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.

高温高含冰量冻结砂土的三轴压缩力学特性

为深入研究高温高含冰量冻土的力学特性与变形机制,以不同含冰量的冻结砂土为研究对象,通过开展-1.5℃下的三轴压缩试验,讨论了围压和含冰量对冻结砂土力学特性的影响,并分析了常规饱和冻土与高含冰量冻土在变形机制上的差异。结果表明:针对砂土提出的“冰砂混合,分层压实,下部补水”的制样方法可制出土颗粒分布均匀的高含冰量饱和冻土试样;高含冰量冻结砂土与饱和冻结砂土的强度和体变差异很大,但不同含冰量的高含冰量冻结砂土的应力-应变关系和体变很接近;不同围压下的67%含冰质量分数冻结砂土均为应变软化型,且随着围压的增大,试样应变软化的程度逐渐降低,体变逐渐由体胀向体缩转化;饱和冻结砂土受力时是由土颗粒、冰和未冻水共同承担;而高含冰量冻结砂土主要由冰直接承担外力,冰中夹杂的土颗粒间接地影响了冰的力学性质。

路基填筑对基底高含冰量多年冻土水热状态的影响

以青藏铁路典型试验断面为例,通过建立多年冻土路基水热耦合计算模型,研究了填料温度和路基高度对基底高含冰量冻土水热特征的影响以及冻土保护措施对高含冰量地段高路堤的冷却效果。结果表明:路基填筑会导致基底低温-高含冰量冻土变为高温-高含冰量冻土,升温幅度与填料温度、路基高度均正相关;高含冰量地段路堤填筑高度过大易导致融化夹层的出现,引起冻土上限下降,不利于多年冻土路基的热稳定性,普通路基应将填筑高度尽量控制在5 m以内;高含冰量冻土升温后释放大量未冻水,并在负等温线下凹处汇集,进一步对基底多年冻土造成水热侵蚀;基底高含冰量冻土未冻含水率随填料温度增大呈指数增加,随路基高度增大呈对数增加;对于高含冰量地段的高路堤,热棒的制冷效果较块石层更加明显,热棒路基基底多年冻土地温及未冻含水率明显更低,因此高路堤应尽量采取热棒措施,同时加强坡脚位置冻土的水热防护。

含水率和温度对高含冰量冻土力学性质的影响

对青藏高原黏土在温度为-0.5～-6.0℃,含水率为30.0%～80.0%条件下,进行了一系列的三轴抗压强度试验,分析了不同加载条件下高含冰量冻土的强度随围压、温度和初始含水率的变化规律。研究发现,其力学性质与初始含水率和温度有密切关系,在温度低于-1℃时存在最不利含水率。同时发现相同温度下,强度随围压变化不大,故可以用Mises准则作为其强度准则。给出了随温度、含水率变化时,高含冰量冻土的Mises准则的表达式。采用塑性功作为硬化参数,得到了高含冰量冻土的弹塑性本构模型。与试验值对比表明,该模型能够比较准确地反映高含冰量冻土的应力应变规律。

高温-高含冰量冻结黏土强度试验研究

为研究高温-高含冰量冻土的强度特性,分别开展了不同温度、不同含水率的冻结黏土单轴无侧限抗压强度试验。分析了高温-高含冰量冻结黏土在单轴压缩试验过程中的破坏类型、应力-应变关系;单轴抗压强度与温度、含水率之间的关系以及饱和冻结黏土单轴抗压强度对温度的敏感性-含水率关系。研究结果表明:当温度低于-0.9℃时,高温-高含冰量冻结黏土存在最不利含水率,在相同的温度条件下,该含水率状态下冻土抗压强度最小;当温度高于-0.6℃时,高含冰量冻土随含水率的增加,单轴抗压强度增大。

高温–高含冰量冻土蠕变试验研究

为了研究高温–高含冰量冻土的蠕变特性,开展了温度分别为-0.3℃,-0.5℃,-1.0℃,含水率分别为40%,80%,120%的冻结黏土单轴压缩蠕变试验。试验结果表明,无论应力多大、作用时间多长,高温–高含冰量冻结黏土单轴压缩蠕变过程都具有衰减特征;在相同的温度条件下,在相同时刻、含水率40%时冻土强度最大,含水率120%时次之,含水率80%时最小;还得到高温–高含冰量冻结黏土单轴压缩蠕变方程、应力–应变关系和长期强度方程的参数。

高温-高含冰量冻土压缩变形特性研究

高温-高含冰量冻土属于塑性冻土,荷载作用下具有较强的压缩性.为了研究高温-高含冰量冻土的压缩变形特性,采用恒温-变载的试验方法得到了不同温度(-0.3、-0.5、-0.7、-1.0、-1.5℃),不同含水量(40%、80%、120%)条件下冻土试样的体积压缩系数.结果表明:1)高温-高含冰量冻土具有极大的压缩性,青藏黏土40%含水量试样在-0.3℃时的体积压缩系数可达0.328 MPa-1,属于高压缩性土;2)高温-高含冰量冻土在压缩过程中存在渗滤变形,且主要发生于加载的初始阶段;3)温度与含冰量是影响高温-高含冰量冻土压缩性的主要因素,它们决定了冻土中体积未冻水的含量,从而控制了冻土的压缩性;4)在试验条件下,高温-高含冰量冻土的压缩性随着温度的升高而增大,随着含水量的增大而减小.高温时含水量对压缩性的影响比较显著,低温时影响较小.

