粉砂土反复冻胀融沉特性试验研究

针对深季节冻土区的特殊环境,通过室内试验研究了粉砂土在不同初始含水率、干密度、荷载、冻融次数条件下的反复冻胀、融沉特性。研究结果表明：粉砂土的冻结温度为-1.03 °C;其冻胀融沉变形随冻融次数的增加呈现波浪式起伏变化,并最终趋于稳定状态;经历多次冻融后,干密度较大试样整体表现为膨胀,干密度较小试样整体表现为压密;上部荷载在抑制冻胀的同时加大了试样的整体融沉变形,却降低了每次冻融的冻胀率和融沉系数;存在一个最优初始含水率,该含水率条件下,试样经历多次冻融后的高度不发生变化;由于外界水源的补给,冻融后试样内部含水率均大于初始含水率;干密度和顶端荷载的增大均有效地抑制了外界水源的补给;4次冻融循环后,粉砂土的冻胀率、融沉系数均逐渐趋于稳定。     

试件形状对冻结粉土抗压强度影响的试验研究

在不同温度和应变率条件下,分别对圆柱体和正方体冻结粉土进行了单轴抗压强度试验,分析比较了二者的应力-应变关系、抗压强度及破坏应变.结果发现:单轴压缩下正方体与圆柱体冻结粉土的力学性质存在差异.正方体冻结粉土的应力-应变曲线有明显的弹性屈服点,屈服点后曲线呈线性硬化,而圆柱体冻结粉土的应力-应变曲线无明显弹性屈服,全应力-应变曲线呈抛物线型.相同温度和应变率条件下,圆柱体试样的应变软化程度比正方体试样大.相同试验条件下正方体冻结粉土的抗压强度及破坏应变大于圆柱体的抗压强度和破坏应变,二者抗压强度及破坏应变的差异程度与温度和应变率无关.研究结果可为冻结壁的设计提供重要依据和参考.     

水汽补给下砂土水分迁移规律及冻胀特性研究

利用自主研发的水分迁移和冻胀试验装备,研究了不同初始含水率、冷端温度、干密度对砂土水分迁移规律的影响,分析了三因素作用下砂土水平冻胀力和冻胀量的变化规律,确定了冻结锋面位置。研究表明：初始含水率和冷端温度对砂土的水分迁移和冻胀效果影响明显;初始含水率从0%增加至10%,试样含水率峰值增大了5.00倍,水平冻胀力和冻胀量不断增大,冻结锋面位置上移至2.5 cm高度处。冷端温度从?5 ℃降低至?15 ℃,试样含水率峰值增大了4.38倍,水平冻胀力和冻胀量不断增大,冻结锋面位置上移至2.6 cm高度处。干密度对试样水分迁移和冻胀特性影响相对不明显,整体呈现出在较小干密度下,试样含水率、水平冻胀力和冻胀量增幅稍大的趋势,冻结锋面集中在2.2～2.5 cm高度处。针对不同影响因素提出了水平冻胀力和冻胀量预测公式,为认识水汽补给下砂土水分迁移规律及合理预防冻胀提供参考。     

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。     

初始含冰量对冻结粉质砂土变形与强度的影响

基于一系列同一温度、不同初始含冰量和应变率条件下的高含冰冻结粉质砂土的单轴压缩试验,开展了高含冰量对冻结粉质砂土变形行为和强度特性的初步研究。结果表明：随着试样中初始含冰量的增加,冻结粉质砂土的塑性增强,当初始含冰量超过210.1%后,应力-应变曲线趋近于冰的特性,可用修正的Duncan-Chang双曲线模型较好地描述其单轴压缩应力-应变关系;当应变率为0.083×10-3 s-1和0.467×10-3 s-1时,其初始切线模量呈非线性增大,但当应变率为0.667×10-3 s-1时,初始切线模量增大到一最大值之后转而减小,并且影响程度与应变率大小有关;当初始含冰量从32.9%增加到304.0%,冻结粉质砂土强度也是先非线性增大,然后逐渐趋于稳定,两者可用对数函数关系很好地描述。其研究结果可为开展高含冰冻土区路基的稳定性评价提供基础。     

