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。     

尺寸和加载速率对冻结水泥土单轴压缩影响

为揭示尺寸效应和加载速率效应对冻结改良土力学特性的影响规律,以冻结水泥改良土为研究对象,开展了不同尺寸与加载速率条件下的单轴压缩试验,通过分析试验数据,讨论了高径比和加载速率对试样强度与变形特性的影响。研究结果表明,高径比影响试样的应力-应变曲线类型及峰值后的变形特性。高径比增加,应力-应变曲线出现明显弹性屈服点,峰后脆性增强,试样破坏形式由劈裂破坏变为单一剪切破坏。试样的抗压强度、切线模量、起始屈服模量、破坏应变随高径比变化均可用抛物线进行拟合,综合考虑,推荐试验宜采用高径比为1.62~2.02的试件。在试验设定的温度和加载速率条件下冻结水泥土的单轴压缩应力-应变关系均为应变软化型。与冻土类似,冻结水泥土的抗压强度与起始屈服强度同样随温度的降低和加载速率的增加而增大。不同温度下冻结水泥土抗压强度与加载速率的关系可用幂函数表示。温度越低,起始屈服强度受加载速率影响越大。温度和加载速率对冻结水泥土切线模量也有较大影响,不同加载速率条件下切线模量与温度呈线性关系。冻结水泥土的破坏应变随温度的降低和加载速率的增加而增大,在1.94%~6.94%之间变化,不同加载速率条件下破坏应变与温度呈幂函数关系。     

基于多元线性回归模型的冻土强度影响因素 显著性分析

为定量分析土质、含水率、温度和应变速率等因素对冻土强度的影响,本文根据公开发表的试验数据,应用多元线性回归模型对冻土强度影响因素进行了显著性分析。分析结果表明,在仅考虑线性影响条件下,温度和土性是影响冻土强度的主要因素,影响强度分别为0.632和0.193,含水率对冻土强度也有显著性影响,影响强度为-0.577。为探明各影响因素对冻土强度的非线性作用,在保留强度Taylor展开二次项的条件下,通过变量代换,将非线性项进行线性化,并利用多元线性回归模型进行了进一步分析。分析结果表明含水率与温度对冻土强度的影响包含线性、非线性和交叉影响项三项,应变率对冻土强度的影响仅包含非线性和交叉影响项。各因素对冻土强度的影响程度可用偏回归系数定量描述。     

不同温度下冻土单轴抗压强度与电阻率关系研究

为了研究青藏铁路路基在载荷下的力学行为,探索新型手段快速准确地估计冻土的单轴抗压强度参数,采用北麓河粉质黏土在室内进行了不同温度的冻土单轴压缩试验,并全过程监测土样电阻率的变化,得到了冻土的应力-应变-电阻率全过程曲线。试验结果表明,在干密度 1.71 g/cm3且含水率 17.83 %下,冻土的单轴抗压强度随温度降低而线性增加;初始电阻率 随温度降低逐渐增大,从-20℃对温度的敏感性开始显著增强;冻土单轴抗压强度与初始电阻率之间满足半对数线性关系,相关性很好,因此测定初始电阻率可准确估算冻土的 。从应力-应变-电阻率全过程曲线来看,冻土在单轴载荷作用下经历的压密、弹性变形、塑性屈服、破裂后各阶段对应电阻率变化趋势是快速减小至最小、稳定增加、剧烈增加,这种关联的变化关系也说明用电阻率法来研究冻土强度及载荷下的变形问题是可行的。     

冻结盐渍砂土单轴强度特性研究

通过对兰州盐渍砂土重塑土添加不同量的盐分来模拟不同含盐量的盐渍土, 并对其进行单轴抗压试验, 分析其在不同含盐量、不同温度及不同速率的应变加载情况下, 冻结盐渍砂土的单轴抗压强度的变化规律, 重点讨论了盐分对土体力学参数的影响以及弹性模量与含盐量、温度的关系. 结果表明: 易溶盐含量的增加会导致单轴抗压强度逐渐降低, 试验温度越低抗压强度会越大; 应变加载速率的增加会增大土体的单轴抗压强度, 同时会缩短土体达到应力峰值的时间; 土体含盐量越大弹性模量越小, 温度越低弹性模量越大.     

