冻结重塑黏土分数阶蠕变本构模型分析

人工冻土的蠕变特性受温度场、水分场、应力场的相互影响,而传统的岩土本构模型未能考虑温度、含水率等因素。为了表达冻土介于理想固体和理想流体之间的某种“勾兑效应”,基于岩土的经验模型,将分数阶导数理论引入其中,建立受水、热、力三场耦合影响的人工冻土分数阶蠕变模型。将西安某煤矿黏土重塑并进行不同温度、含水率的单轴抗压和单轴蠕变试验,得到温度和含水率对冻结重塑黏土强度特性和蠕变特性的影响规律。分析冻结重塑黏土在不同负温、含水率及两种应力等级下的蠕变曲线,得到lg t-lgε曲线的线性关系,进而得出冻结重塑黏土分数阶蠕变模型相关参数与温度、含水率的函数关系。对比分数阶冻土蠕变模型试验值与计算值,发现该模型能够很好地反映冻土在不同应力等级下其蠕变随温度和含水率的变化规律,对指导寒区冻土工程设计与施工具有重要意义。

基于电阻的冻结砂砾土孔隙冰压融效应研究

为验证冻结砂砾土压缩过程中是否存在压融效应,对不同含水(冰)状态与不同冻结温度的砂砾土进行无侧限压缩试验和电阻测试,通过核磁共振测定饱和砂砾土的未冻水含量。结果表明:(1)砂砾土压缩过程电阻均先快速降低后趋缓,仅有干燥样品在应力峰值点后出现电阻增大的现象;(2)电阻快速降低阶段干燥样品的电阻降低率小于饱和冻结样品,−4℃饱和样品该值为26.8%,其值为相同温度下干燥样品的4倍;(3)随温度降低,电阻快速降低阶段的降低率先增加后减小;(4)随温度降低,自由水与毛细水的相对含量快速减小,吸附水的相对含量先小幅增加后缓慢降低。分析认为:冻结砂砾土压缩过程中存在压融效应,这导致样品在受荷过程中高应力区未冻水含量增大,而融水会沿未冻水膜向低应力区的孔隙迁移、复冰进而改变孔隙结构;冻结温度在−2~−4℃区间附近,压融效应更容易发生。

基于含冰量的冻结砂土-混凝土接触面蠕变特性

保证高含冰量冻土区桩基础的长期稳定性是多年冻土区桥梁桩基础安全服役中的关键问题,为研究含冰量对冻土-混凝土接触面蠕变特性的影响,采用自行研制的大型蠕变剪切仪,在−2℃条件下开展含冰量为6%、12%、16%、23%、36%、60%、80%的冻结砂土与混凝土接触面蠕变试验.试验结果表明:在恒定的剪应力作用下,除含冰量为6%试样出现加速蠕变外,其他试样仅出现衰减蠕变及稳定蠕变2个阶段;随含冰量的增大,试样黏性变形占比增大,含冰量为80%试样的黏性变形超过总变形量的80%;稳定蠕变速率受到干密度及含冰量的综合影响,含冰量为16%时稳定蠕变速率最小;Burgers黏弹性模型能较好地模拟高含冰量冻结砂土-混凝土接触面蠕变曲线;随着含冰量的增大,初始剪切模量和稳定蠕变阶段黏滞系数先增大后减小,初始蠕变阶段的渐进剪切模量呈幂函数减小,初始蠕变阶段黏滞系数呈幂函数增大.

岩土材料中冰分布状态的冷冻电镜表征方法

为从微观角度定量描述冰在岩土材料中的分布特征,基于冷冻电镜技术提出了一种微观尺度的实验表征方法。针对不同冰饱和度人造岩芯样品的二次电子图像和能谱分析图,通过元素含量分布、升华前后图像对比确认了冰在岩土材料中的分布状态。随着冰饱和度的增加,骨架孔隙被冰填充、骨架颗粒表面被冰包裹区域增大,样品断面更密实平整,岩土骨架的堆积结构特征变弱。在背散射电子图像中,冰的图像比岩土骨架亮度低、灰度高,基于此构建了冰饱和度的数字图像计算方法。该方法计算的升华前冰饱和度与样品预制冰饱和度偏差小于5%,验证了其可靠性。

