福州地铁隧道冻结工程冻土物理力学性质研究

冻土相关的物理力学参数是采用冻结法设计和施工的重要依据。为填补福州地区该类参数的空白,研究通过对福州地铁8种典型地层进行冻土物理力学试验,获得了这些地层的冻土物理力学参数。此外,通过对比发现冻土的物理力学参数与常规土工试验成果之间存在着对应关系,如第四系土层的比热、冻胀率、冻胀力等参数与含水量呈正比关系型,而与渗透系数、压缩模量之间呈反比关系。第四系土层的导热系数、冻结温度、冻土抗剪强度指标等参数与土的含水量呈反比关系型,而与渗透系数、压缩模量之间呈正比关系。处于原位风化的砂土状强风化花岗岩地层的导热系数、抗折强度明显优于第四系风化地层,而冻结温度、抗剪强度指标则无明显差异性特征。     

含盐冻结砂土单轴压缩试验研究

针对袁大滩煤矿井筒主斜井冻结范围内砂土地层已经存在含盐注浆材料的情况,结合工程进行了地层不同含盐量结冰温度和强度测试,得出了砂土的结冰温度随着含盐量的增加而降低,含盐量大于3%,变化明显;含盐量对-10℃冻土单轴抗压强度随着含盐量的增加强度降低显著,为井筒的冻结设计和施工提供参数。     

冻结砂土三轴试验中颗粒破碎研究

压力作用下颗粒发生破碎是引起砂土力学特性变化的重要因素之一,冻结砂土也是如此。对冻结砂土进行了不同温度和围压下的三轴剪切试验,并筛分得到三轴试验前后的颗粒大小分布曲线。通过引入Hardin定义的颗粒破碎率Br,分析了围压与颗粒破碎的关系及颗粒破碎对冻土抗剪强度的影响。结果表明:在温度为-0.5℃,-1℃,-2℃,-5℃和围压为0.5,2,5,10 MPa的条件下,三轴剪切过程中会产生较为可观的颗粒破碎;颗粒破碎率Br随围压增大,到达一定围压后Br不再随着围压的增大发生明显变化,即存在一个颗粒不再发生明显破碎的临界围压σr。结合前人研究发现,-5℃下一般工程关心的围压范围内压融对冻土力学特性没有显著影响,而颗粒破碎起控制性作用。分析表明:-5℃条件下在不同的围压范围颗粒破碎对抗剪强度具有不同的影响。试验所采用的围压范围内,随着围压的增大,颗粒破碎率增大使得冻土的抗剪强度降低;破碎率达到极限以后,由于破碎的颗粒重排列又导致抗剪强度有所提高。     

人工冻结砂土与结构接触面冻结强度试验研究

 为探究人工冻结砂土与结构接触面冻结强度影响因素及其规律,揭示冻结强度形成机制,利用自行研制的大型冻土直剪仪开展冻结强度试验研究。结果表明：人工冻结砂土与结构接触面冻结强度受接触面温度、法向应力、粗糙度等因素影响显著;冻结强度均随接触面温度降低而增大,其中极限冻结强度随接触面温度降低而线性增大,残余冻结强度随接触面温度变化呈现持续稳定、先波动后稳定及循环波动3种典型规律;冻结强度均随法向应力增大而增大,其中极限冻结强度与法向应力关系符合莫尔–库仑定律,残余冻结强度随法向应力变化呈现同样3种典型规律;冻结强度均随粗糙度增大而增大,其中极限冻结强度与粗糙度满足对数函数关系,残余冻结强度曲线波动式循环周期随粗糙度增大而增大。进一步揭示接触面冻结强度形成机制,并对残余冻结强度呈现黏滑现象作出合理解释。通过接触面冻结强度多影响因素综合分析,给出极限冻结强度与接触面温度、法向应力、粗糙度的经验公式,可用于预测极限冻结强度值。     

