生态环境效应的关键。以青藏高原典型热喀斯特湖为例,基于2018—2020年水文气象要素的野外观测及计算,分析热喀斯特湖的水文特征及产生的环境效应。研究结果表明:①春季降水补给热喀斯特湖,迅速升高湖塘水位,其中湖塘的储水量与湖塘水位之间存在较好的幂函数关系;②湖面年均蒸发量和湖冰年均升华量分别可达738 mm和198 mm,受温度升高的影响,未来有增多的可能;③热喀斯特湖水中离子质量浓度在暖季初期和后期较高,冷季湖冰形成过程中自净作用和地球化学过程的影响使各离子表现出不同的迁移机制。受局地因素的影响,热喀斯特湖的水文要素呈明显的季节变化特征,水文循环过程会引起多年冻土退化、湖岸坍塌后退、水环境恶化、温室气体释放、土壤盐渍化、植被退化等,未来研究需对整个高原地区热喀斯特湖的环境效应进行全面评估。

兰州九州重塑黄土的抗拉变形破坏机理

通过对不同干密度及含水量的重塑黄土进行室内抗拉强度试验,探究轴向压裂法致使试样破坏的机理及一般规律。结果表明,黄土的抗拉变形破坏可分为4种类型:I类,高干密度低含水量(干密度大于1.65 g·cm^(-3),含水量小于15%),抗拉强度介于8~12 k Pa;Ⅱ类,低干密度低含水量(干密度小于1.60 g·cm^(-3),含水量小于15%),抗拉强度介于4~8 k Pa;Ⅲ类,高干密度高含水量(干密度大于1.65 g·cm^(-3),含水量大于17%),抗拉强度介于4~8 k Pa;IV类,低干密度高含水量(干密度小于1.60 g·cm^(-3),含水量大于17%),抗拉强度介于3~4 k Pa。I类、Ⅱ类破坏类型属于脆性破坏,Ⅲ类、IV类属于塑性破坏。重塑黄土抵抗变形最弱的含水量为15%。通过对比分析黄土、普通黄黏土、红黏土及膨胀土的抗拉强度发现,在最优含水量处,不同干密度下黄土的抗拉强度均最小。黏性土的持水能力远超过黄土。黏土及膨胀土的抗拉强度均在最优含水量处达到最大值,而黄土的抗拉强度随着含水量的增加持续减小。研究结果对黄土强度特性的理解具有一定的参考意义。

多年冻土区钻孔灌注桩施工过程热力特性研究

钻孔灌注桩水化热会暖化冻土引起桩基承载力下降,以桩基水化热在时间与空间上的影响效应为研究目的,结合青藏公路G214沿线查拉坪旱桥桩基观测数据,分析水化热对地温场的扰动范围以及桩周土回冻时间,给出灌注桩18 d内的养护温度。结果表明:水化热对距桩1.95 m以外地温影响微弱;144 d后桩侧温度降至0℃以下,229 d后桩侧温度低于-0.5℃;2 a后桩侧基本回冻至天然地温,此时承载力已达到设计要求。桩基混凝土养护温度前5 d在10℃以上,5~12 d在5℃以上,12~15 d为2℃以上,15~18 d仍高于0℃。通过数值仿真给出混凝土入模温度及桩基施工时间对桩周温度场的影响,模拟结果显示,该区域的灌注桩施工可以在相应规范规定范围内提高混凝土入模温度;灌注桩施工可以在冷季进行,但要做好5 m以上深度桩基混凝土的温控措施。

纳米材料在土体改性方面的研究进展

随着纳米技术的发展和多学科的交叉应用,纳米材料作为一种新型添加剂应用于土体改良。为深入认识纳米材料对土体性质产生的影响以及作用机理,提高对纳米技术与岩土工程之间关系的理解,对不同类型纳米材料在土体改性方面的研究现状、有效性、适用性进行回顾与总结。重点讨论了纳米硅溶胶、纳米二氧化硅、纳米黏土矿物、纳米氧化铝等纳米材料对土体改性的影响,结合宏观力学性质以及微观结构变化解释纳米颗粒与土颗粒之间的相互作用机制。纳米粉末状颗粒通过提高抗压强度、降低水力传导系数加固土体;利用纳米硅溶胶、膨润土悬浮液、硅酸镁锂的可渗透性和触变性缓解土体液化。尽管相关试验研究表明添加少量纳米材料可引起土体性质的显著改善,但是大部分研究仍局限于室内试验,需要进一步探索易于现场施工、成本低、环境友好的新方法和新技术。

硬脆性岩石多尺度损伤蠕变模型及长期强度研究

从损伤累积角度,考虑在应力溶蚀作用下微裂纹的亚临界扩展,在硬脆性岩石多尺度摩擦损伤耦合力学模型的基础上,探究细观时效损伤的演化规律。在摩擦准则中引入时效损伤变量,构建合适的时效损伤演化准则,进而推导宏观非弹性应变和细观损伤之间的定量关系,建立可完整反映硬脆性岩石蠕变曲线三阶段特征的多尺度损伤蠕变本构模型。以裂纹损伤应力作为反映硬脆性岩石长期强度的指标,结合摩擦损伤耦合分析和细观时效损伤演化规律研究,获得硬脆性岩石长期强度的解析表达式和模型参数的跨尺度标定方法。运用提出的多尺度损伤蠕变模型模拟向家坝砂岩的三轴压缩蠕变试验,验证模型的准确性和有效性。研究结果表明:提出的蠕变模型不仅完整地描述了不同应力水平下硬脆性岩石各阶段的蠕变特征,而且充分考虑了应变历史对时效损伤的影响。此外,长期强度的解析表达式也为蠕变试验荷载的分级提供理论依据。

