人工冻土力学性能影响因素敏感性分析

为分析人工冻土单轴抗压强度影响因素敏感性,选定人工冻土单轴抗压强度的7 种影响因素,按正交试验设计方案进行大量冻土单轴压缩试验,并采用灰色关联理论对试验结果进行分析,研究分析诸因素敏感性排列顺序. 试验结果表明：在选定的7 种影响因素中,温度为最大敏感因素,其它依次为深度、土性、养护时间、加载速率、含水率和密度,且选定的7 种因素均为重要影响因素,为相关室内试验与工程应用提供依据.     

冻土单轴动态加载下的力学性能

研究冻土的动态力学性能对于地下工程人工冻结法施工等具有重要意义。本文应用分离式霍普金森压杆(SHPB),研究了冻土单轴动态加载下的力学性能,涉及-3、-8、-13、-17、-23和-28℃共6个负温的冻土,应变率范围350～1200s-1。获得了相应条件下的冻土应力应变关系。冻土的单轴动态应力应变曲线具有脆性特征。发现冻土具有温度和应变率效应,其强度随温度降低和应变率增大而增大,最终应变随应变率增大而增大。冻土温度越低,应变率敏感性越强;加载应变率越高,冻土的温度效应越显著。文中提出的粘弹性损伤型本构模型能够较好的描述6个温度冻土的应力应变关系。     

寒区非圆形隧道冻胀力的解析解

利用复变函数相应理论引入一种求解考虑衬砌结构的季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形的方法.方法克服了隧道断面形状为非圆形状并且同时考虑非圆形隧道支护、冻胀圈、未冻围岩时,经典的复变函数理论不能直接应用求解非圆形隧道应力和位移的问题.方法通过将经典复变函数理论与连续性条件结合,导出了非圆形隧道衬砌-冻胀圈-未冻围岩系统在正交曲线坐标系ζ平面内的解析式,然后通过保角变换求得直角坐标系Z平面上考虑衬砌支护的寒区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形.将推导的解析式应用于鹧鸪山隧道洞口段研究中,得到鹧鸪山隧道洞口段冻胀应力和冻胀位移解析解,并将解析解与数值解进行对比,验证解析解的正确性.由结果可知:围岩冻胀力对衬砌影响明显,在拱顶、拱脚、拱底处因冻胀造成的环向附加应力显著增大;在拱脚及两侧拱肩处会受到较大的法向附加应力;由于衬砌几何形状的原因,造成了衬砌冻胀变形的不均匀,进而造成冻胀力分布不均.应用复变函数理论将冻胀圈考虑为马蹄形、直墙拱形等非圆形状较以往将冻胀圈考虑为单一圆环的冻胀力研究更符合实际,较以往研究更能反映实际工况.研究结果为季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力的弹塑性分析奠定了基础.     

寒区非圆形隧道冻胀力的解析解

利用复变函数相应理论引入一种求解考虑衬砌结构的季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形的方法. 方法克服了隧道断面形状为非圆形状并且同时考虑非圆形隧道支护、冻胀圈、未冻围岩时, 经典的复变函数理论不能直接应用求解非圆形隧道应力和位移的问题. 方法通过将经典复变函数理论与连续性条件结合, 导出了非圆形隧道衬砌-冻胀圈-未冻围岩系统在正交曲线坐标系$\zeta $平面内的解析式, 然后通过保角变换求得直角坐标系$Z$平面上考虑衬砌支护的寒区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形. 将推导的解析式应用于鹧鸪山隧道洞口段研究中, 得到鹧鸪山隧道洞口段冻胀应力和冻胀位移解析解, 并将解析解与数值解进行对比,验证解析解的正确性. 由结果可知: 围岩冻胀力对衬砌影响明显, 在拱顶、拱脚、拱底处因冻胀造成的环向附加应力显著增大; 在拱脚及两侧拱肩处会受到较大的法向附加应力; 由于衬砌几何形状的原因, 造成了衬砌冻胀变形的不均匀, 进而造成冻胀力分布不均.应用复变函数理论将冻胀圈考虑为马蹄形、直墙拱形等非圆形状较以往将冻胀圈考虑为单一圆环的冻胀力研究更符合实际, 较以往研究更能反映实际工况. 研究结果为季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力的弹塑性分析奠定了基础.      

