冻融循环作用下土体结构演化规律及其工程性质改变机理

寒区工程被破坏的最主要原因之一就是冻融循环作用,冻融循环过程可导致土的工程性质发生较大的变化,进而导致寒区工程设施产生变形,甚至失稳。对冻融循环作用下土的结构、基本物理性质以及力学性质进行了分析和总结。研究发现:冻融循环作用后土颗粒之间的原有结构被破坏,从而形成新的结构,土中团粒会发生分裂和团聚作用,团粒粒径向均一性趋势发展,并且在不同的内部及外部条件下,土会产生不同的构造;冻融循环后,土的渗透性增大,塑性指数减小。松散土和密实土的密度以及孔隙比具有不同的变化趋势,并且可使无湿陷性的黄土状土中大孔隙增加并产生湿陷性。土的力学性质变化趋势不一,一方面这与土的构造变化直接相关,另一方面冻融循环试验方法的不同也是引起研究结果差异性较大的重要原因。因此,需要建立冻融循环作用下土工程性质变异性的判定方法、评价及预测体系,而这些也可能成为未来研究工作的方向。

吹填土自重沉淤阶段孔隙水压力消散的试验研究

利用真空预压法处理吹填土时,细颗粒常堵塞排水管,导致土体排水不畅。为提高吹填土固结效率,采用自重沉淤排水与加负压排水固结相结合的方式在室内进行吹填土固结试验。试验第一阶段用排水管作为吹填土自重沉淤的竖向排水通道;第二阶段以装入中粗砂的排水管作吹填土排水通道,同时也是压力传递通道。试验监测到吹填土固结过程中不同位置孔隙水压力的变化,通过监测数据着重研究自重沉淤排水阶段吹填土的固结规律。借助渗流平衡方程确定吹填土在自重沉淤阶段孔隙水压力变化主要由排水管中水位、单位土面积控制,解释自重沉淤阶段孔隙水压力变化机理。同时,为了减小由于排水距离远近造成的固结不均,利用自重沉淤与加压固结结合的方法使吹填土达到较为理想的固结效果,将砂井设计理论与孔隙水压力变化曲线相结合确定排水管有效排水范围等效直径,为实际工程提供排水管间距的设计参数。

青藏高原多年冻土区地下水及其变化

青藏高原的高海拔多年冻土的分布格局及其动态变化、季节冻结融化作用与地下水的补给、径流和排泄关系密切,对各种尺度的水文地质环境具有控制或重要影响。作为一个隔水层或弱透水层,冻土层在地下水形成、演化、运移和水动力过程方面具有抑制作用,从而对地下水的分布、动态和水循环产生重要影响。而且,冻土可通过其中的水分迁移、冰分凝和地下冰结构重组等方式,形成和改变地下冰储量及地下水动静储量,调节水文地质循环。气候变暖显著和人类活动日益增加,冻土退化显著,已经普遍影响到了高原冻土生态水文地质环境,并引发了一系列水文(地质)、生态和环境问题,亟待系统、长期和细致的观测、试验和模型研究。

青藏高原多年冻土热融灾害发展预测

青藏高原多年冻土区是世界上中低纬度多年冻土面积最大的区域,气候变化引起青藏高原多年冻土区年平均地温上升、地下冰融化、多年冻土退化等问题。借助ARCGIS技术手段,通过地下冰计算模型和Stefan公式计算研究区不同气候变化情景模式下的地下冰体积含冰量和活动层厚度变化。结果表明:在未来几十年内多年冻土的分布范围将不会发生显著变化,多年冻土的主要退化形式为地下冰的消融、低温冻土向高温冻土转化;但本世纪末多年冻土将发生大范围的退化。这一过程将引起热融滑塌、热融沉陷等冻土热融灾害。将Nelson热融灾害风险性评价模式进行修正,对研究区灾害风险性进行评估区划。最大的危险区主要分布在西昆仑山南麓、青南山原中部、冈底斯山和念青唐古拉山南麓、喜马拉雅山南麓部分区域,在未来几十年内有加剧的趋势。

高粘性高盐量吹填土固结过程孔隙分维特征

真空预压处理吹填土地基的方法应用广泛,但塑料排水管经常会被吹填土细颗粒堵塞。为提高吹填土造陆效率,通过室内试验,研究了高粘性高盐量吹填土在自重沉淤和加负压联合作用下的固结规律,分析了吹填土取土点的工程地质特征。用易溶盐试验和X射线衍射分析方法确定吹填土中晶体的类型,并结合自重固结不同阶段的扫描电子显微镜微观结构照片,研究吹填土含盐量对排水效果的影响,总结高粘性高盐量吹填土固结排水时渗流通道变化规律。研究发现,随着吹填土含水量降低,晶体颗粒随水流失,渗流通道则处于不断变化的非稳定状态。同时,将分维数作为研究高粘性高盐量吹填土的微观结构指标,发现随着自重固结程度的增加,高粘性高盐量吹填土含水量减少,颗粒表面吸附能力下降,晶体颗粒逐渐脱离土颗粒表面,使土体孔隙和结构单元体颗粒发生规律性变化。

快速加固吹填土的室内模拟试验

吹填造陆是解决沿海地区建设用地不足的主要方法之一。为了使吹填土在较短的时间内获得较好的加固效果,结合吹填土特殊工程地质性质和加固过程中强度增长具有阶段性的特点,提出了边吹填边加固的加固思路。在该思路的指导下进行室内模拟试验。试验发现不同加固阶段吹填土强度增长表现出明显的分带性;与竖向排水体距离小于25cm的土体强度增长较快;随着加固时间的延长,待加固土体强度整体增长;当持续真空加荷一个月时,部分待加固土体承载力已达到80kPa。可以看出,强度增长与外部荷载的大小、渗透路径的长短、附加应力的大小密切相关。分阶段加固的方法在一定程度上抑制了泥皮的形成,缩短了真空加荷时间,节约工期,有利于吹填土的加固。

土体微观结构对冻胀影响的灰色关联及粗糙集评价

以季冻区粉土为研究对象,进行不同条件下室内冻胀试验,测得冻胀指标——冻胀率;同时运用扫描电子显微镜WD-5图像处理系统提取并定量化冻胀前土样微观结构参数(包括孔隙参数和结构单元体参数)。由于结构对冻胀影响具有非线性、复杂性、模糊性等特点,选择灰色关联法及粗糙集2种非线性评价方法,评价各结构参数对冻胀率的影响程度。评价结果表明:与冻胀率关联度较高的孔隙参数为形态分布分维数、平均丰度、平均圆形度和平均各向异性率,单元体参数为平均各向异性率、形态分布分维数和定向概率熵。粗糙集约简结果中,对冻胀影响较明显的孔隙参数为平均各向异性率、平均丰度、定向分维数和形态分布分维数,单元体参数为形态分布分维、平均各向异性率、平均形状系数。比较2种评价方法所得结果,分析其中的异同。最后综合考虑2种评价结果,确定8个对冻胀意义较明显的结构参数:孔隙的形态分布分维、平均丰度、平均各向异性率、定向分维数;单元体的平均各向异性率、形态分布分维、平均形状系数和定向概率熵。