考虑土体结构劣化的高原山区桩-土体系数值分析

高原山区土体常年受冻融循环作用,结构不断劣化,导致桩-土界面作用削弱,对 构筑物稳定性产生不利影响 . 本文开展室内试验结合数值模拟,构建了土体在冻融循环作用 下的结构劣化模型,建立了考虑土体结构劣化的水-热-力耦合数学模型并验证了其可靠性 . 基于此,对服役期内高原山区桩-土体系稳定性进行了数值分析 . 试验结果表明,冻融循环条 件下,土体渗透系数及孔隙比随冻融次数增加呈对数型增大,土体黏聚力随冻融次数增加呈 指数型减小,内摩擦角随冻融次数增加呈对数型增大. 服役期内,桩周土体最大冻胀位移随服 役年限增加逐渐减小,最大融沉位移逐年增大,桩周土体整体呈融沉趋势;桩基冻胀位移随服 役年限增加逐渐减小,融沉位移逐年增大,冻胀融沉增长速率不断减小,但桩基融沉位移大于 其冻胀位移. 试验结果可为高原山区桩基础设计提供技术支持与理论指导.     

淮南弱膨胀土冻胀融沉特性

采用自行研制的冻胀融沉试验系统,对淮南弱膨胀土进行不同含水率、冷端温度等条件下的室内冻胀和融沉试验。结果表明:土体冻胀率随含水率、冷端温度和干密度的升高而增大;而随着含盐率的增加,冻胀率呈现减小的趋势,冻胀率与时间关系的可用指数函数y=a(1-e~(-bt))描述。通过温度和水分变化规律可知,距离冷端越远,温度下降速率越慢,达到稳定状态的时间越长。土体冻结深度随温度降低而增加,且与温度场发展规律一致。由于冻结过程中的水分迁移,使冻结区的含水率普遍大于初始含水率,而未冻区含水率则小于初始含水率,在冻结缘附近含水率达到最大,水分在此处集聚形成分凝冰夹层。另外,融沉试验的结果说明了土体融沉量会随含水率升高和温度降低而增大,由各级荷载下的融沉量确定融沉系数和体积压缩系数,为冻土沉降计算提供参数。     

类毛细导水材料排水及抑制土体冻融效果研究

为解决季节性冻土地区路基土中水分积累引起的路基冻害问题,以商用高岭土为对象,通过对使用类毛细导水材料处理后的高岭土单元试样分别进行排水和冻融试验,研究类毛细导水材料排水及抑制土体冻胀的效果. 结果表明,类毛细导水材料可以在土体非饱和条件下将其中水分排出,使土样中水分含量降低20%~30%;类毛细导水材料包裹试样侧面时的排水效果优于将其埋设于试样中,且试样初始含水率越大,类毛细导水材料的排水性能发挥越充分;冻融试验中,土样初始含水率越高,其冻胀量和融沉量也就越大,类毛细导水材料能够使土样在冻胀融沉过程中的体积变化率降低5%~15%,从而有效抑制土体冻害.     

竖向荷载下土工袋的有限元数值模拟

利用有限元数值模拟方法,研究土工袋在竖向荷载下的变形、孔隙水压力、应力及袋子张力。土工袋由土体和编织袋2种材料组成,土体采用修正剑桥本构模型,编织袋采用改进的两节点张拉杆单元模拟。计算结果表明,竖向荷载下土工袋的最大水平位移和竖向位移分别发生在土工袋两侧边缘和土工袋表层,孔隙水压力随加载时间先增长后消散,同时,袋子的平均张力与荷载呈近似线性关系。     

兰州地铁沿线粉质黏土的冻胀融沉特性

针对兰州地铁建设过程中沿线典型土质之一——粉质黏土,考虑开放与密闭2种系统下的土体含水率、干密度、冷端温度及所受荷载等冻胀融沉影响因素,研究该土质在人工冻结条件下的冻胀融沉特性,分析在单因素条件下的冻胀率和融沉系数变化规律.试验结果表明:含水率对该土质冻胀率的变化具有较大的影响,且得出该土质含水率为24%时为对融沉系数的影响转折点;在封闭系统条件下,干密度对冻胀率和融沉系数的影响较小;随着干密度增大,融沉系数增长的幅度要大于冻胀率的增长率.在开放系统条件下冻胀率和融沉系数随着干密度的增大而减小;无论在开放还是封闭条件下,随着冷端温度升高,该土质的冻胀率都呈增长趋势;荷载小于150kPa时对该土体的冻胀率有较为显著的影响.     

人工冻土融沉特性试验研究

为促进人工冻结技术在城市地下工程中的推广应用,利用自制的冻胀融沉试验装置,对南京地区典型土质进行了融沉特性室内试验.结果表明:并非所有含水土体都产生融沉.只有当土体含水率超过起始融沉含水率后才会融沉.土体融沉系数随含水率增大而增大.且淤泥质黏土、粉质黏土融沉系数随含水率增大而分段线性增大.对于非饱和土,融沉系数与干密度变化规律中存在一个临界干密度,临界千密度对应土体最小的融沉系敷.开敞型冻融时,融沉系数随温度升高而增大,封闭型冻融时,融沉系数随温度升高而减小.粉砂相对于淤泥质黏土和粉质黏土属于非冻胀融沉敏感土.     

