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Frost heaving force considering synchronous damage to tunnel lining and surrounding rocks under freeze—thaw cycles 被引量:1
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作者 LIU Wen-jun LING Tong-hua +1 位作者 HE Wen-chao LIU Xian-jun 《Journal of Mountain Science》 SCIE CSCD 2023年第4期1131-1146,共16页
In areas with seasonal freezing,when the tunnel lining concrete is saturated with water infiltrating the interior,the lining and the surrounding rocks will simultaneously freeze.However,the current calculation of the ... In areas with seasonal freezing,when the tunnel lining concrete is saturated with water infiltrating the interior,the lining and the surrounding rocks will simultaneously freeze.However,the current calculation of the frost heaving force fails to consider the synchronous damage to the lining and surrounding rocks under freeze-thaw cycles.Therefore,as per the elastic calculation model of the frost heaving force and model of steady-state heat transfer of circular tunnels,this study introduces the frost heaving rate of lining and surrounding rocks.First,the analytical solution of frost heaving force is obtained for simultaneous frost heaving of lining and surrounding rocks under any steady-state temperature field.Then,based on the fracture theory and meso-damage mechanics,the damage variables of lining and surrounding rocks under freeze-thaw cycles are extracted,representing their elastic modulus and porosity.Finally,the formula of frost heaving force for synchronous damage to the lining and surrounding rocks at any steady-state temperature field is obtained.The calculation results demonstrate that the lower the temperature inside the lining,the greater the frost heaving force.With the increasing number of freeze-thaw cycles,frost heaving force tends to gradually increase initially,reaching a peak value at 85 freeze-thaw cycles,decreasing to 80%of the peak value at 140 cycles before reaching a constant value.The lining participates in frost heaving,increasing the frost heaving force.The initial increase rate of frost heaving force is 15.7%.Changing the fitting coefficients s1 and s2 of the lining and surrounding rocks can effectively control the magnitude of the frost heaving force in the tunnels. 展开更多