动荷载作用下冻土温度变化及强度损失探讨

动荷载测温试验发现,初始温度为-6℃的冻土试样,当有循环荷载作用时,随着时间的变化即使外界恒温供冷,其中的温度仍旧会出现上升趋势,并且上升值与加载频率、动应力幅、及试样的干密度、含水率等因素有关.此外,在不同的条件下冻土强度表现出了不同程度的损失.     

冻土力学性质影响因素的显著性和交互作用研究

冻土的力学性质不仅依赖于含水率、温度、应变率、含盐量、围压等因素,也可能依赖于这些因素之间的交互作用。为进一步明确冻土强度、模量等力学指标与以上各因素的依存关系,根据既有试验资料和统计学原理,对冻土力学性质影响因素的显著性和因素间的交互作用进行了研究。结果表明,温度对冻土力学性质的影响最为显著,是影响冻土力学性质的主要因素,含水率、含盐量、应变速率等对冻土力学性质也有显著影响;同时,温度、含水率和应变速率对强度的影响存在明显的交互作用。因此,在研究冻土强度等力学行为时,片面针对某一因素开展研究是不合适的,而应综合考虑各主要因素及因素之间的交互作用影响。     

冻结砂土体积变形影响因素的敏感性分析

为了分析三轴试验中冻土体积变形影响因素的敏感性,选定包括内因和外因在内的6种影响因素,选用青海省德令哈的砂土按照正交试验方案进行常规三轴试验,并采用灰色关联分析法对试验结果进行分析,给出各影响因素的敏感性排序。结果表明,在选定的6种影响因素中,含水率、加载速率及温度的敏感性超过70%,需重点考虑。在较小含水率条件下,冻结砂土先体缩再体胀,且应力峰值点和应变峰值点所对应的轴向应变基本一致,而在饱和条件下仅发生体积膨胀。加载速率对冻土的影响主要表现为对其力学特性和破坏形态的改变,随着加载速率的增加冻土的体缩量、切线模量和峰值强度增加,但峰值应变却表现为减小趋势,冻结砂土性质趋近脆性。土样温度降低,土颗粒间的黏结力增加,孔隙压力转变为有效应力,从而导致冻结砂土的强度增加、体积膨胀量增加。分析结果可为相关试验及工程优化设计提供一定的参考。     

岩土工程勘察中冻土可钻性的影响因素分析

对含水率为13%~27%的粉质粘土,在0~-25 ℃之间进行冻结,测定冻土的单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、波速等。试验结果表明,当粉质粘土含水率在18%~25%,冻土温度为0~-18 ℃的条件下,温度一定时,随着含水率的增大,抗压、抗拉和抗剪强度总体呈降低趋势,可钻性级别呈降低趋势;含水率一定时,冻土的抗压、抗拉和抗剪强度随着温度的降低而增大,可钻性级别提高。冬季勘察时,受冻土影响,可通过在钻孔内加热水提高钻速的方法提高成孔效率。     

苏州地铁典型土层冻土力学特性研究

人工冻结法已经并将大量用于苏州轨道交通连通道及盾构进出洞施工,而冻土力学特性是冻结法设计所需的重要参数,此前尚无苏州地区冻土物理力学参数相关试验研究资料,若参考其它地区参数进行冻结设计将会给施工带来许多不确定性。本文以苏州地铁典型土层为研究对象,对其冻土抗压强度、弹性模量、泊松比进行室内试验研究,根据试验数据曲线,分析总结了抗压强度随不同温度、含水率、干密度的破坏形态和变化规律以及弹性模量、泊松比随温度变化的规律,并作出了定量和机理分析,研究成果对苏州轨道交通建设冻结法设计指标的确定具有重要参考价值。     