冬季冻区混凝土输水渠道冻胀特性的数值模拟

根据新疆玛纳斯河流域红山嘴四级电站引水渠道的气温观测资料以及衬砌渠道冻胀破坏特征,利用对流传热公式并采用有限元软件按稳态热分析计算温度场,对冬季输水混凝土衬砌渠道冻胀过程进行了数值模拟,研究了渠道在冬季输水状态下的土体冻胀变形规律。计算结果表明:冬季输水渠道渠坡板的法向冻胀力峰值要比冬季停水渠道渠坡板法向冻胀力峰值高,且距离水位面1/3~1/2以上的渠坡板处易发生冻胀破坏,而现有渠道设计中过水断面的形式和结构设计均未考虑冬季输水状态下渠道法向冻胀力与切向冻胀力与停水渠道受力之间的差异,以及破坏位置的上移,这是不符合实际的。     

抗滑结构对渠坡增稳效应的有限元分析

采用有限元强度折减法,对南水北调工程某渠坡在仅考虑重力荷载作用下进行了三维有限元稳定性计算,讨论了衬砌、抗滑桩等抗滑措施对渠坡的增稳效果,对渠坡稳定计算中抗滑结构与土体之间有无接触进行了对比分析.结果表明:衬砌明显提高了渠坡的抗滑稳定性,而抗滑桩的增稳效果不明显,原因在于抗滑桩并没有阻断塑性贯通区;抗滑结构与土体土之间考虑接触后,渠坡稳定安全系数明显降低,塑性贯通区表现出明显的变化,接触分析可以较为真实地反映抗滑结构和周围土体之间的接触效应.     

不同土样冻胀融沉特性实验和数值模拟研究

为了研究土样、荷载、吸水量以及温度等因素对冻胀量和融沉量的影响,运用多功能冻胀融沉实验系统,分别以粉细砂、粉质黏土、黏质粉土和杂填土为研究对象,进行在试件周边和底部限制变形条件下顶部施加不同荷载的冻胀融沉实验。研究结果表明:(1)土样冻胀变化趋势主要分为三个阶段:缓慢冻胀阶段、快速冻胀阶段以及稳定冻胀阶段;(2)随着冻结温度的降低,土样冻胀量均逐渐增大,并最终趋于稳定;(3)冻结过程中吸水量和冻胀量成正比,变现出良好的想关性;(4)在试样上部施加荷载对试样的冻胀产生明显的抑制作用,随着荷载的加大,冻胀量逐渐减少最终接近于零;(5)无论土样是否受到载荷作用,粉质黏土的冻胀率均为最大,而杂填土的冻胀率最小,且黏质粉土的冻胀率大于粉细砂;(6)冻胀量对融沉量影响较大,冻胀量越大融沉量也越大,且融沉量大于冻胀量。研究成果对土体冻胀融沉的研究具有重要的指导意义。     

常见衬砌渠坡混凝土封顶板变形破坏外因分析及防范措施

随着衬砌渠道节水工程的发展,混凝土、浆砌石衬砌渠道防渗主体部位质量越来越好,而作为非主体部位的渠坡混凝土封顶板的质量却大大下降,特别是外因引起的变形破坏较为严重,影响了渠道的美观,失去了保护渠坡和垫层的屏障作用.本文阐述了常见渠坡混凝土封顶板外因变形破坏的特点、成因及防范措施.     

永冻区埋地管道周围土壤水热力耦合数值计算

基于中俄原油管道永冻区工程建设特点,建立冻土多孔介质水热耦合数学模型。地表环境温度采用周期性边界条件,利用SIMPLER算法进行数值求解,得到埋地热油管道自第一年4月末投产,不同月份土壤温度场、水分场、冰水相变界面移动规律随环境温度周期波动的变化关系,并利用ANSYS软件对土壤水热耦合温度场进行冻胀应力分析。结果表明:在地表温度的周期波动下,较长时间内管道周围土壤温度变化剧烈,且受温差和重力的影响,土壤中水分产生了沿管道中心线自上而下的自然对流,随地表以下不同土层温度的不断变化,自然对流涡旋中心形态及强度变化明显,温度梯度对水分迁移影响较大;随着地表温度的升高,管道上方土体的融沉速率略大于管道融沉速率;伴随着融化圈的不断扩大,管道附近土体受较小应力作用范围大,容易发生不均匀冻胀。     

季节性冻土区路基土的冻胀特性分析

在季节性冻土区的路基工程中,冻胀、融沉和翻浆都会对道路产生较严重的破坏。根据2000—2002年间对吉林省长余高速公路路基冻胀观测所获得的资料,分别分析了温度、水分、土质、路基类型等因素对路基冻胀的影响。     

