Experimental study on DX pile performance in frozen soils under lateral loading

Experiments about working mechanism and mechanical characteristics of the DX model pile foundation under lateral dynamic and static loading were conducted by using a model system of the dynamic frozen soil-pile interaction. The horizontal displacement-force relationship of the pile head and bending moment distribution along the body in frozen soils of different temperatures were discussed. According to test results, both the horizontal disp!acement-force relationship of the DX pile head and bending moment distribution of the DX pile body are smaller than that of equal-diameter piles under same lateral loads. The piles with different plate positions show different displacements and bending moments. This phenomenon is mainly related to the soil temperature and bearing plates locations. Thus, dynamic response analysis of the pile foundation should be taken into account.

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.

基于统计损伤修正的冻结砂—黏混合土改进Duncan-Chang模型

为描述冻结砂—黏混合土的偏应力—应变关系,进行不同含砂量冻结砂—黏混合土的冻土三轴压缩试验。基于改进的Duncan-Chang模型(D-C模型),引入统计损伤理论,拟合三轴压缩试验结果,分别建立以Mises强度准则和应变发展为微元强度变量的统计损伤修正模型,对比计算结果与试验数据。结果表明:冻结砂—黏混合土偏应力峰值随含砂量的增加而增加,偏应力—应变曲线由应变硬化型逐渐过渡到应变软化型的临界含砂量为50%。当含砂量介于20%~60%时,基于统计损伤理论的修正改进D-C模型能有效拟合应变硬化型曲线和具有轻微应变软化现象的偏应力—应变曲线。当含砂量为90%时,基于应变发展的统计损伤修正模型的偏应力峰值与试验结果相差3%,具有较强适用性。该结果为不同微元强度变量的统计损伤修正模型提供参考。

模拟季节冻土层影响的冻土墙模型试验

在季节冻土环境中使用人工冻结法时,由于季节冻土层与人工冻土共同存在,在前者影响下人工冻土墙的水平位移和制冷能量消耗与无季节冻土层时有显著不同。在改装的试验台上,通过使用水平冻结管形成季节冻土,用竖向冻结管形成冻土墙,施加水平荷载,模拟了6种季节冻土层温度条件下冻土墙的形成与开挖过程,以研究季节冻土层对冻土墙耗能、受力和变形性能的影响。结果显示,与无季节冻土层的情况相比,季节冻土层温度为-12℃时可减小冻土墙水平位移达8.79mm,约占墙体总位移的52%,耗能量可减小40.4%。试验结果证明季节冻土层对冻土墙的影响不容忽视,在工程中应充分考虑季节冻土层的节能效应和变形约束能力。

冻结管受力分析与试验研究

对冻结管受力的理论分析和模拟试验研究表明，在安装阶段，冻结管的应力很小，可略去不计；在积极冻结阶段，受管材冷缩、冻土冷缩和冻土冻胀的作用，冻结管轴向受拉（压）并向井外弯曲在该阶段后期，纯拉（压）应力σ１由正最大值向负值转变，且数值变小；而纯弯曲应力σｗ则趋于稳定，其值虽较大但对后期冻结管的安全无害．在掘砌施工阶段，冻管的受力大小决定于冻结壁的变形，σ１和σｗ随时间的变化规律与冻结壁的蠕变规律相似，σｗ与冻结壁的位移成正比．因此，减小冻结壁变形是防止冻结管断裂的最主要措施．

人工冻结工程地质雷达模型试验研究

推导了冻结工程雷达探测的相似准则,该相似准则具备明确的物理意义,分别表明模型与原型在信号走时和强度上的关系。在此基础上,根据冻土电磁参数在不同频率的变化规律,指出在人工冻结工程中地质雷达的相似准则为矛盾准则,即模型试验中雷达信号的反射特征与原型基本一致,而其信号强度则较原型剖面显著增强。进而,开展了上海长江隧道联络通道的模型试验和现场实测,获得了人工冻结壁中冻结管、缺陷等典型目标体的雷达图像特征,掌握了冻结壁发展的基本规律,为工程的安全快速建设提供了重要依据。对地质雷达的试验研究以及人工冻结工程和冻土区工程建设有重要的理论和应用价值。

循环荷载下冻土桩基力学特性研究

通过给冻土单桩模型上端施加循环荷载,分析循环荷载幅值、频率及冻土温度的变化对桩身应变、桩身轴力、桩侧冻结应力以及桩土相对位移的影响规律,开展循环荷载作用下冻土桩基力学特性的研究。研究结果表明:桩身应变随着加载时间先增加后稳定,且低温环境和小荷载条件下更有利于桩身应变的稳定;桩身的应变随荷载幅值及频率的增加而变大,随温度的降低而减小;桩身轴力沿着桩深不断减小,是由于桩侧土体使桩从上部开始受力;低温环境下桩身轴力相对较小,这是冻土地区桩基稳定的有利条件;桩侧冻结应力首先从桩基的上端发挥作用,并逐渐向下传递,分别增大荷载幅值、频率及降低温度都会增强桩侧冻结应力;桩土相对位移受荷载幅值、频率及温度的影响明显,频率能够影响桩土的承载模式。