关键词 Freeze-thaw cycles frost heaving force Concrete lining Tunnel surrounding rock Synchronous damage
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Influence of thermal insulation layer schemes on the frost heaving force in tunnels
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作者 LIU Wen-jun LING Tong-hua +1 位作者 LIU Xian-jun HE Wen-chao 《Journal of Mountain Science》 SCIE CSCD 2023年第10期3035-3050,共16页
In extreme cold regions,a thermal insulation layer(TIL)is commonly employed to mitigate the detrimental effects of frost heaving forces in tunnels.Optimizing the laying scheme of TIL,specifically minimizing frost heav... In extreme cold regions,a thermal insulation layer(TIL)is commonly employed to mitigate the detrimental effects of frost heaving forces in tunnels.Optimizing the laying scheme of TIL,specifically minimizing frost heaving forces,holds considerable importance in the prevention of frost damage.This research developed a two-dimensional unsteady temperature field of circular tunnels by using the difference method(taking the off-wall laying method as an example)based on the law of conservation of energy.Then,the frozen circle and water migration coefficient were introduced to establish the relationship between the temperature field and frost heaving forces,and a reliable methodology for calculating these forces under the specific conditions of TIL installation was developed.Then(i)the influence of the air layer thickness of the off-wall laying method,(ii)different laying methods of TIL,(iii)the TIL thickness,(iv)the thermal conductivity of the TIL,and(v)the freeze-thaw cycles on the frost heaving force were investigated.The results showed that the frost heaving force served as a reliable and effective metric for evaluating the insulation effect in tunnels.In order to avoid frost damage in compliance with the design requirements,the insulation effects from various laying methods were established,in descending efficacy order as follows:off-wall laying,double layer laying,surface laying,and sandwich laying.Our findings revealed that the optimal thickness for the air layer in the offwall laying method was 0.10 m.The insulation effect of materials with a thermal conductivity below 0.047 W/(m·℃)was furthermore found to be good.Under freeze-thaw cycle conditions,it is concluded that to prevent frost damage,the TIL thickness should be the sum of the thickness r1 of the first freeze-thaw cycle without frost heaving forces and an additional reserve value 0.06r1 of the TIL thickness. 展开更多
