冻融循环下粉砂土应力-应变归一化特性研究

为研究粉砂在不同冻融循环下的应力-应变关系特性,进行了粉砂土的不固结不排水三轴剪切试验,试验结果表明:在围压较低时,未冻融及经历较少次冻融循环的粉砂表现出一定的软化性,但软化程度较弱;而经历一定次数的冻融循环后,其逐渐由弱软化型转化成硬化型;在围压较高时,未冻融及冻融以后的粉砂都表现出应变硬化的特征,其应力-应变关系曲线为典型的双曲线。基于Konder双曲线模型,概述了土体应力-应变关系中常见的几种归一化因子及相应的归一化条件。提出了针对冻融循环下粉砂土的应力-应变关系的归一化因子,并给出了相应的归一化条件。基于新的归一化因子,建立了粉砂土在不同围压、不同冻融循环次数下的应力-应变特性的归一化方程,并对应力-应变曲线进行预测,其试验值与拟合值较为接近,预测效果较好。

冻融循环下粉质黏土不排水剪切性状的试验研究

以青藏高原粉质黏土为对象,进行冻融循环试验和三轴固结不排水剪切试验,研究冻融循环对压实粉质黏土应力-应变关系、孔隙水压力-应变关系、有效应力路径、临界状态线及抗剪强度指标等的影响。研究结果表明:试样在冻融循环前后的应力-应变关系分别为应变硬化型和应变软化型,抗剪强度随冻融循环次数增加而逐渐减小;剪切产生的孔隙水压力和破坏时的孔隙水压力系数均随冻融循环次数或围压增加而增大。应力空间p'-q平面上的有效应力路径在冻融循环后逐渐向左下侧移动,低围压下路径形态由单调增大型过渡为"S"型。孔隙水压力和有效应力路径特征均表明试样在冻融循环下由超固结状态向正常固结状态发展。临界状态线位置随冻融循环次数增加而逐渐下降,临界状态应力比也随之减小;与总应力强度指标相比,有效应力强度指标可以更准确地反映冻融循环和围压对土体力学性质的综合影响;黏聚力和内摩擦角的劣化规律可以采用Logistic函数拟合与预测。

冻融循环下含水率对粉质黏土力学性质影响试验

为研究初始含水率对土体力学性质冻融循环效应的影响规律,以青藏高原粉质黏土为对象,进行不同含水率、围压及冻融次数条件下的三轴试验.结果表明:冻融循环使得不同初始含水率试样的应力-应变曲线趋于接近,低含水率试样的力学性质表现为劣化,在一定范围内,含水率越高,劣化效果越显著;当含水率增加至某一值后,一般为接近塑限时,冻融循环效应则表现为强化;封闭条件下土体冻融循环中的水分迁移会引起含水率的增减分区分布,且初始含水率越高,水分迁移量越大;土体破坏强度随含水率的增加以非线性规律减小,因此试样冻融循环后含水率增大区和减小区的强度变化幅度不同,会引起破坏强度增大、减小及不变等3种不同的变化趋势;冻融循环下土体力学性质会受到干密度、水分重分布及土体结构改变等多方面的影响,初始含水率和冻融次数不同,占主导地位的因素也不同,冻融循环效应就相应地呈现出多样化特征.

冻融循环下冷却温度对粉质黏土力学性质影响的试验研究

环境温度是土体冻结和融化过程中常见的变量。为明确冷却温度对土体冻融循环效应的影响规律,以青藏高原粉质黏土为对象,进行不同冷却温度和冻融次数的冻融循环试验及三轴剪切试验,并测定试样冻融循环后的水分重分布和体积变化特征。结果表明,冻胀和冻缩在冻结过程中是同时存在的,且均随冷却温度的降低而增大,两者正负变形量比例关系的不同是土体冻融循环效应多变的主要原因之一。随着冷却温度的降低,由于冻胀先于冻缩达到极限状态,体积增加量呈先增大、后减小的规律,转折点对应的是冻胀和冻缩在微小温差条件下变形附加量相对大小关系发生改变的临界温度值。破坏强度随冷却温度的变化与干密度一致,呈先减小、后增大的规律,以劣化为主。未冻水含量和水分迁移量均随冷却温度的降低而减小,因此冷却温度越低,破坏强度随冻融次数的变化范围越小,达到新的稳定状态所需的冻融次数也越少。黏聚力和内摩擦角随冷却温度和冻融次数的变化规律可以采用Logistic模型拟合与预测,以方便工程应用。