季节冻土区水盐迁移及土体变形特性模型试验研究

为研究盐渍化冻土水分、盐分迁移规律以及变形特性,探索寒区旱区土壤盐渍化机制,配制了不同含盐量的粉质黏土进行模型试验。试验结果表明,温度、水分、盐分和土体变形之间相互耦合。温度降低有利于盐晶体析出和未冻水结冰;反之,温度升高易于晶体溶解和冰融化。水盐相变过程中伴随能量的释放或吸收,影响土体温度。盐分改变了流体的动力黏度和土体冻结温度,并且盐分结晶使土体产生较大的吸力,加剧了未冻水含量的变化。水分是盐分迁移的介质,盐分以离子形式随未冻水迁移。降温期水分盐分向上迁移,升温期迁移方向相反。迁移速率与吸力有关,冻结缘附近吸力最大,速率最快。盐渍化冻土的变形是盐分和水分共同作用的结果,含盐量较低时冻胀和融沉是土体变形的主要因素;当含盐量较高时盐胀和溶陷占主导作用。

冻土-桩动力相互作用模型试验系统研制

桩基础是冻土区大型结构物的主要基础型式,但目前学者对冻土环境中桩基动力特性的研究甚少。在比较分析国内外在该领域研究现状的基础上,设计了一套冻土-桩动力相互作用模型试验系统,主要包括动力加载系统性能参数的确定与设计、模型试验箱的设计与制冷效果分析、加载工作架的设计及其与试验箱的拼接等。试验结果表明,所设计的试验系统能为试验提供所需的冻土环境,结构牢固,能较好地模拟分析冻土-桩动力性能,此外该试验系统还可应用于其他冻土问题的试验研究。

冻土模型爆破机理的试验研究

在大量模型试验的基础上，本文介绍了粘性冻土爆破后的破坏形式，得到了有关爆破指标与冻土温度、冻土含水率等主要参数之间的关系，为井筒冻土爆破提供了理论依据。

立井冻土爆破的理论与实践

结合冻土爆破破坏特征 ,从理论上分析探讨了立井冻土掘进掏槽爆破和光面爆破机理及参数设计 ,再在实验室中进行模型试验研究 ,然后将试验结果应用于工程实践去验证和完善 .结果表明 :立井冻土掘进爆破以浅眼多循环为宜 ,眼深Lb =1.2～ 1.4m ;直眼掏槽、周边光爆 ,较为合理的掏槽参数为 :槽眼布置圈径D =1.0～ 1.2m ,眼距a =5 0 0～ 70 0mm ,单位耗药量 q =2 .2～ 2 .8kg·m-3 ;较为合理的光爆参数为 :周边眼距E =5 0 0～ 6 0 0mm ,光爆层厚度W =5 0 0～ 70 0mm ,炮眼密集系数m =0 .8～ 1.2 ,炮眼装药集中度 qL=12 0～ 16 0 g·m-1,空气垫层或空气间隙不偶合装药结构 .

直线形冻土墙用于深基坑支护的试验研究

根据相似理论并考虑工程因素 ,推导了直线形冻土墙用于深基坑支护时温度、变形的相似准则方程 ,进行了模化设计 ,对砂土冻土墙的温度和变形进行了模拟试验 .研究表明 :用一定厚度的泡沫塑料板对冻土墙保温是可行的 ;冻土墙变形由转动变形、弹性变形及蠕变变形组成 ;墙体变形随其厚度增大呈非线性减小 ,而随土压力增大呈非线性增大 ;墙体暴露时间与其变形之间呈幂函数关系 .

冻土直墙用于基坑支护的研究

根据相似理论并考虑工程因素,推导了直线形冻土墙用于基坑支护时其温度、变形的相似准则方程,进行了模化设计,对砂土冻土墙的温度分布和变形特征进行了模拟试验研究。研究表明:冻土墙的温度分布曲线近似为直线;用一定厚度的泡沫塑料板对冻土墙保温是可行的和方便的;冻土墙变形由转动变形、弹性变形及较大的蠕变变形组成;墙体变形随其厚度增大呈非线性减小,而随土压力增大呈非线性增大;墙体暴露时间与其变形之间呈幂函数关系。在此基础上对冻土墙的设计方法进行了探讨,提出了冻土墙厚度设计的变形约束条件和冻土墙有效厚度的概念。认为冻土墙有效厚度的确定必须综合考虑冻土墙的温度分布特性、墙体的抗倾覆稳定性、强度条件和变形约束条件等几个方面的因素。

采用长距离水平冻结暗挖法的浅埋大断面地铁隧道施工技术

通过人工冻土试验、有限元数值分析和大型物理模型试验,研究浅埋大断面地铁隧道采用长距离水平冻结暗挖法的施工技术。通过现场土的人工冻土试验,得到土体冻结的物理力学指标。有限元数值分析结果表明,随着冻结壁厚度的增加,冻结壁的强度和稳定性增加。大型物理模型试验结果表明,冻胀和融沉量都随着冻结壁厚度的增加而明显增大;当冻结壁厚度为4.5 m时,预测实际工程地表冻胀和融沉量均已超过允许值。根据上述研究结果,进行了冻结施工方案的设计和优化。在施工过程中,改进超长距离水平冻结管连接方式,采用跟管钻进新技术,确保了冻结孔的成孔质量;采取设置卸压孔、加大盐水流量和融沉跟踪注浆等技术措施,有效地控制了地面的冻胀和融沉,确保了工程顺利地完成。