圆形抗滑桩-拱形挡土板支挡性能与参数分析

为规避当前施工方法的不足,发展安全、高效和可靠的施工方法。依托东北地区某高速铁路路堑边坡工程,采用适于机械钻孔的圆形抗滑桩代替现行矩形抗滑桩,预制拱形挡土板,本文提出一种新型拱形板-桩墙支挡体系;并构建有限元模型,分析桩长、桩径、桩间距以及拱形挡土板矢跨比对新型拱形板-桩墙支挡体系支护性能的影响;揭示不同参数下桩顶水平位移与桩身内力的变化规律。研究结果表明:桩长与桩身弯矩和剪力大小呈正相关关系,与桩顶水平位移呈负相关关系。桩长超过14 m时,其对桩顶水平位移、桩身弯矩和剪力的影响效应明显减弱;随着桩间距增大,桩顶水平位移增大但变化幅度逐渐减小。拱形挡土板矢跨比增大时,桩顶水平位移、桩身弯矩和剪力均减小。影响拱形板-桩墙体系支挡性能的因素依次为桩间距、桩长、桩径和矢跨比。研究结果为圆形抗滑桩-拱形挡土板支挡体系在实际工程中的应用提供新思路。

冻融循环对季冻土区粉质黏土-混凝土界面剪切性能的影响

为探究季冻土区粉质黏土-混凝土界面剪切性能,进行了不同冻融循环次数、土体含水率和法向应力的粉质黏土-混凝土二元体冻融循环试验和直剪试验,探讨了界面抗剪强度、抗剪强度参数和抗剪强度损伤度的变化规律。结果表明:直剪试验得到的应力-应变曲线均发生应变硬化现象,可分为弹性变形阶段(剪切位移为0~3 mm)和弹塑性变形阶段(剪切位移为4~15 mm);冻融循环对界面抗剪强度有劣化作用,即通过对土体造成损伤,导致界面内摩擦角和黏聚力下降,从而降低界面抗剪强度;随着冻融循环次数增加,界面抗剪强度损伤度增加,当冻融循环进行0、4次,抗剪强度损伤迅速,冻融循环进行12~20次,抗剪强度损伤较缓,最大界面抗剪强度损伤度为25%;土体含水率的增加对抗剪强度有削弱作用,随着土体含水率的增加,界面内摩擦角降低,但黏聚力先增加后减小,当土体含水率为20.7%时,黏聚力达到最大值;法向应力的增加对抗剪强度有增强作用。

青藏高原降雨增加和气温升高对多年冻土水热动态贡献研究

在人类活动和全球气候变化驱动下,青藏高原气候整体呈现暖湿化变化趋势,由此引发的多年冻土活动层水热变化对寒区生态环境和寒区工程稳定性产生显著影响。目前,温度升高对多年冻土的影响机制较为明确,但降雨增加、降雨增加与气温升高共同作用下的多年冻土水热响应过程和机制尚不明确。在考虑雨水感热作用的地表能水平衡-冻土水热耦合模型的基础上,对比研究气温升高、降雨增加单一作用及其共同作用对活动层水热影响机制。结果表明:相比气温升高和降雨增加单一作用,暖湿化复合作用导致地表净辐射通量和蒸发潜热通量增长显著,地表感热降低更加明显,雨水感热影响较小,地表土壤热通量呈增加趋势;暖湿化复合作用下温度梯度液态水通量增长显著,基质势梯度液态水通量在浅层增幅也大于单独升温作用,但小于单一降雨增加作用,暖湿化导致暖季土壤含水率增幅小于单独降雨作用;暖湿化作用下活动层热传导通量在冷季增加显著且增幅小于单独升温作用,而液态水对流传热在暖季增加明显且增幅小于单独湿化作用;降雨增加促使土体暖季降温显著,暖湿化与单一气温升高均导致土体在冷季升温效果高于暖季;气温升高1.0℃引起多年冻土上限下移10cm,降雨增加100 mm促使上限抬升8 cm,暖湿化共同作用导致冻土上限下移6 cm;在暖湿化作用下,降雨增加对冻土降温作用较小,气温升高对冻土的升温效应仍占据主导。