青藏铁路建设中的冻土力学问题

根据已有的寒区工程研究资料和关于青藏公路和铁路的不断研究成果,总结了青藏铁路建设中存在的冻土力学问题,具体表现为:气候和工程影响下路基下冻土温度场变化;多年冻土路基的冻胀和融沉变形;路基的冻土承载力(动载、静载)的变化;修建的各种工程结构物下的冻胀力(特别是涵洞和桩基);次生灾害对铁路路基的影响;主动保护冻土的冻害防治措施问题.这些力学问题可以从大类上分为热学稳定性和力学稳定性两部分,但这两部分是相互耦合的．     

冻土开挖破碎方法研究现状与展望

通过对冻、融土强度性能的对比分析,发现冻土强度远大于融土,导致冻土开挖困难,是困扰寒区工程作业的一项技术难题.作者首先介绍了几种开挖冻土的方法,并对不同开挖法的实用性和可行性做了阐述,指出机械法开挖破碎冻土是十分重要和有效的措施.冻土开挖破碎的难易程度取决于冻土动力学性质及其与开挖机械的作用关系,本文对冻土动力学方面的研究做了简要概述,旨在指出影响冻土动力学性质的主要因素及其破坏损伤特征,为冻土开挖方式优化、改进开挖机械性能提供参考.最后结合以往的冻土切削和冲击试验,对进一步开展冻土开挖和开挖机械优化研究提出了几点建议,希望对改良寒区工程施工技术、提高作业效率起到指引作用.     

东北大兴安岭多年冻土区工程地质特征及评价

土体在冻结状态具有极高的压缩模量, 具有弹性体的工程地质特征。但是在冻土地温升高过程中, 这种特征急剧衰减, 产生蠕变和流变, 建筑物地基强度降低, 导致建筑物基础破坏。同时土体在冻结过程中产生的冻胀作用也将导致建筑物基础的破坏。东北大兴安岭地区多年冻土为高纬度低海拔多年冻土, 其分布具有明显纬度地带性特点。本文在分析该区多年冻土分布特征及冻土工程地质特点的基础上, 对由于土体的冻胀和融沉导致的建筑物基础的危害进行分类研究, 针对性的提出了用热棒降低土体温度以保证多年冻土稳定及用排水的方法减少水对建筑物地基多年冻土影响的工程病害处理措施。     

冻融循环和不均匀冻胀下寒区隧道的塑性解答

季冻区长期冻融循环造成围岩强度和变形性能劣化,使得寒区隧道易进入塑性状态,且寒区隧道围岩呈现以径向冻胀为主的不均匀冻胀.合理考虑寒区隧道冻融循环对围岩性能的劣化以及围岩的不均匀冻胀属性,基于Mohr-Coulomb准则推导了寒区隧道冻胀力、应力与位移的塑性解答,同时给出相应的弹性解答和冻结围岩弹-塑性状态的判定方法,对所得解答进行讨论和对比验证,最后探讨了冻融循环、不均匀冻胀与体积冻胀率对寒区隧道应力分布、塑性区半径、洞壁位移和冻胀力的影响规律.研究表明:本文解答具有广泛的适用性和良好的可比性,并得到文献塑性解答的退化验证;冻胀力、洞壁位移与塑性区半径随冻融次数增加分别增大20.3%、8.44倍、2.16倍,以量化长期冻融循环造成围岩性能的劣化效应;冻结围岩由均匀冻胀转变为不均匀冻胀时冻胀力增大42.8%,但塑性区半径几乎无变化;4种体积冻胀率参数均显著影响冻胀力,尤其是水热迁移系数可使冻胀力增大123.6%.本文结果可为季冻区隧道设计与冻害问题解决提供一定的理论依据.     