冻土中单桩抗压承载力模型试验研究

以新疆地区某高压输电线建设项目为背景, 在室内进行了人工冻结条件下桩的静载荷模型试验. 试验研究在不同冻结温度下冻土中单桩竖向荷载下的承载力特性及其力学现状, 分析了包括桩的轴力、桩土冻结强度及其分布规律, 以及桩端阻力特性和桩头竖向位移与荷载的关系曲线等. 研究获得了桩的冻结力、单桩竖向承载力与温度的关系等, 可为未来西部冻土地区桩基的设计与施工提供参考依据.

冻土爆破漏斗及冻土爆破性的模型试验研究

根据相似理论和利文斯顿爆破漏斗理论进行了冻结粘土、砂土在－７，－１２，－１７℃３个温度水平下的爆破漏斗模型试验，对爆破漏斗几何参数及块度进行了回归分析，冻结砂土的爆破漏斗参数回归效果比粘土高度显著，冻结粘土的爆破碎块较好地服从Ｒ－Ｒ分布，冻结砂土较好地服从Ｇ－Ｇ－Ｓ分布．按照形变能系数大小对比了冻土的爆破性，得出的结论对冻土爆破参数的设计有一定的参考作用．

大气温度升高下冻土桩负摩阻力试验研究

全球气温变暖,冻土的上限下移使得桩周土体融沉量改变进而引起桩侧负摩阻力的变化,最终影响桩基长期服役性能。为了研究大气温度升高对冻土区桩侧负摩阻力的影响,基于查拉坪大桥16号桩实际地勘资料,考虑大气温度升高预测10、30、50、70年后桩侧土体温度场变化,并基于预测的温度场开展室内模型试验,研究当年、10、30、50、70年后冻土桩桩侧负摩阻力的变化规律。试验得到冻土桩桩侧负摩阻力在10年、30年、70年分别为5.2 kPa、2.4k Pa、2.0 kPa。分析认为,在当年工况到10年后工况过渡的阶段,由于桩体和大气温度的共同作用,桩侧冻结力明显减小,桩侧产生较大的负摩阻力;随着年份的增加,较深处地温的降低使得桩侧冻结力明显增加,因此桩侧负摩阻力逐渐减小。

拱北隧道“钢管-冻土”复合结构承载力试验研究

管幕冻结法作为一种新型的隧道预支护工法,目前已被应用于港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道施工中。管幕冻结法是利用顶管技术在隧道四周顶入大直径顶管,并利用冻结法将顶管之间的土体冻结起来,形成水密性的预支护结构。为了研究钢管-冻土复合结构在确保封水时的极限承载力和变形能力,以探求合理冻土温度,采用冻土单轴压缩试验机,对4种不同冻土温度进行钢管-冻土复合结构模型试验,并提出了封水条件下的极限状态判据,通过分析荷载-位移曲线,得到复合结构在封水条件下的极限承载力和变形能力。试验结果表明：温度较高时,冻土协调变形能力较好,但由于冻土本身强度较低,复合结构在封水条件下的极限承载力和变形能力较差;类似地,冻土温度较低时,强度较大,但由于冻土跟随钢管协调变形能力较差,在封水条件下的极限承载力和变形能力也较差;当温度适中时,冻土跟随钢管协调变形能力和冻土本身强度均处于相对理想状态,此时复合结构在封水条件下的极限承载力和变形能力相对较强,即在确保封水性能时所能承受变形的能力和极限荷载均较大。试验研究确定了该理想温度约为-10℃,该温度在拱北隧道管幕冻结实际施工中被采用,对类似工程施工具有一定的参考价值。

人工冻融条件下模型桩基竖向静荷载试验研究

在室内人工冻融条件下,对-7℃、-3℃以及上层融化的人工冻土模型桩基进行了静荷载试验。试验主要研究了不同冻结温度下冻土中单桩的桩顶位移-荷载关系、冻结过程中桩的竖向上拔位移、融化过程中桩的沉降位移以及荷载作用下桩身轴力分布情况。试验表明:冻融环境对桩的位移影响很大,不同温度对桩的承载力也有很大影响。对于冻土冻融区的桩基工程,应特别重视上层冻土融化时可能造成的工程问题。

立井冻土周边爆破效果的试验研究

介绍了立井冻土周边爆破效果的实验室试验方法、试验参数及试验结果。从孔深、孔距和最小抵抗线 3个方面对试验结果 (包括光爆效果、破碎效果和综合效果 )进行了分析。通过试验获得了较好效果下周边爆破的适宜参数 ,并对冻土的爆破机理和爆破对冻结管的影响问题进行了探讨。