冻融循环对青藏粉砂土力学性质影响的试验研究

为研究冻融循环作用对青藏粉砂土力学性质的影响,对不同冻融循环次数、冻结温度、围压下的粉砂进行常规静三轴剪切试验,研究冻融循环后土体的应力–应变关系曲线、静强度、弹性模量、抗剪强度参数的变化规律。试验结果表明：粉砂土的力学性质受冻融循环次数的影响较大,且在经历7－9次冻融循环后达到最小值。冻结温度对粉砂力学性质的影响较弱,且无一定规律。基于显著性分析理论,研究冻融循环次数、冻结温度、围压以及各因素间的交互作用对粉砂力学性质影响的显著性大小。分析结果表明：围压和冻融循环次数对力学性质影响的显著性较强,而冻结温度的影响较弱。同时,围压与冻融循环次数、冻结温度与冻融循环次数之间的交互作用对于粉砂的力学性质的影响均比较显著。

冻融循环下粉砂土屈服及强度特性的试验研究

为研究冻融循环对青藏粉砂土屈服及强度特性的影响,进行环境冷却温度-5℃、室温下融化,不同冻融循环次数及围压下的饱和粉砂土的固结排水三轴剪切试验。结果表明:粉砂土在整个剪切过程中呈现出剪缩的特性,且其应力–应变关系为应变硬化型,冻融循环未改变粉砂土的应力–应变及体变型式。未冻融粉砂土的体积屈服面和剪切屈服面可分别用椭圆型曲线和过原点的线性函数进行描述。冻融循环未改变粉砂土屈服面的形状,且冻融粉砂的体积屈服函数及剪切函数与塑性应变和冻融循环次数的关系可用相应的幂函数形式进行表示。其抗剪强度随着法向应力的增大而增大,随着冻融循环次数呈现出先降低后升高的趋势。冻融循环后,粉砂的黏聚力由4.82 k Pa降至2.07 k Pa,而内摩擦角则由27.11°最低降至22.93°。根据不同冻融循环次数下粉砂强度随法向应力的变化规律,指出可用线性莫尔–库仑准则来描述其强度特性。

冻融循环下青藏粉砂土双屈服面本构模型研究

基于青藏粉砂土在冻融循环下的常规三轴固结剪切试验,通过引入模量残余比和冻融循环次数,建立考虑冻融循环影响的双屈服面本构模型。试验结果表明,粉砂土的应力–应变关系呈应变硬化型,而在整个剪切过程中,体变呈现剪缩的特性。粉砂土的剪切模量随着围压的增大而增大,随着冻融循环的发展而出现先减小后增大的趋势。与未冻融粉砂相比,冻融以后的弹性剪切模量可降低约36%左右。其应力平面p-q上的剪切屈服面和体积屈服面可分别用过原点的线性函数和椭圆型曲线进行描述。对于剪切和体积硬化特性,建立与塑性应变及冻融循环次数相关的硬化参数,且均采用非相关联的流动法则。所提出的双屈服面本构模型能够很好地反映土体的应力–应变特性,模型计算值与试验值较为吻合,该模型能较为准确地预测不同围压及不同冻融循环次数下的应力–应变关系曲线,较好地反映冻融循环对粉砂力学性质的影响。

高温冻土区XPS保温板路基的冻土上限计算模型（英文）

为揭示青藏高原东部高温冻土区高速公路XPS保温板路基的人为冻土上限退化规律,确保高温冻土区路基的长期热稳定性,减小因人为冻土上限退化引起的路基病害,首先,利用现场地温实测资料分析高温冻土区XPS保温板路基地温的纵、横向分布特征,以及路基修筑初期人为冻土上限的退化特征;然后,采用非饱和土渗流与热传导理论求解冻土水热耦合微分方程,实现冻土水分场与温度场的全耦合,进而将水热耦合模型模拟所得温度场与现场实测温度场进行比较,以验证该模型的正确性;并分析XPS保温板路基在5种工况(包括填料类型、年平均地温、路基高度、XPS保温板铺设位置和气候变暖)下人为冻土上限的退化规律;最后,采用MATLAB分析影响人为冻土上限退化主要因素,进而对其进行多元线性回归,建立高温冻土区XPS保温板路基人为冻土上限计算模型。研究结果表明:XPS保温板路基左侧一定范围内温度比右侧对应范围的温度高;路基修筑初期人为冻土上限先抬升60cm,然后以10cm/年下降,冻土上限的变化导致深部冻土层存在一定幅度的升温;5种工况条件下,路基人为冻土上限与时间均呈线性增加关系;影响人为冻土上限退化的2个主要影响因素为填料类型和气候变暖;该模型可为今后开展高温冻土区高速公路XPS保温板路基长期变形预测与病害防治提供技术参考。