超低温冻结黏土单轴抗压力学性质试验研究

地下交通、煤炭开采等工程常遇砂土交错和地下水极为丰富的软弱地层施工难题,可利用液氮使土体处在超低温冻结状态以达到土层稳定和加固的目的,因此,探究超低温冻土的抗压强度对于工程施工的长期稳定和安全具有重要意义。为揭示超低温冻结黏土单轴抗压力学性质变化规律,对含水率为17%,20%,23%的土样进行–10℃~–180℃的单轴压缩试验。结果表明:冻土温度高于–80℃时,呈弹塑性破坏,低于–80℃时,呈脆性破坏;冻土抗压强度随温度降低,先呈线性增加,当温度低于–80℃后强度基本稳定,并对温度与冻土抗压强度进行拟合,拟合效果较好;含水率在17%~23%,冻土抗压强度随含水率增加而增大,冻土弹性模量随温度降低呈上升趋势,且含水率越高弹性模量越大。最后,对比分析了4种应力–应变方程对超低温冻土关系的适用性,发现幂函数和双曲线公式拟合超低温冻土应力–应变关系精度较低,拟合效果并不理想;复合幂指数模型对弹塑性破坏过程拟合精度较好,并能准确地描述该过程的屈服和破坏情况,但对于脆性破坏段的应力–应变曲线并不适应,因此该模型有一定的局限性;黏弹塑性方程对冻土应力–应变关系拟合精度最好,后引入温度函数,改进黏弹塑性方程,提出与冻土温度有关的复合型方程,该方程拟合精度更高,补充了超低温冻土应力应变方程理论,可以为实际工程提供理论参考。     

高温–高含冰量冻土压缩变形特性研究

 高温–高含冰量冻土在外荷载作用下会产生较大的压缩变形,对路基稳定性产生极大影响。室内高温–高含冰量冻土恒载变温压缩试验表明：在较低温度－1.5 ℃,－1.0 ℃下,冻土的压缩量相对较小,而在较高温度－0.5 ℃,－0.3 ℃下,冻土的压缩量相对较大,且在－0.5 ℃、－0.3 ℃两级温度荷载下的压缩量占总压缩量的70%以上;温度是影响高温–高含冰量冻土压缩系数的主要因素,在高温区内,压缩系数随温度的升高显著增大,当温度为－1.5 ℃时,冻土压缩系数为0.04 MPa－1,而当温度升高到－0.3 ℃时,冻土压缩系数变为0.29 MPa－1。路基沉降变形计算表明：对于砂砾路面路基,当路堤高度大于临界高度时,在未来50 a内不会发生融沉变形,路基的最大沉降量约为20 cm,变形符合铁路稳定性要求;当路堤高度小于临界高度时,路基下冻土随着时间的延长会发生融化,产生融沉变形,导致路基变形急剧增大,造成路基失稳。     

人工冻结粉质黏土强度特性试验研究

基于人工地层冻结法在地铁工程中的应用,以粉质黏土为研究对象,通过冻土三轴剪切试验,研究了不同负温、围压和含水量条件下粉质黏土的力学性能。研究结果表明:含水量、温度和围压对冻结粉质黏土试样三轴剪切的破坏模式、强度增长趋势等应力应变关系特征影响显著。以塑限含水量为界,三轴剪切强度随温度降低、围压增大的变化趋势存在明显的差异性,温度和围压的作用因含水量的高低发生变化。在人工地层冻结过程中,应综合考虑地层埋深、含水量等因素,设定合理的冷冻温度和时间,以保证冻结壁达到设计强度。     

围压对冻土强度特性的影响

在高围压条件下，对冻结兰州砂土进行了三轴压缩试验。试验结果表明，围压的增大明显增强了冻土的塑性性能；同时，随围压的增大冻土的强度增加，但随围压的进一步增加，强度出现降低趋势。即围压的增加可以抑制冻土的膨胀软化效应，也可以诱导膨胀软化现象。随围压的增大，强度变化过程可分为三个区：强度增加区、强度缓慢降低区和强度急剧下降区。在此基础上，给出了冻结兰州砂土的融化压力。     

冻结砂土的应力-应变关系及非线性莫尔强度准则

对于-6℃的冻结砂土进行一系列的试验,结果表明,当围压小于3.0MPa时,其应力–应变关系具有明显的应变软化现象;当围压大于3.0MPa时,其应力–应变关系则具有明显的应变硬化现象。针对广义的双曲线模型并不能很好地描述-6℃冻结砂土在围压大于3.0MPa时的应力–应变关系,邓肯–张模型也不能理想地反映围压小于3.0MPa时-6℃冻结砂土的应变软化特性,提出既能描述应变软化现象又能描述应变硬化现象的改进的邓肯–张模型。研究表明,其结果和试验结果吻合良好。由于压融现象的存在,当围压大于一定值后,冻结砂土的剪切强度随围压的增大而减小。如果用莫尔–库仑准则来描述冻结砂土的剪切强度,会产生较大的误差。为解决这一问题,提出非线性莫尔强度准则。研究结果表明,其精度较高,比莫尔–库仑强度准则能更好地描述冻结砂土的剪切强度。     