春融作用对寒区机场土面区工作性能的影响

为研究春融期间温升效应影响下寒区机场升降带土面区导热性能及剪切强度变化规律,通过预埋温度传感器、稳态平板法和快速直剪法,制备了含水率分别为15%、17%、19%和21%,压实度分别为90%、95%和98%的冻土试样,分析了内部温度场变化、导热系数变化和快速直剪实验结果,得到了冻土试样导热性能及力学性质的变化特征,总结了春融过程对土面区工作性能的影响.结果表明,冻土试样内部温度场在温升过程中发生了剧烈变化,冻结核的存在使其融化过程呈现4个阶段,包括快速升温期、缓和融化期、加速融化期和已融化期.通过对12组冻土试样的导热系数变化规律分析,发现温升过程中导热系数整体下降但仍存在波动变化,与内部温度场变化规律一致.通过分析60组冻土试样分别在环境温度为-5、-1、3、7和11℃时的快速直剪实验结果发现,在温升过程中压实度提高使抗剪强度变大,含水率增加使抗剪强度减小.

青藏高原热喀斯特湖与多年冻土的相互作用

为深入理解热喀斯特湖与多年冻土间的相互作用,本文以青藏高原北麓河盆地典型热喀斯特湖区域为例,构建考虑热传导和热对流过程的水-冰-热耦合模型,对热喀斯特湖作用下的多年冻土退化特征及热喀斯特湖的水均衡进行模拟,计算地质环境和气候变暖对热喀斯特湖水均衡和冻土的影响。研究结果表明:热喀斯特湖周围冻土逐步退化并形成贯穿融区,导致地下水循环模式发生改变;在地表温度作用下,形成的活动层厚度为3.35 m;热喀斯特湖在整个模拟时段内表现为负均衡,其排泄量在285~388 a间显著增加;地层渗透性能决定了热喀斯特湖和生态环境的发展方向;气候变暖加速多年冻土向季节冻土转变。研究结果可为进一步认识寒旱区生态水文过程提供科学依据。

平板锚基础在砂土地基中抗拔承载力

准确预测砂土中平板锚的抗拔承载力,对海上浮动可再生能源装置的锚泊稳定性评估具有重要意义,为此,基于二维有限元技术,采用修正Mohr-Coulomb(MMC)本构模拟中密-密砂的应变软化行为,并利用开发的用户子程序,研究条形平板锚基础在砂土地基中的抗拔承载力。通过与有关理论解及其他离心机试验结果的对比分析,验证有限元模型的可靠性。一系列参数分析表明,平板锚的埋置深度对抗拔承载力有较大影响,与H/B=1相比,H/B=10处承载力系数高273%;砂土相对密度越大,抗拔承载力越大;致密砂(D_(r)=100%)和松砂(D_(r)<33%)相比,承载力系数提高25%;平板锚的摩擦因数对抗拔承载力系数几乎没有影响。根据数值模拟的结果,对平板锚基础在中密及密砂地基中不同深度处的抗拔承载力系数公式进行校正,为平板锚基础在中密砂以及密砂地基中的应用提供了理论依据。

季节冻土区高铁路基冻胀研究进展及展望

随着我国高速铁路建设的快速发展,穿越广阔季节冻土区的高速铁路越来越多,工程面临的冻胀问题已成为研究和工程人员关注的焦点,并取得了许多研究成果。基于前人研究,总结了我国季节冻土区高速铁路路基冻胀特点和分布规律,探讨了高铁路基粗颗粒填料的冻胀特性及其影响因素,分析了路基在冻融过程中水热变化情况,讨论了现有高铁路基防冻害措施以及其适用性。在此基础上,提出季节冻土区高铁路基冻胀研究面临的主要问题及展望,为季节冻土区高铁路基冻胀及其防治工作研究提供新思路。

滨海高速公路软基变形规律及沉降预测应用

滨海高速公路因软土欠固、海盐侵蚀和鱼塘开挖等因素导致路基出现一定程度的差异沉降,对高速运行车辆造成严重的安全隐患。为了探讨软土路基沉降变形规律,对路面沉降量、水平侧向位移和路基裂缝间的关系进行分析。基于路面实测沉降资料,建立以误差平方和倒数与误差绝对值倒数为基础的变权重组合预测模型。工程实例分析表明,当路面累积沉降差大于等于60 mm和水平累积侧向位移大于等于30 mm时,软土路基路面会出现反射裂缝。此外,利用统计学原理合理分配4种拟合优度较大的成长曲线模型的预测误差而建立的变权重组合预测模型比单项预测模型的鲁棒性强,吻合效果好,且满足实际工程要求,可为滨海高速公路软土路基工后沉降预测提供一种实用而有效的方法。