毛细黏聚与冰胶结作用对非饱和粉质黏土冻结强度及变形特性的影响

为探究毛细黏聚和冰胶结作用对冻土强度及变形特性的影响,通过室内试验测定不同饱和度、初始孔隙比情况下,压实、冻结和风干土样的强度及三维等温冻结变形和压缩特性。试验结果及数据分析表明:非饱和粉质黏土冻结强度的提高是基质吸力增加导致的毛细黏聚与冰胶结黏聚共同作用的结果。饱和度较低时,毛细黏聚作用占较大比重;随着饱和度的提高,冰胶结逐渐占主导作用。假定相同吸力条件下,冻土和非饱和土毛细黏聚力相当,发现冰胶结黏聚力和冻土体积含冰量之间存在线性关系。对于粉质黏土体变,当饱和度高(0.75)时,土体表现为冻胀,当饱和度低(0.75)时,土体表现为冻缩,说明冻土体变由黏聚力增加导致的体缩作用与冰水相变导致的体胀作用共同决定。当土样初始饱和度和孔隙比相同时,由黏聚力增加导致的体缩量和受到压力时产生的压缩量相当,可由压缩曲线预估土体的体缩量,体积含冰量与冰水相变导致的体胀量存在线性关系。     

非饱和膨润土失水收缩与冻结体变关系研究

与饱和膨润土呈现冻胀现象不同,非饱和膨润土在冻结过程中体缩现象显著,其体缩可能与其失水收缩和冰水相变后产生的冰晶胶结作用有关。为探究非饱和膨润土的冻结体变特征,进行了不同初始孔隙比、饱和度下的三维等温体变试验、常温风干试验。试验结果表明:非饱和膨润土冻结温度低于粉质黏土,和其初始含水率正相关;非饱和膨润土在冻融循环中存在低密度土体被压密,高密度土体密度减小的现象。非饱和膨润土在冻结过程中,低饱和度土样存在明显的体缩现象,随着饱和度的提高,其体缩现象逐步消失直至出现明显冻胀;这种现象说明:冻结过程中,不仅存在冰水相变引起的冻胀作用,而且还存在着由于冰水胶结而产生的体缩作用;通过进一步的数据分析,得到了冰水相变导致的体变与土体体积含冰量之间的关系,它综合反映了饱和度、孔隙比、温度等因素对非饱和膨润土冻结体变特性的影响。     

初始干密度对非饱和土变形及强度影响的试验研究

通过压力板仪测定并对比分析了不同初始干密度下粉质黏土的土水特征曲线;使用GDS非饱和土三轴仪,进行了不同初始干密度、不同基质吸力下非饱和粉质黏土的强度试验。结果表明:van Genuchten模型可以较好拟合不同初始干密度粉质黏土土水特征曲线;试样进气值与初始干密度呈正相关,持水能力和水稳定性随初始干密度的增大逐渐增大;相同初始干密度的非饱和粉质黏土强度随基质吸力的增大而增大,随着基质吸力的增大,基质吸力对试样抗剪强度的贡献值逐渐变小。不同初始干密度的试样体积变化均随着基质吸力的增大而减小,且初始干密度越大,不同基质吸力试样体变越接近一致。重塑非饱和粉质黏土的应力-应变关系可以用双曲线模型来描述,试样切线模量随基质吸力的增大而增大。     

列车荷载下青藏冻结粉质黏土变形特性试验研究

基于低温动三轴试验,对列车荷载下青藏冻结粉质黏土的动应变发展情况进行研究,得到冻结粉质黏土的回弹应变和累积塑性应变随振动次数、动应力幅值、冻结温度和初始含水率而变化的规律。结果表明:①青藏冻结粉质黏土回弹应变在加载初期迅速减小,振动一定周次后随振动次数的增加不均趋于稳定;②累积塑性应变随着振动次数的增加呈增大趋势,且表现出稳定型、破坏型和临界型三种形态;③冻结粉质黏土的回弹应变和累积塑性应变随着动应力幅值增加和冻结温度升高而增大;④初始含水率越高,冻结粉质黏土的回弹应变越小、累积塑性变形越大。研究成果对我国冻土地区铁路路基长期动力稳定型评价及路基设计具有重要参考价值。     