冻土动强度特性试验研究

在围压为0.3～16 MPa,频率为2 Hz,温度为-4和-6℃条件下,通过一系列恒应力幅循环动荷载试验,发现冻土动强度的变化不仅跟破坏振次的大小有关,而且与围压、循环荷载作用下土体吸收的有效能量(损失能)之间也存在一定关系。根据损失能获得试样温度的变化,将冻土动强度与温度直接联系起来,表明振动荷载作用下损失能累积造成的温度额外升高是控制冻土动强度变化特性的主要因素之一。     

青藏铁路北麓河段路基冻土强度试验分析

在温度为-1℃、-3℃、-5℃,围压为0.3~1.5MPa,含水率为12%、15%、饱和状态条件下,通过三轴试验发现冻土强度不仅与温度、围压的变化有关,而且还与冻土中含水率的大小也存在关系。根据试验数据分析结果表明饱和土样相对稳定性受围压影响较大。12%含水率土样在不同温度、围压作用下变化趋势相对其他含水率最为稳定,而围压对其强度影响较大。     

南通地区冻结黏土蠕变特性试验研究

冻结法施工是地铁开挖的常用手段,因此典型土层的冻土蠕变特性可为工程提供安全资料。针对南通地区地铁开挖过程中典型土层人工冻结黏土在不同温度水平下进行单轴抗压和蠕变试验,获得在-5℃,-10℃,-15℃温度下冻土应力应变和蠕变的特性规律。在此基础上,引入模糊数优化传统的蠕变模型,利用大量实验数据回归改进后的模型,优化后的蠕变模型能更好的拟合试验值,更能反映实际地下工程的不确定性。     

冻土直墙用于基坑支护的研究

根据相似理论并考虑工程因素，推导了直线形冻土墙用于基坑支护时其温度、变形的相似准则方程，进行了模化设计，对砂土冻土墙的温度分布和变形特征进行了模拟试验研究。研究表明：冻土墙的温度分布曲线近似为直线；用一定厚度的泡沫塑料板对冻土墙保温是可行的和方便的；冻土墙变形由转动变形、弹性变形及较大的蠕变变形组成；墙体变形随其厚度增大呈非线性减小，而随土压力增大呈非线性增大：墙体暴露时间与其变形之间呈幂函数关系。在此基础上对冻土墙的设计方法进行了探讨，提出了冻土墙厚度设计的变形约束条件和冻土墙有效厚度的概念。认为冻土墙有效厚度的确定必须综合考虑冻土墙的温度分布特性、墙体的抗倾覆稳定性、强度条件和变形约束条件等几个方面的因素。     

冻结砂土的应力–应变关系及非线性莫尔强度准则

对于－6 ℃的冻结砂土进行一系列的试验，结果表明，当围压小于3.0 MPa时，其应力–应变关系具有明显的应变软化现象；当围压大于3.0 MPa时，其应力–应变关系则具有明显的应变硬化现象。针对广义的双曲线模型并不能很好地描述－6 ℃冻结砂土在围压大于3.0 MPa时的应力–应变关系，邓肯–张模型也不能理想地反映围压小于3.0 MPa时－6 ℃冻结砂土的应变软化特性，提出既能描述应变软化现象又能描述应变硬化现象的改进的邓肯–张模型。研究表明，其结果和试验结果吻合良好。由于压融现象的存在，当围压大于一定值后，冻结砂土的剪切强度随围压的增大而减小。如果用莫尔–库仑准则来描述冻结砂土的剪切强度，会产生较大的误差。为解决这一问题，提出非线性莫尔强度准则。研究结果表明，其精度较高，比莫尔–库仑强度准则能更好地描述冻结砂土的剪切强度。     

济南粉质黏土中隧道地震动力响应试验研究

为了解济南典型地层及地铁隧道结构的地震动力响应特性,进而把握地铁隧道的抗震性能,首次使用济南粉质黏土作为模型土,开展了一组济南人工波输入情况下的振动台模型试验。试验结果显示:人工波在试验地层中加速度放大系数随测点埋深呈现反“之”字形规律;隧道结构变形主要受地层变形控制,地层水平变形随埋深增大而减小;济南粉质黏土层自振频率随着输入地震波强度增大而减小,阻尼比随输入地震波强度增大而增大。砂层自振频率随着输入地震波强度增大呈现先减小后增大的趋势,阻尼比呈现先增大后减小的趋势。这些结果可对济南地铁隧道的抗震设计提供重要的参考。     