冻融条件下非饱和路基土的强度及微观特性研究

为探究非饱和路基粉质黏土在冻融条件下的强度及微观特性的影响,对路基非饱和粉质黏土进行了冻融循环试验、非饱和土直剪试验、氮吸附试验,结果表明：非饱和土强度随冻融循环的增加呈先减小后趋于稳定的趋势,冻结负温为-10℃黏聚力降低最明显,通过BET法求得试样经历不同外部条件影响后的比表面积值,根据氮吸附试验的等温线计算出非饱和路基土的分形维数,试验试样的比表面积与分形维数都随冻融循环次数的增加先增大后减小,冻融循环3次时达到最大值,随冻结负温的降低而降低。从微观的角度解释了非饱和路基粉质黏土经多次冻融循环后,基质吸力对非饱和土的黏聚力影响的原因。     

压实黏质砂土脱湿过程影响机制的核磁共振分析

通过对具有不同初始含水率和干密度的两种压实黏质砂土的脱湿曲线进行测试、分析和对比,并结合核磁共振技术,探讨了干密度、初始含水率和土样组分对压实黏质砂土脱湿过程的影响规律。利用核磁共振测得了试样在各级吸力下的T2时间（横向弛豫时间）分布曲线,定性地探讨了不同吸力下试样中的水分分布特征,揭示了干密度、初始含水率和土样组分对试样脱湿过程的微观机制影响。试验结果表明：干密度仅在低基质吸力条件下对试样脱湿过程产生重要影响,而在高吸力条件下初始含水率和试样组分起主导作用;核磁共振结果证实在压实黏质砂土中,小孔隙结构主要由初始含水率和试样组分控制,而大孔隙的结构主要取决于干密度;试样组分对压实土的内部结构和孔隙大小分布的影响比初始含水率大。     

冻结方式对冻土试样制备的影响

冻土试样的制备是进行冻土试验最为基础而重要的工作,其中土样在冻结过程中受到的影响直接关系到试样内部状况.为研究冻结方式对粉质粘土含水量和干密度分布的影响,采取不同的冻结方式即单向冻结和多向冻结方法,对比分析不同状态下兰州黄土和北麓河粘土冻结试样各部位含水量与干密度的分布状况.结果表明:试样内含水量和干密度的分布程度取决于土的类型、饱和状态和冻结方式,具体为:非饱和兰州黄土在多向冻结情况下,可以取得比单向冻结更加均匀的冻结试样;饱和兰州黄土冻结试样无论是单向冻结还是多向冻结都较为均匀;北麓河粘土无论饱和与否,均以单向冻结为好.     

含盐土导热系数的试验研究

室内试验表明, 含盐土的导热系数与其含盐成分(盐类)及含量有很大的关系. 同类土在含水量和干容重相同时, 在同一正温条件下粘土和砂土的导热系数是随氯化钠盐含量的增加而增大, 随硫酸钠盐含量的增加而减小; 在同一负温条件下, 无论何种土和含何种盐其导热系数均随含盐量的增加而减小, 含盐砂土和含硫酸钠盐土减小幅度显著. 硫酸钠盐土在含盐量相同时, 导热系数在负温区随温度升高而减小, 在正温区随温度升高而增大; 硫酸钠盐土在含盐量和温度相同时, 其导热系数随含水量的增加而增大.     

双向冻结-单向融化土压缩性及水分迁移试验研究

通过室内冻融试验,研究双向冻结-单向融化作用下不同冻前含水率和干密度对青藏粉黏土压缩特性的影响及水分迁移的变化规律。试验结果表明：（1）大梯度冻融作用使低密度土压缩性减小,使高密度土压缩性增大;而小梯度冻融作用使低、高密度土的压缩性均减小;（2）随着冻前含水率的增加,大梯度冻融作用使土体压缩性增大,但变化幅度逐渐减小,小梯度冻融作用的土体压缩性变化并不明显;（3）随着冻结梯度的增加,不同干密度融土相对压缩系数均呈现先减小后增加的变化趋势,不同冻前含水率融土相对压缩系数总体呈增大趋势;（4）温度梯度冻结后,试样含水率分布从上冷端到下冷端呈增大-减小-增大的变化规律,随着冻结温度梯度的减小,试样中部含水率先增大后减小。     

吹填粉砂土固结蠕变试验及模型

通过分析法向应力、干密度、土样尺寸对吹填粉砂土蠕变特性的影响,深入研究其固结蠕变特性。与Kelvin模型相比,采用Burgers体模型能够更合理地阐释吹填粉砂土的蠕变曲线;采用FLAC^3D方法可开展吹填土蠕变过程的三维数值模拟。结果表明：吹填粉砂具有一定的蠕变特性,并可用幂函数描述应力-应变、应变-时间的关系;干密度一定时,法向应力愈大,初始应变愈大,达到稳定的时间愈长;法向应力一定时,干密度越大,初始变形越小,最终稳定所需时间越短;大尺寸试样（Ф 200.0 mm× H200.0 mm）的瞬时变形与蠕变形率要比标准尺寸（Φ 61.8 mm×H 20.0 mm）大,稳定所需时间要长;此外,Burgers体模型模拟吹填粉砂土固结蠕变变形优于广义Kelvin模型并具有可行性。     