路基填筑短期内热棒高导热性影响

为研究多年冻土区路基填筑短期内热棒高导热性对路基下部冻土温度场的影响,基于水热耦合作用,采用数值模拟方法对路基填筑短期内温度场变化进行了分析。结果表明:受热棒高导热性影响,路基填筑短期内冻结锋面沿热棒下凹;6月填筑,易使坡脚和蒸发段处发生水热侵蚀,7月填筑,冻结锋面最低点深度超过热棒埋置深度,对热棒稳定性最不利,8月和9月填筑,热棒高导热性影响时间较短;热棒高导热性对温度场的负面影响随填料温度和热棒材料导热系数的增加而增大。为减少填筑短期内热棒高导热性影响,应避免在6到7月份施工,施工时尽量降低路基填料温度,在不影响降温效果的前提下可适当减小热棒材料的导热系数。

基于土−水特征曲线的非饱和冻土未冻水含量预测

对非饱和土体在冻结温度以下土中未冻水含量进行了理论分析,给出了一种简便的预测方法及其数学模型。基于非饱和土孔隙中气液两相的化学平衡和力学平衡关系,结合土−水特征曲线,给出了以Van Genuchten土−水特征曲线模型参数表示的土体孔隙体积分布密度函数,且水分冻结与土体孔径分布密切相关。根据初始有效饱和度对应的液态水填充的最大孔径和一定冻结温度对应的起始结晶孔径之间的关系,分析了土体孔隙中冰水相变的特征及其临界有效饱和度。当初始有效饱和度超过临界结晶饱和度后,冻结现象才会发生。给出了非饱和土体在冻结温度以下土中未冻水饱和度的预测公式,并通过已有的试验结果对其有效性进行了验证。

冻结黏土单轴动态力学特性及本构模型研究

为研究动载荷下冻土破坏特性,利用SHPB试验系统开展应变率300s^(-1)~1000s^(-1)、含水率13%~22%冻土单轴动态冲击试验,并建立本构模型描述单轴冻土动力学响应行为。结果表明:(1)应力-应变曲线可以分为压密阶段、弹性阶段、塑形阶段和破坏阶段,应变率高于700s^(-1)时应力-应变曲线出现明显振荡;(2)抗压强度和弹性模量整体上与应变率呈正相关趋势,但应变率高于900s^(-1)时抗压强度增长速度减缓甚至负增长。最大应变与应变率呈一次函数关系,含水率对最大应变无影响;(3)结合Weibull统计分布、D-P准则以及Z-W-T方程并引入含水率项,建立能考虑不同含水率冻土损伤黏弹性本构模型,验证模型可靠性(R^(2)>0.90)。为冻土工程设计与施工提供一定参考。

基于优化WOA-BP策略的土体冻胀率因素敏感性定量分析

土体冻胀是寒区工程建设面临的重要挑战之一,对其进行准确预测和敏感性分析,对于保障工程安全与稳定、预防结构变形与破坏至关重要。针对东北某矿区三种土样,在不同冷端温度、含水率和干密度条件下,实施了单向冻结且不补水的冻胀实验。基于实验数据,分析了影响冻胀率的关键因素,构建了以干密度、含水率、冷端温度、比重及结冰温度为输入变量的WOA-BP预测模型,引入Chebyshev混沌映射与自适应权重调整策略,优化得到Chebyshev混沌映射自适应权重的WOA-BP神经网络。经验证,该模型预测误差小,可以较好地预测土体的冻胀率。结合Garson算法、扰动法及蒙特卡洛模拟等三种方法,对土体冻胀率的影响因素进行了敏感性分析,所得结果一致。该矿区土样的冻胀率对干密度、比重、含水率、冷端温度、结冰温度变化的敏感程度依次降低。

开敞系统中冻土-混凝土界面抗拉强度试验研究

在寒区桩基工程中,冻土-混凝土界面强度对于桩基础的受力状态有着重要的影响。在开敞系统条件下进行了冻土-混凝土界面区的抗拉强度正交试验,利用极差方差分析法,厘清了界面粗糙度、土样含水率、试验温度及干密度4种试验因素对界面冻结抗拉强度影响的主次顺序。分析试验结果表明,土样含水率的增大、试验温度的降低及接触面粗糙度的提升均可使界面冻结抗拉强度不断提高;存在临界土样含水率,当含水率位于临界含水率两侧时,接触面粗糙度因水分迁移所形成冰膜改变的程度不同,导致接触面粗糙度的增加对界面冻结抗拉强度增幅的影响程度具有不同的规律。