冻融循环和不均匀冻胀下寒区隧道的塑性解答

季冻区长期冻融循环造成围岩强度和变形性能劣化,使得寒区隧道易进入塑性状态,且寒区隧道围岩呈现以径向冻胀为主的不均匀冻胀.合理考虑寒区隧道冻融循环对围岩性能的劣化以及围岩的不均匀冻胀属性,基于Mohr-Coulomb准则推导了寒区隧道冻胀力、应力与位移的塑性解答,同时给出相应的弹性解答和冻结围岩弹-塑性状态的判定方法,对所得解答进行讨论和对比验证,最后探讨了冻融循环、不均匀冻胀与体积冻胀率对寒区隧道应力分布、塑性区半径、洞壁位移和冻胀力的影响规律.研究表明:本文解答具有广泛的适用性和良好的可比性,并得到文献塑性解答的退化验证;冻胀力、洞壁位移与塑性区半径随冻融次数增加分别增大20.3%、8.44倍、2.16倍,以量化长期冻融循环造成围岩性能的劣化效应;冻结围岩由均匀冻胀转变为不均匀冻胀时冻胀力增大42.8%,但塑性区半径几乎无变化;4种体积冻胀率参数均显著影响冻胀力,尤其是水热迁移系数可使冻胀力增大123.6%.本文结果可为季冻区隧道设计与冻害问题解决提供一定的理论依据.     

土冻结作用研究近况

本文回顾了30多年来我国冻土力学领域研究的发展过程,着重介绍了我们在土冻胀与冻胀力基本规律以及应用研究方面的进展近况。      

青藏铁路普通路基下冻土过程动态评价

本文主要利用青藏铁路北麓河厚层地下冰试验段中普通路基下部冻土温度的监测资料,对路基下部冻土温度变化和热收支特征进行了分析,并对修筑普通路基后多年冻土热融蚀敏感性和热稳定性进行了计算。结果表明,修筑普通铁路路基后,虽然多年冻土人为上限有较大幅度抬升,但原天然上限以下多年冻土温度却逐年升高,表现为显著的吸热状态。同时冻土热融蚀敏感性增强,冻土热稳定性下降,对路基热稳定性将产生较大的影响。     

长春季冻区路基土微观孔隙特征的定量评价

路基冻害一直是困扰东北季冻区道路建设的一个重要问题。长春冬季天气寒冷,在温度梯度作用下路基土中水分产生迁移和聚集,引起路基冻胀。春季路基解冻,集聚的冰晶体融化,路基土处于饱和或过饱和状态,承载力极低,在交通车辆作用下发生路面鼓包、弹簧、断裂和翻浆冒泡等现象,给交通运输和经济建设带来极大的危害。孔隙是水分迁移的主要通道,是影响路基冻胀主要因素之一,其特征决定土体的冻胀敏感性。本文利用WD-5配置联机图象处理系统的电子显微镜,通过图像定量分析系统,对长春季冻区路基土的微观孔隙作了定量评价。经过分析得出:3个土样孔隙直径均是小于5μm的占主导地位,都具备冻胀条件;试样水平和垂直两个方向的孔隙分布较均匀,孔隙为辐射状或网状结构,多为扁圆和等轴形状;孔隙形态分维数分析认为,分维数高,大孔隙含量多,孔隙分布比较简单,在研究范围内,有利于水分迁移,冻胀性较强。     

基于WOA-BP神经网络的超低温冻土抗压强度预测模型研究

为获得超低温冻土抗压强度预测模型, 探究超低温状态下冻土的物理性质及力学性质的变化, 对含水率19%, 22%, 25%和28%的低液限黏土土样进行?180 °C ~ ?10 °C的单轴压缩强度试验, 并测量?80 °C ~ ?10 °C土样的未冻水含量, 建立基于WOA-BP神经网络和BP神经网络的预测模型, 探究含水率、温度、未冻水含量与超低温冻土抗压强度关系. 预测结果表明: 含水率、温度、未冻水含量与超低温冻土抗压强度存在复杂的非线性关系, 特别是在?180 °C ~ ?80 °C区间内, 现有的线性拟合公式已无法准确预测该区间内冻土抗压强度; 基于WOA-BP神经网络预测模型的整体预测效果较好, 其绝对误差平均值为1.167 MPa, 相对误差平均值为7.62%, BP神经网络预测模型的绝对误差平均值为8.462 MPa, 相对误差平均值为47.99%. 基于鲸鱼优化算法的BP神经网络预测模型预测误差明显小于BP神经网络预测模型及线性拟合值, 更接近实测值. 该预测模型具有较高精确度, 能有效解决超低温冻土抗压强度与其影响因素间复杂的非线性关系, 可为人工冻结技术在地层应急工程中的应用提供参考.      