关键词 Thermal insulation layer frost heaving force Difference method Frozen circle Water migration coefficient Freeze-thaw cycles
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淤泥质盐渍土冻胀特性试验研究与数值模拟
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作者 朱杰 戚珊珊 罗阳 《冰川冻土》 CSCD 2024年第4期1259-1270,共12页
针对开放系统下淤泥质盐渍土在单向冻结过程中的水盐迁移和冻胀特性开展了试验和理论研究。为了研究淤泥质盐渍土在单向冻结条件下冻胀力随冷端温度、初始含水量、含盐量和上覆荷载变化的规律,通过配制含有硫酸盐的淤泥质盐渍土土样作... 针对开放系统下淤泥质盐渍土在单向冻结过程中的水盐迁移和冻胀特性开展了试验和理论研究。为了研究淤泥质盐渍土在单向冻结条件下冻胀力随冷端温度、初始含水量、含盐量和上覆荷载变化的规律,通过配制含有硫酸盐的淤泥质盐渍土土样作为试样进行了单向冻结条件下的冻胀试验。基于非饱和土渗流和热传导理论和水动力学模型,遵循质量守恒和能量守恒定律,考虑水盐迁移、相变的影响,从盐胀和冻胀机理出发简化应力场方程,建立了适用于淤泥质盐渍土的三维水、热、盐、力多场耦合方程。通过COMSOL Multiphysics软件PDE模块对室内非饱和土体建立耦合模型并进行数值计算。通过比较不同深度处测点的温度、含水量、含盐量以及土体冻胀力的数值模拟计算值和试验结果,验证了模型的有效性。结果表明:降低冷端温度和增加初始含水量有助于促进土体的冻胀力产生,而上覆荷载和土体含盐率的增加对土体的冻胀力产生抑制作用。淤泥质软土的冻胀力稳定值(即最终冻胀力稳定数值)与冻结温度呈线性关系,与土体初始含水量、上覆荷载以及含盐率呈二次抛物线关系。 展开更多
关键词 淤泥质盐渍土 人工单向冻结 冻胀力 耦合方程 数值模拟
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桩锚支护越冬基坑抗冻胀性能分析
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作者 孙超 温歆硕 +1 位作者 赵一恺 郭浩天 《低温建筑技术》 2024年第6期52-56,共5页
为解决桩锚支护基坑的越冬问题,对该类基坑负温状态下的抗冻胀性能进行研究。可为实际工程中越冬基坑的桩锚支护设计提供参考依据。考虑锚杆的预应力、层数、间距及锚固长度等因素,运用FLCA^(3D)软件在负温状态下对桩锚支护基坑进行数... 为解决桩锚支护基坑的越冬问题,对该类基坑负温状态下的抗冻胀性能进行研究。可为实际工程中越冬基坑的桩锚支护设计提供参考依据。考虑锚杆的预应力、层数、间距及锚固长度等因素,运用FLCA^(3D)软件在负温状态下对桩锚支护基坑进行数值模拟研究,分析桩侧冻胀力及桩体位移的变化规律。结果表明锚杆预应力对基坑桩体水平位移影响非常显著,随基坑深度增加,桩侧冻胀力呈增-减-增趋势;随锚杆层数增加,桩体水平位移逐渐减小,而桩侧冻胀力逐渐增大;锚杆竖向间距对桩体的水平位移及桩侧冻胀力的影响较小,桩体水平位移越小,桩侧冻胀力越大;桩体水平位移及桩侧冻胀力随锚固长度增加而增大。研究结果可为桩锚支护越冬基坑的设计和应用提供指导和参考。 展开更多
关键词 越冬基坑 桩侧冻胀力 桩锚支护 桩体位移
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不同温度路径与干湿状态下粉砂质泥岩冻融特征及劣化机制
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作者 曾铃 刘赛 +1 位作者 于晓伟 刘杰 《铁道科学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第6期2331-2341,共11页