毛细黏聚与冰胶结作用对非饱和粉质黏土冻结强度及变形特性的影响

为探究毛细黏聚和冰胶结作用对冻土强度及变形特性的影响,通过室内试验测定不同饱和度、初始孔隙比情况下,压实、冻结和风干土样的强度及三维等温冻结变形和压缩特性。试验结果及数据分析表明:非饱和粉质黏土冻结强度的提高是基质吸力增加导致的毛细黏聚与冰胶结黏聚共同作用的结果。饱和度较低时,毛细黏聚作用占较大比重;随着饱和度的提高,冰胶结逐渐占主导作用。假定相同吸力条件下,冻土和非饱和土毛细黏聚力相当,发现冰胶结黏聚力和冻土体积含冰量之间存在线性关系。对于粉质黏土体变,当饱和度高(>0.75)时,土体表现为冻胀,当饱和度低(<0.75)时,土体表现为冻缩,说明冻土体变由黏聚力增加导致的体缩作用与冰水相变导致的体胀作用共同决定。当土样初始饱和度和孔隙比相同时,由黏聚力增加导致的体缩量和受到压力时产生的压缩量相当,可由压缩曲线预估土体的体缩量,体积含冰量与冰水相变导致的体胀量存在线性关系。

单向冻结条件下模拟螺旋桩的冻拔响应（英文）

季节性冻土区活动层土体在寒季的冻结会引起与冻胀相关的工程病害,如埋设在冻土中的地基会随冻胀的发展发生冻拔等。针对该问题,寒区工程一般选用螺旋桩来减轻影响。采用COMSOL Multiphysics软件建立有限元模型,模拟单向冻结条件下螺旋桩-地基土系统的响应。考虑水分、温度、应力3种物理场的顺序耦合,即自定义水分-温度耦合计算模块,在理查德方程中考虑冰水相变、冰对水分迁移的阻抗作用等,得到某时刻的全局体积含冰量分布,根据半经验模型建立冻胀量与体积含冰量、温度之间的关系,用以计算应力场中冻胀、冻拔变形,得到应力与位移分布,最终实现水分、温度、应力3个物理场的顺序耦合。根据几何对称性,建立二维轴对称计算模型。比选了3类螺旋桩(多叶片螺旋桩、宽叶片双螺旋桩、窄叶片双螺旋桩),并设置1组直线形桩作对照。计算结果表明:边界温度设为-15℃,经过7d冻结,土体冻深超过了桩的埋设深度,3种螺旋桩的冻拔位移小于直线形桩,证明了其减轻冻拔的作用;此时,螺旋桩底层叶片将承担最多的应力,桩身可以传递更多的冷量到下部土层,促使桩周土体冻结;通过对比不同桩形,总结出叶片布设的主要几何参数,即螺距、叶片宽度与数量及顶层叶片位置等对螺旋桩-地基土系统的冻拔响应会产生较大影响,并初步探索了寒区工程中一种基础的抗冻拔措施。

冻融循环对粉质黏土力学性质的影响及邓肯-张模型

为了描述冻融循环下压实黏性土不排水剪切性状的变化规律,建议了一种能够反映冻融循环影响的修正邓肯-张模型。首先,以青藏高原粉质黏土为对象,进行一系列冻融循环试验和常规不固结不排水三轴压缩试验。然后,基于邓肯-张双曲线模型,通过三轴压缩试验得到应力-应变关系,确定邓肯-张双曲线模型参数随冻融循环次数的变化规律及相应的回归关系。最后,根据模型参数的函数表达式,建立以冻融循环次数为影响因子的修正邓肯-张模型,并编制该修正模型的计算程序。结果表明:粉质黏土试样的应力-应变曲线形式基本呈应变硬化型,破坏强度随冻融循环次数的增加而逐渐减小,冻融循环劣化作用随围压的增加而逐渐减弱;模型参数中,抗剪强度指标、初始切线模量、极限偏应力和常数K均随着冻融循环次数的增加呈逐渐减小的变化规律,可以采用Logistic函数进行拟合;破坏比随着冻融循环次数的增加呈逐渐增大的变化规律,可以采用ExpAssoc函数进行拟合;常数n随着冻融循环次数的增加呈先减小、后增大的变化规律,可以采用三次多项式函数进行拟合;模型计算结果与试验结果对比表明,两者得到的应力-应变曲线基本吻合,说明该模型可以用来描述粉质黏土变形和强度特性在冻融循环下的劣化特征。