冻土动态力学性能的实验研究

利用分离式霍布金森压杆(SHPB)对4种低温下的冻土进行了4种高应变 率的动态压缩实验. 实验结果表明：冻土不仅具有温度效应,还具有应变率效应,两种效应 反映出冻土材料的时温等效性. 另外这种时温等效性在分析冻土材料的破坏过程时还体现在 它的冻脆性和动脆性. 冻土材料动态应力应变曲线的汇聚现象和振荡现象均起源于这种冻脆 性和动脆性.     

温度对季节性冻土水分迁移的影响研究

寒区季节性冻土冻胀性质对工程实际影响很大。为了了解温度对水分迁移现象的影响,本文通过地温测试仪对野外不同深度处的土层温度进行测量,并在不同时间相应深度取土样,测其含水率,通过比较不同时间不同深度处的含水率的变化情况来分析温度变化对水分迁移现象的影响。在气温回升之前,当地表温度降低时,温度随深度的降低而升高; 随着地表温度不断降低,各深度处的温度也不断下降,温度梯度增加,各深度处地层的含水率变化大,即温度梯度的增加促进了季节性冻土区水分迁移现象的发生。     

季冻区公路路基砂类土冻胀分类研究

针对季冻区公路路基用土未按照土的分类标准进行冻胀分类的现状,本文对不同含泥量的砂类土在不同含水量、饱和度和密实度状态下进行了一系列闭式冻胀模拟试验。用数理统计方法分别研究了不同含泥量砂类土的冻胀率随含水量的变化规律,并且依据现行公路土的分类标准进行了冻胀分类,为公路勘察、设计、施工和维护提供重要的参考,并为季冻区公路设计规范的编制提供可靠的资料。     

CONSTITUTIVE MODEL OF ARTIFICIAL FROZEN SOIL BASED ON CASCADE-CORRELATION NEURAL NETWORK

为解决BP (back propagation) 神经网络收敛速度慢,网络结构需事先定义等缺点,采用了级连相关神经网络模型来建立人工冻土应力和应变之间的关系. 基于该模型推导了冻土的一致刚度矩阵形式,利用人工冻土三轴试验数据对神经网络模型进行训练,并用其替换有限元计算中的传统本构模型,将计算结果与性质及含水率相同的冻土的试验结果进行了对比,发现该神经网络本构模型很好地反应了材料的非线性,能够改善数值计算结果,与实测结果吻合地很好,比具有相同隐含层神经元个数的BP 模型更接近实测结果.     

基于级连相关神经网络的人工冻土本构模型

为解决BP(back propagation)神经网络收敛速度慢,网络结构需事先定义等缺点,采用了级连相关神经网络模型来建立人工冻土应力和应变之间的关系.基于该模型推导了冻土的一致刚度矩阵形式,利用人工冻土三轴试验数据对神经网络模型进行训练,并用其替换有限元计算中的传统本构模型,将计算结果与性质及含水率相同的冻土的试验结果进行了对比,发现该神经网络本构模型很好地反应了材料的非线性,能够改善数值计算结果,与实测结果吻合地很好,比具有相同隐含层神经元个数的BP模型更接近实测结果.     

基于因素敏感性分析的人工排土场高边坡稳定性研究

在考虑人工排土场松散高边坡基本特征、变形破坏方式等的基础上,采用因素敏感性分析法,计算讨论了影响排土场高边坡稳定的主要因素--坡体几何形态特征、日常爆破震动、水等因素的变化对其稳定性的影响程度,确定了坡体几何形态特征因素为影响其稳定性的关键因素以及在确保排土场高边坡稳定条件下的单台阶合理坡角、坡高、预留宽度等人工堆积参数及最大堆积高度。     

人工冻结黏土承载力模型试验及数值模拟分析

在天然冻土地区进行工程建设需研究冻土地基承载力。在人工冻结黏土蠕变试验的基础上建立广义开尔文模型,通过改造人工冻土大型冻结试验平台,进行人工冻结黏土地基承载力试验,发现载荷–沉降曲线可以分为3个阶段,基础呈局部剪切破坏。在ANSYS中将考虑相变的温度场转化为温度载荷施加在三维实体模型上,并将广义开尔文模型应用于软件中,采用增量加载方式分级加载。对比数值模拟与模型试验结果,发现地基载荷–沉降曲线规律一致,极限承载力大小基本相等,基础破坏模式相同。结果表明ANSYS软件可以分析复杂边界、初始条件下冻土材料的性质,且能得到不同载荷下冻土材料的应力、位移、塑性区发展状况。