为探究冻融条件下粉砂质泥岩冻胀力演化规律与变形特征,针对干燥及饱和状态粉砂质泥岩,开展冻结温度分别为-5,-10和-20℃,融化温度为30℃岩体室内冻融循环试验,结合扫描电镜揭示其冻融特征及劣化机制。结果表明:饱和岩石冻胀力演化可分... 为探究冻融条件下粉砂质泥岩冻胀力演化规律与变形特征,针对干燥及饱和状态粉砂质泥岩,开展冻结温度分别为-5,-10和-20℃,融化温度为30℃岩体室内冻融循环试验,结合扫描电镜揭示其冻融特征及劣化机制。结果表明:饱和岩石冻胀力演化可分为孕育、陡增、平衡、融化波动及消散5个阶段,随温度降低冻胀力峰值增长、冻胀力孕育时间减少呈二项式关系;干湿状态对粉砂质泥岩冻融变形过程影响显著,饱和岩石冻融变形可分为降温冻缩、降温冻胀、低温冻缩、冻缩平台、升温融胀、升温融缩及融化平台7个阶段,而干燥岩石仅存在降温冻缩、冻缩平台、升温融胀及融化平台4个阶段;饱和岩样冻融应变特征值远大于干燥岩样,且均随冻融周期增大,其残余应变、最大应变在不同温度路径下呈指数函数关系增长,-5,-10和-20℃冻结温度下饱和岩样残余应变增长幅值分别为341.05με、377.27με、545.53με,最大应变增长幅值为355.85με、476.64με、536.36με;冻融变形与冻胀力存在一定对应关系,冻胀力萌生时,冻胀变形达到峰值,融化时冻胀力的二次峰值对应融缩变形峰值;冻融劣化包含温度损伤、溶蚀损伤与冻胀损伤,三者反复循环作用,使粉砂质泥岩产生显著冻融劣化。研究结果可为优化寒区工程安全建设及营运提供参考。 展开更多
关键词 岩石力学 冻融循环 冻胀力 冻融变形 劣化机制
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高流速卵石地层地铁联络通道人工冻结温度场研究
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作者 韩昀希 冯利华 +2 位作者 任全军 沈宇鹏 刘欣 《科学技术与工程》 北大核心 2024年第12期5134-5142,共9页
地铁联络通道的开挖经常受到地下水干扰,人工地层冻结法凭借其优秀的封水性和适应性成为富水地层联络通道施工的首选工法。依托北京地铁12号线苏州桥站~人民大学站区间1#联络通道冻结工程,通过现场实测研究地层温度场和泄压孔压力的发... 地铁联络通道的开挖经常受到地下水干扰,人工地层冻结法凭借其优秀的封水性和适应性成为富水地层联络通道施工的首选工法。依托北京地铁12号线苏州桥站~人民大学站区间1#联络通道冻结工程,通过现场实测研究地层温度场和泄压孔压力的发展规律,分析冻结帷幕的交圈特征,确定高流速地层冻结壁薄弱位置。结果表明:盐水去回路温度在冻结初期迅速下降,而后降速减缓并最终稳定在-28℃以下;测温孔中土体与管片交界处的温度高于土体内部,渗流上游冻结壁温度高于下游,这些区域应当重点监测;冻结至59 d时,利用基于实际降温速率的分阶段冻结壁厚度计算方法求得不同截面位置处的冻结壁最小厚度为2495.2 mm,同时泄压孔压力已全部释放并保持稳定,冻结壁不再发展,满足联络通道开挖要求。研究成果能为高流速地层的人工冻结参数选取和监测提供理论支持。 展开更多
关键词 联络通道 人工地层冻结法 温度场 冻结壁厚度 冻胀力
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冻融循环条件下细粒硫酸盐渍土盐冻胀力学特性试验研究
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作者 刘海翔 柴明霞 +2 位作者 马艳霞 高英 张小荣 《西安建筑科技大学学报(自然科学版)》 北大核心 2024年第1期23-29,73,共8页
硫酸盐渍土在失水或者温度降低的情况下会产生盐胀现象,严重影响结构物的正常使用.为研究细粒硫酸盐渍土盐冻胀力学特性,选取青海乐都公路段二十里铺区沿线硫酸盐渍土,采用自制试验箱,开展室内冻融循环试验,分析含盐量及冻融循环次数对... 硫酸盐渍土在失水或者温度降低的情况下会产生盐胀现象,严重影响结构物的正常使用.为研究细粒硫酸盐渍土盐冻胀力学特性,选取青海乐都公路段二十里铺区沿线硫酸盐渍土,采用自制试验箱,开展室内冻融循环试验,分析含盐量及冻融循环次数对法向盐冻胀力的影响.试验结果表明:冻融循环过程中,土中盐溶液向土体上表面迁移,同时析出的盐结晶和冰结晶使土样中硫酸钠溶液浓度增大,从而引起土体膨胀变形.压实系数为0.93、含水率为20%的细粒硫酸盐渍土盐冻胀力随着含盐量和冻融循环次数的增加而增大,盐冻胀力的增长趋势随着冻融循环次数的增加逐渐降低;在一个冻融循环周期内,按照盐冻胀力中盐胀占比及冻胀占比随温度变化的规律,将盐冻胀力变化分为四个阶段:盐胀阶段、盐冻胀耦合阶段、冻胀阶段、融化阶段,并测得含盐量为1.5%~4.0%的细粒硫酸盐渍土冻结温度在2~-5℃内变化,且冻结温度随着含盐量的增加而降低;盐冻胀力冻结峰值与残余值随着冻融循环次数的增加而增加,表明细粒硫酸盐渍土的盐冻胀力具有累加性,且含盐量越大累加性越强. 展开更多
关键词 细粒硫酸盐渍土 盐冻胀力 冻融循环 含盐量
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高寒区强风化围岩隧道衬砌冻胀性能研究
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作者 田新国 李华健 +3 位作者 张艺帆 唐亮 杨国富 魏云峰 《建筑技术》 2024年第3期362-367,共6页
由于东北等高纬度季节性冻土地区春融冬冻的特点,强风化围岩隧道衬砌经常发生渗漏、悬冰、开裂等问题,严重影响列车运行安全。依托某寒区隧道工程,运用理论分析和数值建模等手段,基于季节冻土区强风化围岩隧道衬砌受力模型,分析隧道在... 由于东北等高纬度季节性冻土地区春融冬冻的特点,强风化围岩隧道衬砌经常发生渗漏、悬冰、开裂等问题,严重影响列车运行安全。依托某寒区隧道工程,运用理论分析和数值建模等手段,基于季节冻土区强风化围岩隧道衬砌受力模型,分析隧道在富水期和冻结期的轴力和弯矩。通过施加注浆加固圈的方式,建立了注浆加固隧道衬砌受力模型,分析注浆加固厚度关键参数对于衬砌受力的变化规律。研究发现,隧道围岩处于富水期时,弯矩使衬砌产生“倒桃形”变形。当隧道围岩处于冻结期时,弯矩引起衬砌的“类葫芦形”变形。此外,在注浆性能相同的情况下,圆形注浆比传统的马蹄形注浆加固更有利于折减衬砌外力和内力。 展开更多