邯郸非饱和膨胀土的干燥收缩试验研究

基质吸力和净平均应力的增大均可引起土体的压缩变形。针对物理性质不同的4种非饱和膨胀土体结合试样收缩曲线和土水特征曲线分析了土体干燥过程中基质吸力和孔隙比的关系。试验结果表明:土体干燥收缩过程中随着基质吸力的增大试样不断发生收缩,当基质吸力增大到某一定值时,基质吸力的增大对试样收缩变形无明影响,称此基质吸力为缩限吸力。并且不同性质土体的缩限吸力不相同,缩限吸力值与土体的塑性指数密切相关。在干燥收缩过程中,当试验的饱和度减小到85%时试样完成了绝大部分收缩,当试验饱和度达到70%时土样的孔隙比基本保持不变。     

非饱和重塑土的干燥收缩试验研究

基质吸力和净平均应力的增大均可引起土体的压缩变形。针对砂土、粉土、黏土和软土4种不同类型土体,结合试样收缩曲线和土水特征曲线分析了土体干燥过程中基质吸力和孔隙比的关系。试验结果表明:土体干燥收缩过程中随着基质吸力的增大试样不断发生收缩,当基质吸力增大到某特定值时,基质吸力的增大对试样收缩变形无明显影响,称此基质吸力为缩限吸力。屈服吸力s0和缩限吸力ss将试样收缩过程分为弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段3个阶段。并且不同类型土体的缩限吸力不相同,缩限吸力值与土体的塑性指数密切相关。在干燥收缩过程中,当试样的饱和度减小到90%时试样完成了绝大部分收缩,当试验饱和度达到70%时土样的孔隙比基本保持不变。     

基于冻土正交各向异性冻胀变形的隧道冻结期地层位移数值分析

 针对隧道水平冻结法施工的特点,综合考虑地层温度、地表对流等各类初始和边界条件及土体的相变潜热过程,建立隧道水平冻结温度场的数学模型。定义土体的冻胀率为瞬时体应变,考虑冻土的正交各向异性冻胀变形特征,即冻胀变形主要发生在沿热流方向(温度梯度方向),引入变形特征系数的概念,从而导出土体温度降至冻结温度后而产生的瞬时热应变分量(冻胀应变分量),并建立地层冻胀的弹塑性热力耦合数学模型。基于ABAQUS有限元软件的二次开发技术,编制冻土正交各向异性冻胀变形的用户子程序,从而提出隧道水平冻结期地层位移的热力耦合数值分析方法。将该方法应用于某浅埋大断面地铁隧道水平冻结工程中,获得地层冻结温度场和冻胀位移场的分布规律,并与现场实测结果相比较,验证数值分析方法的可靠性,同时表明地层位移分析中考虑冻土正交各向异性冻胀变形特征的必要性。     

非饱和黏土变形和强度特性试验研究

 利用双压力室非饱和三轴仪,进行非饱和黏土脱湿、等吸力固结和排水剪切试验,研究非饱和黏土的体变、屈服和强度特性,结果表明：在低吸力范围内,非饱和黏土在脱湿过程中的体积收缩呈弹塑性体变性状,验证了非饱和土本构模型中SI屈服曲线的存在;在等吸力固结试验中,黏土固结屈服应力随着吸力增加而增加,LC屈服曲线呈二次抛物线变化,固结压力的增长比基质吸力的增长对体变性状的影响效应要大。在剪切试验中,非饱和黏土应力应变关系依赖于净围压和基质吸力的不同组合,基质吸力增强土体应力–应变关系的硬化特性;在不同的吸力条件下,固结排水剪的有效内摩擦角基本不变,黏聚力的增长与吸力的增长基本呈线性关系。     