高温-高含冰量冻土压缩变形特性研究

高温–高含冰量冻土在外荷载作用下会产生较大的压缩变形,对路基稳定性产生极大影响。室内高温–高含冰量冻土恒载变温压缩试验表明:在较低温度-1.5℃,-1.0℃下,冻土的压缩量相对较小,而在较高温度-0.5℃,-0.3℃下,冻土的压缩量相对较大,且在-0.5℃、-0.3℃两级温度荷载下的压缩量占总压缩量的70%以上;温度是影响高温–高含冰量冻土压缩系数的主要因素,在高温区内,压缩系数随温度的升高显著增大,当温度为-1.5℃时,冻土压缩系数为0.04MPa-1,而当温度升高到-0.3℃时,冻土压缩系数变为0.29MPa-1。路基沉降变形计算表明:对于砂砾路面路基,当路堤高度大于临界高度时,在未来50a内不会发生融沉变形,路基的最大沉降量约为20cm,变形符合铁路稳定性要求;当路堤高度小于临界高度时,路基下冻土随着时间的延长会发生融化,产生融沉变形,导致路基变形急剧增大,造成路基失稳。

高含冰量冻土动强度和残余应变的试验研究

冻土对温度敏感且性质易变,而高含冰量冻土的性质更是极不稳定,针对不同温度、不同围压下50%的高含冰量重塑冻土进行了动三轴试验.结果表明:动强度随着振次的增大线性减小,和温度呈二次变化关系,随着负温的增大而增大,围压对动强度影响不大;残余轴应变随着振次的增大而增大,呈幂函数的关系;随负温的增大而变小,围压对残余应变影响也不大.根据这些影响因素,分别给出了高含冰量冻土的动强度和残余应变的计算公式,这些结果可为该类土的动力特性研究提供参考.

循环荷载作用下高温-高含冰量冻土特性试验研究

为了研究高温-高含冰量冻土这种极不稳定土体的动力学特性,开展了固结围压为0.3、0.5、1.0、3.0、5.0MPa,控制温度为-0.5、-1.0、-2.0、-4.0℃、初始含水率为50%的高含冰量青藏线重塑冻土的动三轴试验。根据试验结果,提出了用广义的双曲线模型来描述动应力-应变关系,并且给出了模型参数预报关系式;基于动弹性模量和轴向应变之间的非线性关系,提出σ3=0.5MPa为临界围压。当围压大于0.5MPa时,动弹性模量随着动应变的增大呈减小的趋势;当围压小于0.5MPa时,动弹性模量随着动应变先增大后又减小;此外,动阻尼比随应变幅值和围压的增大而增大,随着温度的降低,动阻尼比变小。

青藏铁路路基下高温-高含冰量冻土旁压试验研究

为研究青藏铁路路基下高温-高含冰量冻土的力学性质,在青藏铁路北麓河试验段开展一系列旁压强度试验。试验研究表明:路基的增加引起路基下多年冻土温度升高,未冻水含量增加,最终导致冻土旁压临塑压力Pf下降31%,旁压极限压力Pl下降44%,旁压剪切模量Gm下降80%。对于高温冻结黏土,富冰冻土和饱冰冻土Gm对温度变化的敏感性高于含土冰层;饱冰冻土的Pf和Pl对温度变化的敏感性高于富冰冻土和含土冰层。

高温高含冰量冻土路基流变特性数值分析

推导冻土相变温度场的数学模型及有限元计算公式,在此基础上分别利用热弹塑性和热弹塑性—蠕变的本构关系,考虑融土和冻土的应力和变形,给出相应的有限元计算公式。以青藏铁路北麓河试验段为计算模型,计算冻土路基的温度场和温度影响下的应力、变形场,并且与实测温度和路基变形数据进行对比分析。计算和分析结果表明：冻土路基下多年冻土层温度随着路基使用年限的增加而逐步升高,形成高温冻土层;冻土路基变形随着时间的增加而增加,最后趋于稳定,这表明冻土的蠕变为衰减型蠕变;路基修筑后3-5年的变形量占变形的绝大部分,此后路基变形进入一个相对稳定的阶段,可满足铁路的正常运营。