基于核磁共振技术的土体冻结特征曲线试验研究

冻结特征曲线描述了土中未冻水含量随温度变化的规律,给出适用不同土质的冻结特征曲线计算模型具有重要的工程价值。利用核磁共振技术对6种土体的冻结特征曲线进行了测试,给出了描述土体冻结特征曲线的Michalowski模型参数的确定方法,分析了初始含水率和土体性质对冻结特征曲线的影响,利用Michalowski模型参数的特征对模型进行了改进。研究表明,冻结特征曲线与初始含水率无关,冻结过程中不同初始含水率土体的冻结特征曲线相同。在不考虑温度影响时,模型参数wa近似等于土中最大结合水含量,可以作为分析和评价黏性土特性的重要指标参数。改进后的单参数Michalowski模型可实现对未冻水含量的良好预测,降低了模型的复杂性,提升了模型的实用价值,但模型的适用范围,有待验证。

由石蜡基相变材料和煤渣改良的粉砂土的冻融性能

【目的】针对季节冻土区渠道的衬砌结构因冻融作用而受损的现状,同时为了解决石蜡基相变材料(phase change materials, PCM)的泄露,并满足煤渣的再利用需求,研究石蜡基PCM和煤渣对土体冻融性能的影响。【方法】以粉砂土为研究对象,选取石蜡基PCM和煤渣作为改良剂,制备石蜡基PCM改良土和石蜡基PCM-煤渣改良土;通过冻融循环作用下的体积变化率试验、无侧限抗压强度试验,微观结构及潜热研究土体的体积和无侧限抗压强度的变化。【结果】石蜡基PCM能抑制粉砂土的冻融变形,质量分数为8%时2种改良土的体积变化率最小;随着冻融循环次数的增加,土体的无侧限抗压强度均降低,降低速率先大后小;循环次数相同时,加入煤渣的改良土的无侧限抗压强度均大于未加入煤渣的;冻融循环9次后,石蜡基PCM质量分数为10%的石蜡基PCM改良土的无侧限抗压强度最低;2种改良土的结构比粉砂土更密实、稳定;潜热的吸收或释放延缓了土体冻融过程。【结论】将石蜡基PCM和煤渣共同掺入粉砂土,能控制土体的冻融变形且效果稳定,改善土体的冻融性能,减轻季节冻土区输水渠道衬砌结构的冻害,提高煤渣的利用率。

长春市某越冬深基坑桩锚支护结构受力变形监测与数值模拟对比分析

为研究季节性冻土区基坑越冬过程中基坑支护结构受力与变形变化规律,利用Midas GTS NX对长春市某深基坑的桩锚支护结构的周边地表沉降、支护桩水平位移及锚索轴力进行数值模拟,并基于实际监测数据与数值模拟结果进行对比分析。结果表明:数值模拟及监测均表现出冻胀作用会使基坑周围地表沉降变小且越冬结束后会出现融沉现象;基坑支护桩桩身水平位移最大处约在距离桩顶2/5处且大于冻结前的位移;各层锚索轴力值均大于基坑冻结前;冻融作用会对基坑变形产生不可恢复的影响。

含水率和冻融循环对筋土界面剪切特性的影响

制作了一套可实现温度控制的筋土界面直剪试验设备。为了研究含水率、界面温度、冻融循环次数对筋土界面剪切特性的影响,开展11组土工格栅-砂土界面直剪试验。研究结果表明,筋土界面的黏聚力和摩擦角均随含水率的增加而减小,当含水率提高时,筋土间的抗剪强度减弱。加筋可显著提高冻土的抗剪强度,当界面温度为-10℃时,土工格栅-砂土界面剪应力峰值较冻结后砂土的剪应力增加了约20%。筋土界面剪应力随着界面温度的降低而增大,当界面温度在0℃以下时,剪应力较大且剪应力-剪切位移曲线会出现峰值强度和残余强度,而在无冻结情况下,筋土界面剪应力稳定值基本相同。冻融循环后筋土界面的抗剪强度减小,筋土界面的黏聚力和摩擦角均随着冻融循环次数的增加而减小,但在4次冻融循环后趋于稳定。研究成果可为冻土地区土工格栅加筋土结构的设计和应用提供理论依据。