上海粉砂土在人工冻结条件下的导电特性试验研究

在初始含水率和密度与原位土一致的情况下,通过电阻率试验对上海地铁四号线的粉砂土进行了在30～-30℃条件下的导电特性试验研究。结果表明:未冻水含量较高时,粉砂土的导电性在高电压情况下随着电压的升高而增强;在含水率和密度一定的情况下,粉砂土的导电性与温度密切相关,即电阻率随温度降低而增大,也就是说其导电性随温度的降低而减弱;在温度高于0℃条件下,粉砂土的电阻率随温度变化相对较小;在温度低于0℃条件下,粉砂土的电阻率随温度变化较明显;在30℃≥t≥0℃,0℃t≥-10℃及-10℃t≥-30℃三个温度段,分别拟合出温度与电阻率之间相关度较高的回归方程。上述结论可为今后长江三角洲地区类似土层采用电阻率法监测冻结壁的发育状况提供物理基础。     

南昌砂土地层盾构隧道地表沉降特性研究

目前地铁施工中关于砂土地层盾构隧道地表沉降的相关研究较少。基于南昌地铁部分区间的监测数据,运用了回归分析的数学方法,对相应的地表沉降进行了分析和研究,得到了地表沉降规律。研究结果得到的基于南昌砂土地层的Peck公式,并依据部分区间的施工参数统计,取得了一系列施工参数优化的措施。这些成果既是对南昌砂土地层地铁施工的有效总结,又可为其他砂土地层地区地铁的施工提供参考。     

含水率和含盐量对人工冻土强度特性影响的试验研究

冻结法已经广泛应用于建筑基坑加固、地铁隧道开挖等城市地下工程建设,针对人工冻土单轴抗压强度的研究已取得较多成果,但因其强度受温度、含水率、含盐量以及区域水文地质等诸多因素的影响,其研究成果具有典型的区域性,致使研究成果推广受限。选取天津地区粉质黏土和黏土,开展了不同含水率、不同Na Cl含量冻土试样的单轴抗压强度试验,探讨了上述两因素对两种土质人工冻土单轴抗压强度的影响规律,提出了同一温度下人工冻土强度随含水率变化存在一峰值,峰值对应的含水率定义为"冻土最佳含水率",并对其机理进行了揭示。该研究成果可为天津地区冻土工程的设计和施工提供参考。     

不同养护温度下充填体-围岩胶结面剪切破坏特征

针对深井矿山高地温影响充填体 围岩胶结面剪切破坏特征的问题,开展了养护温度20℃、40℃、60℃和80℃,法向应力为0、0.3MPa、0.6MPa的充填体 围岩胶结面剪切试验,并利用三维激光扫描系统对剪切断面进行扫描,获取断面的破坏特征和参数。研究结果表明：养护温度和法向应力均对充填体 围岩胶结面剪切强度和破坏特征有明显影响。养护温度增大,法向应力不变时,胶结面的抗剪强度先增大再减小,40℃时剪切强度最高;养护温度不变,法向应力增大时,胶结面抗剪强度呈线性增大;断面三维形貌特征参数Sp、Sv、Sz、Sa和Sq的大小与法向应力的变化呈反比,养护温度变化时其变化趋势与强度变化规律相反,40℃时达到最小值,而Ssk的大小与养护温度、法向应力大小无明显关联,Sku的大小随法向应力的增大而增大,养护温度变化时其变化趋势为与抗剪强度变化规律相同。研究结果可为深部矿山井下充填体强度设计和顶板稳定性分析提供理论依据。     

南通地铁典型土层冻胀特性试验研究

冻土的冻胀特性是地铁隧道的重要资料,在-5℃,-10℃,-15℃下,针对南通地铁典型土层冻结黏土进行冻胀力和冻胀率的试验,获得冻胀程度随时间的变化规律,基于此,利用试验数据对传统冻胀率公式进行优化,改进后的公式运用在具体工程中的计算值能很好的拟合试验值,故能更有效表征南通地区地铁典型土层冻土的冻胀特性,可为南通地铁建设中冻结法隧道建井提供可靠资料。