冻结作用下粉土-混凝土接触面抗拉强度试验研究

为探究冻结作用下土与结构接触面抗拉强度的影响因素及变化规律, 开展了冻结状态下多种含水率、 温度及干密度的粉土-混凝土接触面抗拉强度正交试验研究。试验结果表明： 在试验温度下,粉土-混凝土接触面的冻结抗拉强度约为饱和黄土的1/10, 粉质黏土的1/10 ~ 1/7; 含水率对接触面的冻结抗拉强度影响最大, 其次是温度、 干密度; 在试验含水率范围内, 接触面的冻结抗拉强度与含水率正相关; 温度降低会增大接触面冻结抗拉强度, 在-2 ℃至-6 ℃, 冻结抗拉强度迅速增长, 在-6 ℃以后, 冻结抗拉强度的增长速率显著减小。结果证明： 低温、 高含水率、 低干密度条件下, 接触面冻结抗拉强度达到最佳; 三种因素对接触面冻结抗拉强度具有不同的影响程度, 其中含水率、 温度影响显著, 干密度影响不显著; 在试验含水率区间内, 接触面冻结抗拉强度随含水率增长呈线性增长态势, 且含水率、 温度之间存在交互作用; 随温度降低, 存在一临界负温, 接触面冻结抗拉强度由迅速增长转为缓慢增长。     

The uniaxial compressive and tensile tests of frozen saturated clay in Shanghai area

The compressive and tensile strengths of frozen clay are important parameters for frozen wall design in artificial freezing excavation of tunnels and foundation pits. Up to now, nobody has conducted the compressive and tensile test of frozen clays in Shanghai area. In this paper, the unconfined compressive and tensile tests of frozen clay specimens drilled from the soil horizons 3–5 in Shanghai area were conducted in Zwick-Z020kN High-low Temperature Materials Testing Machine and Frozen Soil Triaxial Testing Machine, the corresponding constitutive equations were suggested; the temperature-unconfined uniaxial compressive strength relation was discussed; the strain rate–unconfined uniaxial compressive strength and strain rate–uniaxial tensile strength relations were studied. The relation between moisture content, dry density and unconfined uniaxial compressive strength was analyzed, too. In addition, the uniaxial compressive elastic modulus of Shanghai frozen clays and its influence factors were discussed. The research work of the current paper is very helpful for the design and theoretical studies of artificial freezing excavation in soft soil areas.     

干密度和温度对冻结膨胀土单轴压缩特性影响的试验研究北大核心CSCD

膨胀土是一种特殊的黏土,具有明显的胀缩性和多裂隙性,在寒区渠道工程中极易诱发各种冻害。单轴压缩特性是冻土物理力学特性的重要分支,为研究冻结膨胀土的单轴压缩特性,开展了不同干密度和温度下冻结膨胀土单轴压缩试验。试验结果表明:随着干密度的增加,各温度工况下试样的应力-应变关系曲线均由弱应变软化转为应变硬化形态,且试验温度越高,曲线的软化特征越显著。不同温度工况下试样的破坏模式差异明显。当试验温度为-2℃时,试样破坏时其表面出现明显的局部坍塌与剥落,而-5℃、-10℃和-15℃工况下试样的最终破坏形态均为“鼓状”破坏,试样表面无明显的裂缝和剪切面。冻结膨胀土试样的单轴抗压强度随干密度的增加而线性增大,亦随温度的降低而增大,但在不同的温度区间内增幅不同,其变化幅度主要与试样内部含冰量密切相关。此外,试样的弹性模量随着干密度的增大和温度的降低均线性增大。     