季节冻土区寒土土体温度场的计算模型

从能量的角度,用传热学的知识建立季节冻土区体内温度随气温变化的模型,从而可得到负温时期内任意时刻土体的冻结深度,实现对寒区土体冻胀情况的预报。     

季冻区高速铁路路基冻融变形特征研究

为研究季冻区高速铁路路基冻融病害及其变形特征,以兰新高速铁路K1934+190无砟轨道路基断面作为研究对象,在已有的水分迁移控制微分方程、瞬态温度场控制微分方程及土体单元应力-应变方程的基础之上,建立了无砟轨道路基受水分、温度及应力影响的数学计算模型,通过模拟和现场监测对比分析了自2019年10月初至2020年5月初路基的动态变化规律。结果表明,由于水分场、温度场对季冻区高速铁路路基的耦合作用,致使路基水分变化、温度变化及由此产生的温度场重分布、水分场重分布是导致路基发生冻胀融沉的关键因素,其变形在时间域上呈规律性变化,这一结论可为研究冻土地区高速铁路路基冻害治理提供参考。     

黏性土桩锚基坑冻胀模型试验及其响应分析

黏性土地区基坑的冻胀效应对于工程施工和支护方案设计影响至关重要.结合东北某基坑工程,现场取样,利用室内模型相似试验,得出了黏性土地区桩锚基坑冻胀的力学变形规律,以及冻土压力与位移的函数关系,在此基础上引入支护结构协调变形方程,应用有限差分原理,考虑桩土相互作用,得出冻胀桩锚基坑支护体系的计算结果.基坑冻胀实例表明,桩锚体系考虑冻胀力影响的基坑施加冻胀作用的计算方法,更接近工程监测实际情况,可以在类似工程中推广应用.     

袋装膨胀土强度变形特性及其碾压质量控制与检测

为研究袋装膨胀土的强度变形特性,开展了袋装膨胀土的无侧限抗压强度试验,分析了袋体加载过程中的应力应变关系演化规律,并验证了落锤式弯沉仪用于袋装膨胀土施工质量检测的可行性,探讨了小型平板振动碾的碾压时间和小型滚筒振动碾的碾压遍数对袋装膨胀土回弹模量的影响。试验结果表明:土工袋用于处理膨胀土渠道边坡时只需通过适当碾压消除应力应变关系曲线上初始变形模量“较低”的阶段即可;落锤式弯沉仪可用于袋装膨胀土的施工质量检测;建议膨胀土渠道边坡施工过程中采用小型滚筒振动碾对袋装膨胀土进行碾压,碾压遍数应不低于4遍。     

重塑黏土单向冻结过程中水分迁移试验研究

利用室内水分迁移试验装置,通过改变土体初始含水率和温度梯度,进行土样单向冻结试验,研究含水率和温度梯度对土体中水分迁移和土样冻结过程的影响。结果表明:土样冻胀后在上部冻结区产生了不规则网状裂缝,裂缝最密集区域含有大量冰晶体,导致此处出现含水率峰值,峰值大小主要受初始含水率影响,但其出现位置主要由温度梯度决定; 上部冻结区增加的含水量来源于外界水分补充和未冻结区的水分迁移,下部未冻区的含水率较初始状态降低,其降低程度主要受初始含水率控制; 在整个冻结过程中,外界水分一直向土样内部迁移,水分迁移速度先增大再降低,温度梯度增大导致入流量和入流通量相应增加,初始含水率越大则入流量越小; 土样冻胀速率和冻结速率主要受温度梯度影响,整体趋势都是先增大到峰值,再逐渐降低并趋于稳定。     

压实度及水分对青藏高原季冻区砂砾土冻胀特性的影响

 针对青藏高原季冻区某机场道基主要材料砂砾土,通过实验系统地研究了压实度、初始含水率及补水状况对砂砾土冻胀特性的影响规律。结果表明,在封闭条件下,若初始含水率不变,则砂砾土冻胀率随压实度的增加呈先增大后减小的趋势,在压实度为95%左右时达到最大值,若压实度不变,则冻胀率随初始含水率的增加呈线性增大;压实度和初始含水率均与冻胀率之间存在高度相关的函数关系,这些关系式在某些情况下可用于相关指标的相互预测。在开放条件下,砂砾土的冻胀率较封闭条件下显著增大,通常达3~4倍以上。为有效防治砂砾土冻胀,应严格控制压实度和初始含水率,同时采用降低地下水位、设置隔水垫层等措施阻止外界水源补充。     

热流固耦合作用冻土路基变形规律研究

为揭示季节性冻土路基温度场、应力场和夏季降雨与冰晶融化所产生的渗流场,三场耦合引起的冻土路基变形与破坏.根据热流固三场耦合理论,提出了考虑相变的温度场、渗流场和变形场耦合的数学力学模型,体现了冻土路基中固体骨架、水、冰三相介质的水、热、力耦合作用;在数值模拟分析中,将路基仅受温度载荷与温度和车辆荷载共同作用进行了比较,得出冻土路基的变化规律,其研究结果对冻土路基的施工和维护有一定指导意义.