关键词 铁路隧道 冻胀 高寒区隧道 衬砌轴力弯矩 注浆加固
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考虑寒区隧道围岩冻结温度渐变的冻胀力解析解
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作者 曹善鹏 夏才初 +1 位作者 周舒威 寇继生 《同济大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期360-369,共10页
为考虑寒区隧道围岩单向冻结和径向冻结温度渐变会引起的不同方向和不同冻结深度处的非均匀冻胀变形,通过引入冻胀围岩径向冻结温度T(r)和平行与垂直冻结方向的非均匀冻胀系数k反映围岩的非均匀冻胀性,理论推演建立了寒区隧道冻胀力解析... 为考虑寒区隧道围岩单向冻结和径向冻结温度渐变会引起的不同方向和不同冻结深度处的非均匀冻胀变形,通过引入冻胀围岩径向冻结温度T(r)和平行与垂直冻结方向的非均匀冻胀系数k反映围岩的非均匀冻胀性,理论推演建立了寒区隧道冻胀力解析解,并进行了案例和影响因素分析。研究表明:忽略冻结温度渐变影响时冻胀力明显偏大,考虑冻结温度渐变可有效提高冻胀力计算的可靠性;考虑冻结温度渐变影响的冻胀力随着非均匀冻胀系数k的增大呈对数函数增大,随冻结与未冻围岩的弹性模量比EⅡ/EⅢ的增大而线性减小,且EⅡ/EⅢ越大时冻胀力产生所需围岩达到的临界k值也越大;隧道冻胀力随围岩冻结圈外径、未冻围岩弹性模量和原岩应力的增大而增大,但随衬砌内径、冻结围岩单位温度冻胀系数的增大而逐渐降低。 展开更多
关键词 寒区隧道 冻胀力 非均匀冻胀 冻结温度渐变
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考虑全寿命周期围岩冻结规律的寒区隧道抗冻设计研究
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作者 夏才初 曹善鹏 +2 位作者 陈维 郭阔 李干 《隧道建设(中英文)》 CSCD 北大核心 2024年第9期1736-1743,共8页
为解决寒区隧道全寿命周期内冻害问题,考虑寒区隧道全寿命周期围岩冻结和冻胀敏感性,通过数值分析和理论计算研究寒区隧道围岩冻结的发展规律和冻胀力荷载分布特征,并提出基于冻胀力荷载分级的寒区隧道全寿命周期分段抗冻设计方法。研... 为解决寒区隧道全寿命周期内冻害问题,考虑寒区隧道全寿命周期围岩冻结和冻胀敏感性,通过数值分析和理论计算研究寒区隧道围岩冻结的发展规律和冻胀力荷载分布特征,并提出基于冻胀力荷载分级的寒区隧道全寿命周期分段抗冻设计方法。研究表明:1)全寿命周期内寒区隧道围岩的冻结深度在运行初期迅速增大,然后逐渐保持稳定,围岩冻结深度的发展速度主要与年平均气温和年气温振幅相关;2)寒区隧道冻胀力荷载随冻结深度的增大而增大,全寿命周期的最大冻胀力荷载沿纵向呈现出显著的非均匀分布特点;3)采用基于全寿命周期冻胀力荷载分级的分段抗冻设计可避免寒区隧道全寿命周期的冻害风险,同时提高抗冻支护的经济效益。 展开更多
关键词 寒区隧道 冻胀力荷载 围岩冻结规律 分段抗冻设计 全寿命周期
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冻融作用下锚固裂隙岩体力学响应研究综述
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作者 张新宙 李聪 +4 位作者 吴亮亮 谢天 赵凯艺 蔡玮珍 张荣堂 《煤炭科技》 2024年第2期19-26,共8页
冻融循环作用下锚固岩体力学响应与裂隙岩体存在显著区别,研究锚固岩体冻融力学响应对寒区锚固边坡长期安全控制具有重要意义。在裂隙岩体冻融响应研究的基础上,综述了冻融循环作用下裂隙边坡锚固岩体力学响应行为研究进展;从裂隙冻胀... 冻融循环作用下锚固岩体力学响应与裂隙岩体存在显著区别,研究锚固岩体冻融力学响应对寒区锚固边坡长期安全控制具有重要意义。在裂隙岩体冻融响应研究的基础上,综述了冻融循环作用下裂隙边坡锚固岩体力学响应行为研究进展;从裂隙冻胀力、锚固结构预应力等方面综述了锚固岩体对冻融作用的力学响应研究成果;对锚固岩体冻融力学响应问题研究的发展趋势进行了展望,并指出冻融条件下锚固岩体中冻胀力与锚固力的演变规律是下一步研究的重点。 展开更多
关键词 冻融循环 裂隙冻胀力 锚固结构预应力 力学响应
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岩石冻胀力研究综述 被引量:1
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作者 朱杰兵 祝永锁 +1 位作者 汪斌 程伟健 《人民长江》 北大核心 2023年第3期173-178,共6页