基于GA-PSO算法的冻土本构模型参数识别

遗传算法(GA)与粒子群算法(PSO)分别具有缺乏目标导向性和易陷入局部最优的缺点,但同时分别具有全局搜索能力强与能有效传递优势信息的优点。本文以GA计算步结合精英保留策略作为PSO计算步的优势信息,避免PSO算法陷入局部最优,以PSO计算步结合非精英优化策略作为GA计算步的导向信息,克服GA算法缺乏目标导向的问题,建立了GA-PSO新算法。其具体过程为,通过采用GA计算步对解空间进行全局搜索并对精英个体进行保留,进一步,将适应度较差的个体利用PSO计算步进行优化。基于多峰函数的验证结果表明,GA-PSO算法在解空间中具有更强的全局搜索能力,同时具有更快的收敛速度。将GA-PSO算法应用到冻土非正交弹塑性本构模型的参数识别中,通过模型的参数识别以及模型预测结果对比与验证,结果表明GA-PSO算法能够有效识别冻土非正交弹塑性本构模型的参数,提升了模型的预测效果。

青藏铁路接触网异型桩基抗冻拔模型试验研究

保证接触网支柱桩基础的冻拔稳定性是青藏铁路格拉段电气化改造工程建设中的关键问题之一,为研究不同截面形式桩(等截面圆形桩Z1、直锥柱形桩Z2及曲锥柱形桩Z3)的抗冻拔性能,以青藏线路基填料为试验土体,进行3个冻融循环的室内模型试验,得到冻融作用下接触网支柱桩基础的地温、桩顶位移及桩身应力的分布规律.试验结果表明:路基体的冻结(融化)是二维冻结(融化),接触网支柱桩基础附近的冻结深度约为30 cm;路肩处土体的竖向冻胀位移为4.30 mm,Z1的竖向冻拔量为0.26 mm,Z2与Z3的竖向冻拔量分别为Z1的46%、58%,3根桩的桩顶均产生约0.1 mm的水平位移;冻结过程中桩基整体受拉,冻深附近桩身轴力最大;切向冻胀应力的最大值出现在地表附近,曲锥柱形桩切向冻胀总力最小,抗冻拔效果最好.

土工袋抑制膨胀土冻胀性能试验及机制探讨

寒区膨胀土输水渠道普遍存在严重的冻胀破坏问题,严重损害工程效益。为探究不同含水率、不同干密度下土工袋抑制膨胀土冻胀性能演化规律及其物理机制,开展了土工袋制样标准率定试验和有无袋体约束下膨胀土的冻胀变形试验。试验结果表明:土工袋试样的压实高度与其干密度存在一一对应关系,可以通过控制土工袋的压实高度来精确控制土工袋的制样干密度;无论是否有袋体约束,试样的冻胀变形与时间关系曲线均可划分为冷缩、快速冻结和冻结稳定3个阶段;对于初始状态相同的膨胀土试样,袋体约束作用下其冻胀量显著减小,也即土工袋可有效地抑制膨胀土冻胀;随着含水率的增加、干密度的增大,试样的冻胀率均显著增大;土工袋的冻胀抑制率随着干密度的增加而显著增大,但含水率增加后土工袋的冻胀抑制率并未显著提升;通过分凝势理论和加筋约束原理,揭示了土工袋抑制膨胀土冻胀的内在机制;基于压汞试验获取的膨胀土孔径分布曲线,提出了袋体约束作用下冻结膨胀土的骨架结构概念模型,较好地解释了含水率和干密度对土工袋冻胀抑制率演化规律的影响差异。

单向冻结粉质黏土已冻区分凝冰分布规律试验研究

在单向冻结中,已冻区分凝冰的产生和发展是影响冻融土结构性特征的重要因素。选取降温速率(0.5~0.005℃/s)、冷端温度(–30~–70℃)、暖端补水(无补水、恒压补水)等3种单向冻结边界条件,探究其对已冻区分凝冰发育的影响规律。基于光学显微数字拍摄,自主研发了裂纹显微测量系统,为分凝冰裂纹的原位、无接触式测量提供了便利。试验研究发现:(1)不仅是温度梯度、暖端补水条件,单向冻结冷端降温速率对已冻区分凝冰分布也会产生影响,传统模型(如分凝模型)计算的水分迁移量难以准确反映已冻区冰裂纹分布特征;(2)冻结锋面移动速率对已冻区分凝冰宽度的影响大于温度梯度;(3)冻结过程中已冻区分凝冰宽度随0℃线移动速率呈指数形式变化。最后基于0℃线移动速率提出了已冻区分凝冰宽度预测的经验公式,为工程中评估变降温速率条件下黏土的单向冻胀破坏提供了参考。