土的冻结温度与过冷温度试验研究

通过不同降温条件的冻结试验,明确了土中出现过冷的条件。当环境温度高于土的最低过冷温度时,土表现出稳定的过冷状态;当环境温度低于最低过冷温度时,边界出现短暂过冷,而土样内部不出现过冷。通过分级降温的方法测定了不同含水率的粉质黏土和细砂以及不同NaCl浓度的粉质黏土的冻结温度和最低过冷温度。当含水率等于或高于饱和含水率时,含水率对冻结温度影响不大;当含水率低于饱和含水率时,冻结温度随含水率减小而降低;不同含水率土样的最低过冷温度相差不大;冻结温度降低随NaCl浓度增大的比例系数与理想稀溶液中水的凝固点降低系数非常接近。结合稳定冻结时间、冻结温度、环境温度或最低过冷温度引入了能间接反映自由水含量的指标。     

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。     

高分子固化剂/纤维改良砂土的抗拉强度试验研究

本文采用高分子固化剂和聚丙烯纤维对砂土进行复合加固,通过对不同聚丙烯纤维含量、固化剂含量和干密度的重塑试样进行抗拉试验,测量试样破坏时的最大拉应力,对比不同试样抗拉强度的变化规律,并结合扫描电镜对复合加固机理进行较为深入的分析。试验结果表明,高分子固化剂和聚丙烯纤维的复合加固能够显著提高砂土的抗拉强度,纤维含量、固化剂含量和干密度对改良砂土的抗拉强度均具有较大的影响。当干密度和高分子固化剂含量一定时,砂土抗拉强度随纤维含量的增加逐渐增加,当固化剂含量为4%,干密度为1.5 g·cm-3时,纤维含量从0.2%到0.8%,抗拉强度从79.06 kPa增加到194.51 kPa;当干密度和纤维含量一定时,砂土抗拉强度随着高分子固化剂含量的增加而增加,当纤维含量为0.8%,干密度为1.5g·cm-3时,固化剂含量从1%到4%,抗拉强度从63.16 kPa增加到194.51 kPa;当高分子固化剂含量和纤维含量一定时,抗拉强度随着干密度的增加先增加后减小,在干密度为1.55 g·cm-3左右达到峰值。复合加固结合物理和化学加固的优点,通过纤维在颗粒间的相互作用力和固化剂在颗粒间的联结力,从而提高改良砂土的抗拉性能。本研究结果为进一步研究砂土复合加固及其工程应用提供一定的参考依据。     

考虑场地动应力条件的饱和海洋粉细砂液化特性

确保地震荷载作用下海床场地的动力稳定性是海洋工程全寿命周期安全运行的重要保证,然而对复杂海域环境下饱和粉细砂的液化特性研究尚属少见。基于海域场地动应力计算方法,确定各试验工况的场地循环应力比CSR,并对试样施加与之对应的不排水循环荷载。试验结果表明：可液化的海洋粉细砂在考虑其场地动应力条件的循环荷载作用下出现不同的液化可能性;粉细砂呈循环破坏模式,将双幅轴向应变>5%作为循环破坏标准;海洋粉细砂的液化可能性与土体的埋深及动应力均不呈单一相关性,而是随着干密度的增大,液化振次逐渐增大,当干密度＞1.72 g/cm3时土体不再液化。该结果可为杭州湾区抗震区划及海洋工程结构抗震设计提供参考。     

非饱和粗颗粒土体的冻结试验研究

按照实际工程中路基填料的级配要求配制试样,在考虑覆盖层和补水条件下进行室内单向冻结试验,开展了土质、温度梯度和温度边界条件对非饱和粗颗粒填料冻胀特性的影响研究。试验结果表明：土质、温度梯度和温度边界对粗颗粒填料的冻胀特性影响显著。其中混合细粒的冻胀量最大、黏质黄土次之、粉质黏土最小,且其对应的试样顶部、冻结锋面处的含水量及外界补水量均具有相同的大小关系。温度梯度越大,冻胀量越大,试样顶部含水量越高,但冻结锋面处的含水量变化比较小,同时外界补水量越小。试样冷端温度边界越低,冻胀量越小,试样冷端含水量越小,但外界补水量越大。