岩石冻胀过程中的水分迁移研究是冻岩力学研究的核心。首先阐释了薄膜水迁移理论、毛细理论、分凝冰理论3种主流的水分迁移理论,对3种理论的应用情况进行了介绍。从原位冻结、水分迁移冻结产生冻胀力的角度入手,对冻胀力解析模型研究、... 岩石冻胀过程中的水分迁移研究是冻岩力学研究的核心。首先阐释了薄膜水迁移理论、毛细理论、分凝冰理论3种主流的水分迁移理论,对3种理论的应用情况进行了介绍。从原位冻结、水分迁移冻结产生冻胀力的角度入手,对冻胀力解析模型研究、试验研究、数值模拟研究3个方面的研究进展进行概述。分别就解析模型中单一椭圆形裂隙冻胀力及寒区隧道3类典型冻胀力的计算、试验研究中冻胀力量值的影响因素及冻融循环中冻胀力的演化特征、数值模拟中单裂隙冻胀力及寒区隧道冻胀力模拟问题,展开了分析并指出了存在的不足之处。提出在冻胀力的解析模型研究和数值模拟研究中应充分考虑多种情况的耦合作用和水分迁移过程,以及在试验研究中开展测量方法的改进等研究建议。 展开更多
关键词 冻胀力 水分迁移 冻岩 演化规律 冻结缘
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某冻胀敏感性粉质黏土冻结过程物理力学特性试验
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作者 胡坤 高兆国 +2 位作者 王少伟 杨兆 吴炎 《长江科学院院报》 CSCD 北大核心 2023年第8期127-132,138,共7页
针对寒区建设工程在土体冻结作用下的地基与基础稳定性问题,采用冻胀敏感性粉质黏土开展了土体冻结过程中的物理力学特性试验研究,获得了起始冻胀含水率、冻胀力、高温冻土抗剪强度等参数及其变化规律。主要结论如下:当土体含水率小于... 针对寒区建设工程在土体冻结作用下的地基与基础稳定性问题,采用冻胀敏感性粉质黏土开展了土体冻结过程中的物理力学特性试验研究,获得了起始冻胀含水率、冻胀力、高温冻土抗剪强度等参数及其变化规律。主要结论如下:当土体含水率小于起始冻胀含水率时产生冻缩现象,由土骨架遇冷收缩和孔隙水相变膨胀共同作用所致;不同含水率条件下,土样冻结竖向位移经时变化曲线分为“冻缩”“冻缩-回弹”“冻缩-冻胀”3种类型;冻胀力经时变化曲线受温度场发展的影响分为快速增长和稳定增长2个阶段;冻胀力随冻结温度的降低而增大,利用分凝势理论进行分析,土体主动区温度梯度增大是冻胀力增大的原因;与常温土样相比,-3℃条件下的某冻结粉质黏土的黏聚力由7.34 kPa增加到29.56 kPa,内摩擦角由6.40°增加到9.18°,但其剪应力变化曲线并没有表现出低温冻土常见的脆性破坏,而是呈现应变硬化特征。 展开更多
关键词 粉质黏土 高温冻土 起始冻胀含水率 冻胀力 抗剪强度
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气态水补给条件下不同类型土水分迁移规律及冻胀特性研究
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作者 雷华阳 张文振 +1 位作者 胡彪 李其昂 《水道港口》 2023年第5期801-810,共10页
使用自主研发的水分迁移和冻胀试验设备,对比分析砂土、粉质黏土、人工制备75%砂土+25%粉质黏土、25%砂土+75%粉质黏土在水汽补给条件下水分迁移规律及冻胀特性,研究了不同类型土试样冻结时间与含水率、温度场、冻胀量、冻胀力之间的变... 使用自主研发的水分迁移和冻胀试验设备,对比分析砂土、粉质黏土、人工制备75%砂土+25%粉质黏土、25%砂土+75%粉质黏土在水汽补给条件下水分迁移规律及冻胀特性,研究了不同类型土试样冻结时间与含水率、温度场、冻胀量、冻胀力之间的变化规律,建立了不同类型土试样冻胀量和冻胀力的拟合公式。研究表明:土性对水分迁移影响较为显著,冻结7 d后,砂土试样峰值含水率达到22.1%;75%砂土+25%粉质黏土试样峰值含水率为17.1%,25%砂土+75%粉质黏土试样峰值含水率为10.1%,粉质黏土峰值含水率变化幅度不大。随着土中细粒含量的增加,试样温度场达到稳定所需的时间越长,冻结7d后不同类型土试样温度场均趋于基本稳定。冻结7 d后,不同类型土冻胀量和冻胀力差别较大,砂土试样冻胀量达到0.71 mm,75%砂土+25%粉质黏土试样冻胀量为0.55 mm,25%砂土+75%粉质黏土试样冻胀量为0.36 mm,粉质黏土试样冻胀量变化不大;不同类型土冻胀力随冻结时间的增加呈正相关线性关系,相同高度处试样冻胀力随着土中细粒含量的增加有所减小。 展开更多
关键词 土性 水汽补给 水分迁移 冻胀力 冻胀量
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多年冻土地基单桩冻拔效应的计算方法与分析 被引量:1
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作者 周亚龙 王旭 +3 位作者 郭春香 刘德仁 蒋代军 何菲 《东南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第2期295-304,共10页