单轴载荷下冻土的导电性及机敏性能试验研究

针对青藏铁路北麓河粉质黏土,利用电阻率－应力－应变试验设备,获取了不同温度单轴压缩条件下的电阻率-应力-应变全过程曲线,探讨了冻土导电性能及其机敏性。试验结果表明,在含水率 、干密度 、加载应变率为1 mm/min试验条件下,初始电阻率 、最大电阻率 、最大切线模量对应的电阻率 随温度降低而同步增大;冻土在压缩过程中具有较强的压敏性,随着压应力增大,电阻率变化可分为电阻率减小区、平衡区和剧增区;冻土单轴最大切线模量与温度之间呈线性关系,最大切线模量对应的应力及应变 、 、峰值应力对应应变 表现出温度敏感性,当 ℃时, 、 、 值最小;当 ℃时, 、 、 值随T降低而增大,冻土随温度降低延性增强脆性减弱;当 ℃时 、 、 值随 降低而增大,冻土随温度降低,脆性增强,延性减弱。     

非饱和黏土有效应力强度指标计算

因非饱和土性质的复杂性,需用高精的设备获取相关强度参数,试验难度大,应用受到限制。在分析非饱和土强度理论的基础上,从土的有效应力强度出发,利用常规三轴仪开展不同含水率、干密度组合的黏土CD试验,探讨含水率及干密度对黏土抗剪强度的影响,据此建立考虑含水率（饱和度）、干密度影响的有效应力强度指标计算公式。研究表明,黏土的强度与含水率、干密度密切相关,其中黏聚力、内摩擦角均与含水率（饱和度）呈二次曲线关系,与干密度成线性关系;二者的交互影响可按乘法效应进行组合,研究成果可为工程应用提供参考。     

饱和冻结粉土在常应变速率下的单轴抗压强度

Uniaxial compressive strength tests were conducted on the saturated frozen Lanzhou silt (loess) at various constant strain rates and at various constant temperatures. It is concluded from the test results that: the compressive strength (σ f) is very sensitive to temperature (θ) and increases with the temperature decreasing as a power law. Compressive strength is sensitive to strain rate () and increases with strain rates increasing within a certain range of strain rates as a power law. Compressive strength decreases when time to failure (tf) increases, also following a power law. Finally, Compressive strength of frozen silt with higher dry density (γd) is higher than that of frozen silt with lower dry density. The difference between them is mainly influenced by strain rate.     

月球极区冻结模拟月壤物理力学特性研究

近年来越来越多的探测结果表明,月球极区永久阴影区月壤中存在水冰。水是人类赖以生存的化学物质,也是理解月球独特的形成与演化过程的关键环节。因此,各航天大国均将月球极区作为探月工程的重要目标。冻结月壤的导热系数和单轴抗压强度是月球极区原位探测取样的基础和关键参数。本研究采用低温试验研究了冻结模拟月壤的导热系数和单轴抗压强度。结果表明：冻结模拟月壤导热系数随含水率增大而线性增大,冻结模拟月壤的导热系数为0.2~1.3 W?m^-1?K^-1。冻结模拟月壤单轴压缩过程中发生脆性破坏,5%含水率冻结模拟月壤单轴抗压强度约为5 MPa,10%含水率冻结模拟月壤单轴抗压强度约为13 MPa。在初始加载阶段,干密度相同、含水率不同的冻结模拟月壤试样因微裂纹压密导致的应变量基本相同;在线弹性阶段,冻结模拟月壤有效弹性模量随含水率增大而增大,其主要原因是含水率增大使得月壤颗粒间的冻结强度增大;在破坏阶段,含水率较高的冻结模拟月壤表现出脆性破坏特征,含水率较低的冻结模拟月壤表现出更显著的塑性特征。研究结果将为月球永久阴影区水冰探测方案制定、探测器研制等提供基础的科学数据支撑。     

非饱和冻土的强度分析

冻土的强度是由土颗粒与冰的结合强度所决定,冰含量(或初始含水量)和干容重是非饱和冻土强度的主要影响因素.干容重越大,土骨架能够承受荷载的有效面积越大,冻土的强度也越大.同样干容重下的非饱和冻土,冰含量越多,冰与土颗粒的结合面积越大,承受的荷载能力增强,冻土的强度越大.为此,提出冰饱和度的概念,建立了非饱和冻土强度与饱和冻土强度关系,它涵盖了干容重和冰含量的影响作用,揭示了非饱和冻土强度的机理.通过试验验证,该关系式与试验结果具良好吻合.