青藏高原高温高含冰量冻土压缩试验研究

采用恒温变载和恒载变温两种压缩试验方法研究了青藏高原高温高含冰量冻土(WIFS)的变形特性,得到了不同温度下的压缩指标。试验结果表明:(1)高温高含冰量冻土的压缩性具有很大的量级,压缩指数都在0.15以上。(2)恒温变载(CTSL)实验条件下,压缩系数都在0.2MPa-1以上。恒载变温(CLST)实验条件下,当温度为-1.5℃时,压缩系数为0.04MPa-1,而当温度升高到-0.3℃时,冻土压缩系数变为0.29MPa-1。(3)在分级加载试验中应变最大可达10%,在阶梯型升温条件下应变最大可达8%。通过探讨分析,认为青藏高原高温高含冰量冻土属于中高等压缩性土,青藏铁路在其以后的运营中必须加强必要的维护和密切的动态变形监测。

我国高温-高含冰量冻土力学特性研究现状

阐明了高温-高含冰量冻土力学特性研究的重大理论和现实意义,归纳总结了高温-高含冰量冻土力学特性研究的现状。

初始含冰量对冻结粉质砂土变形与强度的影响

基于一系列同一温度、不同初始含冰量和应变率条件下的高含冰冻结粉质砂土的单轴压缩试验,开展了高含冰量对冻结粉质砂土变形行为和强度特性的初步研究。结果表明:随着试样中初始含冰量的增加,冻结粉质砂土的塑性增强,当初始含冰量超过210.1%后,应力-应变曲线趋近于冰的特性,可用修正的Duncan-Chang双曲线模型较好地描述其单轴压缩应力-应变关系;当应变率为0.083×10-3 s-1和0.467×10-3 s-1时,其初始切线模量呈非线性增大,但当应变率为0.667×10-3 s-1时,初始切线模量增大到一最大值之后转而减小,并且影响程度与应变率大小有关;当初始含冰量从32.9%增加到304.0%,冻结粉质砂土强度也是先非线性增大,然后逐渐趋于稳定,两者可用对数函数关系很好地描述。其研究结果可为开展高含冰冻土区路基的稳定性评价提供基础。

高含冰量冻土地区拼装涵洞施工技术

针对青藏铁路高含冰量冻土地区特殊自然条件 ,改进了拼装涵洞的施工技术 ,在涵节预制、涵节运输、涵洞基础施工、涵节现场拼装方面作了技术改进 ,克服了现浇涵洞作业量大、投入多、保温困难的缺点 ,同时又便于推广新技术、新工艺 .实践证明 。

基于光纤光栅的冻土含冰量监测可行性试验研究

含冰量是冻土研究的一项重要参数。针对现有含冰量测量的局限性,提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的冻土含冰量监测方法。结合冻土温度场,应用内加热FBG刚玉管传感器,通过室内标定试验验证该方法的可行性;基于传统导热系数模型推导出温度特征值与含冰量之间相应函数模型,并应用试验数据进行验证。研究结果表明:试验所得温度特征值随冻土含冰量增加而减小,可以通过该规律初步判断含冰量范围;在温度特性值与含冰量数值关系的拟合中,指数函数模型与本次试验数据拟合度最高,含冰量测量误差小于2%,在可接受范围内;本方法实现冻土含冰量监测具有可行性。

地震荷载下高含冰量冻土的动力特性试验研究

地震荷载作用下高含冰量冻土的动力特性试验研究对西北地区地震多发地段的冻土工程的抗震设计具有重要意义。通过选取兰州的重塑冻土进行动三轴试验,分别研究了地震荷载下不同控制温度(-6,-3,-1℃)、不同含水量(30%,50%,75%)以及不同围压(0.3,0.5,1,2 MPa)下高含冰量冻土的动应力应变关系和动弹性模量。试验结果显示,不同条件下冻土的动应力应变关系呈Hardin-Drnevich双曲线模型,并且不同温度、不同围压和不同含水量对模型参数都有着影响。动弹性模量随温度升高而减小,温度每升高1℃,弹性模量就下降12~15 MPa。围压对动弹性模量的影响有强化作用和弱化作用,-6℃时动弹性模量随围压增大而增大,-1℃时大应变情况下动弹性模量随围压增大而减小。对于高含冰量冻土,动弹性模量随含水量的增大先减小后增大。

青藏线多年高含冰量冻土爆破漏斗的试验研究

青藏铁路建设中 ,遇到大量多年高含冰量冻土需要爆破开挖 ,但是 ,对多年高含冻量冻土的研究在国内外较少 ,可用于参考的文献不多。本文在青藏线某一高含冰量冻土地段 ,进行了爆破漏斗试验 ,在此基础上得出单位药包的最佳埋深、最大体积 。

青藏公路高温高含冰量多年冻土地区以桥代路工程研究

在青藏公路以桥代路的试点工程中,通过对桥梁桩基温度场及变形变化规律的研究,分析了以桥代路在高温高含冰量多年冻土地区的应用效果。研究表明:以桥代路的桩周冻土虽然需要较长时间才能回冻,但桩周冻土恢复热平衡后,可保持多年冻土的热稳定性,桥梁桩基的变形量微小,且稳定可靠。作为一项前瞻性研究,为青藏高速公路建设储备了技术资源,并指导了G214线高速公路的设计。对多年冻土地区的高速公路设计、施工具有重要的意义。