为研究多年冻土地基冻结过程中桩基础的冻拔效应,基于桩周土的冻胀变形及桩土之间的变形协调关系,结合剪切位移法构建了一种考虑桩土界面相对滑移效应的单桩冻拔荷载传递的理论模型.采用有限差分法,通过MATLAB编程对桩基受力微分方程求... 为研究多年冻土地基冻结过程中桩基础的冻拔效应,基于桩周土的冻胀变形及桩土之间的变形协调关系,结合剪切位移法构建了一种考虑桩土界面相对滑移效应的单桩冻拔荷载传递的理论模型.采用有限差分法,通过MATLAB编程对桩基受力微分方程求解,获得了冻拔力的发展规律,并采用现场试验与有限元数值模拟验证了模型的合理性.接着分析了冻胀率、桩土界面本构参数及桩长对桩基冻拔响应的影响.研究表明:冻结过程桩身轴力逐渐增大,冻深附近出现轴力峰值,部分桩土界面会产生滑移;冻至最大冻深2.3 m时桩身轴力达到最大值690.3 kN,滑移段长度约为0.65倍冻深;冻拔力随土体冻胀率的增大并非呈线性增大,主要受桩土界面峰值剪切强度与残余强度的影响;桩长越长,抗冻拔效果越好. 展开更多
关键词 多年冻土 桩基础 剪切位移法 相对滑移 切向冻胀力 有限差分法
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水热力耦合下公路隧道结构各向异性冻胀力分布特征研究
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作者 陆许峰 黄解放 +1 位作者 张锋 冯德成 《冰川冻土》 CSCD 北大核心 2023年第5期1522-1535,共14页
寒区围岩的冻胀会对衬砌结构带来附加荷载,威胁着衬砌结构的耐久性与安全性。为了研究季节冻土区隧道冻胀力的分布特征,基于能量守恒与质量守恒基本原理,建立了考虑正交各向异性冻胀变形的正冻围岩水-热-力耦合模型;结合青沙山隧道冻胀... 寒区围岩的冻胀会对衬砌结构带来附加荷载,威胁着衬砌结构的耐久性与安全性。为了研究季节冻土区隧道冻胀力的分布特征,基于能量守恒与质量守恒基本原理,建立了考虑正交各向异性冻胀变形的正冻围岩水-热-力耦合模型;结合青沙山隧道冻胀力的监测结果,验证了隧道冻胀力模型的可靠性。进而,针对东天山特长隧道的抗冻需求,构建了相应的隧道冻胀数值模型,对东天山隧道的温度场、水分场与冻胀力分布特征进行了研究,并分析了最低气温、初始地层含水率、已冻与未冻围岩模量比、冻胀变形各向异性系数对冻胀力分布的影响。东天山隧道冻胀的数值仿真结果表明:隧道的冻结深度分布并不均匀,在拱脚处最小,仰拱中心处最大,两处冻结深度相差48 cm。冻结范围的差异分布主要为拱脚处几何曲率较大,冷量需辐射至更广的空间所致。同时,由于拱脚处冻深最小,且拱脚的几何曲率较顶拱与仰拱更大,导致衬砌的拱脚处弯曲折叠最大,von Mises应力最大。单个冻融周期内,隧道冻深范围内围岩的含水率可分为冻结、融化、滞水、滞水消散共4个阶段。随着冻融循环次数的增加,拱顶与拱侧的滞水阶段体积含水率分别升高了10.46%与4.21%,拱脚与衬砌底部的滞水阶段体积含水率略有降低。围岩的冻胀对衬砌同时产生了法向应力与切向应力,其中顶拱、仰拱主要体现为压应力,拱脚的压应力较小且局部体现为拉应力。不同最低气温、初始地层含水率、冻结与未冻结围岩模量比、冻胀变形正交各向异性系数下的冻胀力分布模式相同。其中衬砌外围的法向应力整体呈“蘑菇形”。最低气温的降低、冻胀变形正交各向异性系数的增大,分别通过增大冻结范围与促进冻胀应变方向集中化,最终导致隧道冻胀力整体数值的增大,两者对隧道冻胀力影响显著。冻结与未冻结围岩模量比、初始地层含水率对隧道冻胀力存在一定程度的影响:冻结与未冻结围岩模量比与隧道冻胀力负相关,初始地层含水率与隧道冻胀力正相关。冻胀变形各向异性系数对冻胀力的大小与分布影响最大。同时,经过多年的冻融循环,不同初始地层含水率下衬砌外围的水分场差距缩小,导致初始地层含水率对第20年冻胀力的大小与分布影响最小。整体而言,隧道冻胀力的分布主要是温度场与衬砌几何之间博弈的结果:其中拱脚处最小的冻结深度导致该处冻胀力较小,但衬砌几何受力后顶拱与仰拱变形导致的拱脚弯曲折叠并向外侧围岩挤压,会增大拱脚处的压应力。因此,对于衬砌厚度较小的隧道而言,拱脚向外侧围岩挤压的效应更为明显,这导致拱脚处冻胀力较大。综合来看,寒区隧道的冻胀力分布需同时考虑温度条件、水分条件、围岩冻胀变形的各向异性、衬砌几何等因素的影响。 展开更多
关键词 季节冻土区 隧道工程 冻胀力分布 正交各向异性冻胀 水-热-力耦合
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高寒区隧道近洞口冻害防控方法研究
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作者 刘宇 马朋辉 +1 位作者 凌贤长 唐亮 《建筑技术》 2023年第13期1638-1642,共5页
基于水-热-力多场耦合分析方法建立了隧道近洞口三维分析模型,研究了寒区隧道近洞口冻胀特征,提出了一种保温隔热和防冻缓冲的复合功能层,分析了复合功能层参数对隧道冻害防控效果的影响。结果表明,多场耦合分析方法能合理计算温度场和... 基于水-热-力多场耦合分析方法建立了隧道近洞口三维分析模型,研究了寒区隧道近洞口冻胀特征,提出了一种保温隔热和防冻缓冲的复合功能层,分析了复合功能层参数对隧道冻害防控效果的影响。结果表明,多场耦合分析方法能合理计算温度场和衬砌冻胀力;3月中旬隧道围岩在边墙位置达到最大冻结厚度;二次衬砌冻胀力在冻结开始2个月达到最大冻胀力的85%,且在2月初达到峰值,隧道边墙位置冻胀力约为仰拱位置的5.5倍。二次衬砌的抗冻性能随着复合功能层厚度和弹性模量的增加以及等效导热系数减小而提高。 展开更多
关键词 冻害防控 冻胀力 温度场 隧道洞口 寒区隧道
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浅埋高寒隧道围岩非均匀冻胀变形的力学响应 被引量:1
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作者 林德新 《铁道工程学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第2期53-58,共6页
研究目的:浅埋高寒隧道面临的冻害问题威胁隧道的长期安全运行。为揭示浅埋高寒隧道含未冻夹层冻胀模式下围岩非均匀冻胀变形的力学响应,建立浅埋高寒隧道典型非均匀冻胀模型,利用有限元数值软件开展隧道衬砌与围岩的受力变形和冻胀力... 研究目的:浅埋高寒隧道面临的冻害问题威胁隧道的长期安全运行。为揭示浅埋高寒隧道含未冻夹层冻胀模式下围岩非均匀冻胀变形的力学响应,建立浅埋高寒隧道典型非均匀冻胀模型,利用有限元数值软件开展隧道衬砌与围岩的受力变形和冻胀力分布演化规律研究,从而据此优化浅埋高寒隧道的抗冻设计。研究结论:(1)冻结围岩圈外径和非均匀冻胀系数k是影响浅埋隧道冻胀力水平的关键因素,冻结围岩圈外径和k越大,冻胀力越大;衬砌结构最大拉应力和压应力分别位于拱腰和拱顶,未冻夹层厚度较小时拱腰和拱顶局部应力超过混凝土标准强度;(2)围岩非均匀冻胀作用下冻结围岩圈、衬砌和地表层的最大位移量整体表现出随未冻夹层厚度增大而降低的趋势,且冻结围岩圈半径越大,最大总位移水平越高;(3)未冻围岩夹层对高寒隧道冻胀力的空间分布和演化具有显著影响,随着未冻夹层厚度的增大,隧道冻胀力的非均匀性逐渐降低;(4)本文揭示的浅埋高寒隧道的冻胀力分布规律和衬砌力学响应可为类似隧道工程的抗冻设计提供理论指导。 展开更多
关键词 高寒隧道 冻胀力 非均匀冻胀 力学响应
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基于断裂力学的高寒地区边坡危岩体稳定性分析
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作者 李祥庆 吴顺川 +3 位作者 刘兴雷 张小强 张化进 韩龙强 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第6期955-962,共8页
高寒地区露天矿山中的危岩体受冻融作用影响时常发生滑塌,为保障露天矿山企业持续生产,对矿山靠帮边坡中存在的危岩体进行基于断裂力学的稳定性分析。以高寒地区某露天矿山为工程背景,分析冻融循环对工程影响,首先建立不同时间点温度场... 高寒地区露天矿山中的危岩体受冻融作用影响时常发生滑塌,为保障露天矿山企业持续生产,对矿山靠帮边坡中存在的危岩体进行基于断裂力学的稳定性分析。以高寒地区某露天矿山为工程背景,分析冻融循环对工程影响,首先建立不同时间点温度场,结合温度场提出一种方法来判定冻融深度是否能影响主控结构面产生冻胀力。引入最大周向应力准则对坡体中出现的拉裂缝进行分析,进而推导出安全系数表示方法。以反倾岩质边坡为研究主体,将边坡危岩体拆分为n个潜在不稳定的近似矩形岩体,并基于此建立考虑冻胀力、裂隙水压力与重力共同作用的断裂力学边坡稳定性计算方法。针对相应算例,通过该方法计算得到分割后各岩体的安全系数,并发现冻胀力对岩体稳定性有一定程度影响,结合工程实际验证了提出方法的可行性。最后结合相关危岩稳定性评价标准,针对不同岩体稳定性情况提供相应治理措施。 展开更多
关键词 危岩 断裂力学 主控结构面 冻胀力 温度场
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斜风作用下季冻区隧道冻胀力分布规律及结构安全性评价
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作者 赵立财 殷珂 +2 位作者 王瑞 李良广 王永柱 《科学技术与工程》 北大核心 2023年第16期7087-7095,共9页
为分析不均匀冻胀荷载对季冻区隧道结构受力及安全性的影响,依托某新建铁路隧道工程,在凝练工程区气象特征的基础上,利用数值模拟手段分析了斜风作用下隧道温度场的分布特征,解析得到了支护结构的冻胀力荷载,在此基础上分析了支护结构... 为分析不均匀冻胀荷载对季冻区隧道结构受力及安全性的影响,依托某新建铁路隧道工程,在凝练工程区气象特征的基础上,利用数值模拟手段分析了斜风作用下隧道温度场的分布特征,解析得到了支护结构的冻胀力荷载,在此基础上分析了支护结构的受力特征并开展了安全性评价。结果表明:斜风作用下隧道较小进深范围内迎风侧与背风侧温度场存在差异,进深10 m处差异最为显著;未铺设保温层条件下迎风侧围岩冻结深度约为背风侧的1.8倍,铺设保温层后迎风侧围岩冻结深度减小了约80%,背风侧围岩冻结区基本消失;围岩冻结深度不一致导致冻胀力荷载不均匀分布,冻胀力荷载作用下支护结构迎风侧的应力、轴力、弯矩均明显高于背风侧;未铺设保温层条件下仅仰拱区域符合安全性要求,铺设保温层后各区域均满足要求,但迎风侧安全性明显低于背风侧。 展开更多
关键词 季冻区 隧道 斜风 温度场 冻胀力
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