冻融过程中未冻水含量对非饱和粉土抗剪强度的影响

对含水率为18.3%的非饱和粉土进行了冻融过程中不同温度下的直剪试验,用核磁共振测定了冻融过程中孔隙水的相变过程,并分析了未冻水、孔隙冰对其力学性质的影响机制。试验结果表明:(1)非饱和粉土冻结可分为过冷段(-1.15℃)、快速冻结阶段(-1.15℃～-2℃)和稳定冻结阶段(-2℃),快速冻结阶段76%的孔隙水冻结,而稳定冻结阶段未冻水含量只减少7%;(2)冻融过程中黏聚力随温度发生显著变化,内摩擦角变化幅度很小;(3)冻结过程中抗剪强度的变化主要发生在稳定冻结阶段,快速冻结阶段黏聚力仅增大38.5%,内摩擦角基本无变化,而稳定冻结阶段黏聚力增大123.5%,内摩擦角降低12%。得到以下结论:(1)快速冻结阶段黏聚力增大主要是由于孔隙水冻结导致基质吸力增大,毛细黏聚作用增强;稳定冻结阶段黏聚力增大主要是由于冰对土颗粒胶结强度增大;(2)含冰量变化不大时,冻土抗剪强度主要受冰对土颗粒胶结强度的控制,而此胶结强度决定于未冻水膜的厚度;(3)稳定冻结阶段内摩擦角降低主要由孔隙中水冰相变发生体积膨胀时对土颗粒骨架的作用力导致。     

氯盐粉质黏土冻结过程中变形特性及其机制研究

近海和海底粉质黏土受海水浸渍形成氯盐土,为研究氯盐粉质黏土冻胀变形特性,揭示其冻胀变形机制,通过开放系统单向冻结试验监测冻结过程中不同氯盐含量土体冻胀变形及水盐迁移规律;开展核磁共振试验获得冻结过程中孔径分布,探讨微观结构变化与宏观冻胀变形内在联系。单向冻结试验结果表明：含盐量对冻结锋面发展、水盐迁移以及冻胀均有显著影响;冻结锋面先快速发展后趋于稳定,含盐量越低冻结锋面稳定位置距离冷端越远。土水势梯度是水盐迁移的驱动力,含盐量越低土水势梯度越大,引起的水盐迁移越明显。冻胀随含盐量增加而减小,补水引起冻胀占总冻胀的主要部分。冻结结束时的冻胀率随含盐量增加表现为先降低后增加,存在一个临界含盐量,即1%含盐量的冻胀率最低。核磁共振试验表明：试样中的孔隙主要由中孔隙组成,冻结过程中中孔隙向大孔隙和小孔隙转化,含盐量越低孔隙体积转化比例越大。这是由于低含盐量土中发生更多冰水相变,微观孔隙结构改变更为明显,产生冻胀也更为显著。     

膨胀土增湿过程中吸力–孔隙比–含水率关系

通过不同初始孔隙比条件下的土水特征试验及增湿试验,研究了膨胀土的土水特征曲线拟合参数及体积膨胀曲线拟合参数与初始孔隙比的关系,采用曲面拟合法建立了孔隙比与重量含水率及初始孔隙比的关系曲面、孔隙比与吸力及初始孔隙比的关系曲面、重量含水率与吸力及初始孔隙比的关系曲面、体积含水率与吸力及初始孔隙比的关系曲面。试验结果表明,在重量含水率(或吸力)–初始孔隙比–孔隙比坐标系中的体变曲面由饱和部分及非饱和部分组成;在增湿过程中,曲面由非饱和区进入饱和区的转折点对应的重量含水率随着初始孔隙比的增大而增大,转折点对应的吸力随着初始孔隙比的增大而减小;在吸力–初始孔隙比–重量含水率或体积含水率坐标系中,与特定初始孔隙比对应的土水特征曲线是纵坐标恒定的平面曲线;在吸力–孔隙比–重量含水率或体积含水率坐标系中,与特定初始孔隙比对应的土水特征曲线是纵坐标在变化空间曲线,它能同时表示初始孔隙比的影响及试验过程中孔隙比的变化。     

高压力作用下深部黏土冷却过程及其特征研究

深部黏土的埋深决定着深部黏土在进行人工冻结期间所承受的地压力的大小,而较大的地压力将会影响冻结壁形成时冻结温度的大小以及冻结壁的冷生构造,从而影响冻结壁的强度与稳定性。本研究通过对高压力作用下的深部黏土在不同含水率状态下进行冷却过程试验,分析了压力大小对不同饱和状态的深部黏土冷却曲线形式及初始结晶温度、冻结温度及过冷度的影响。结果表明:深部土的冻结温度、初始结晶温度以及过冷度都与土体所承受的压力密切相关。不论是非饱和状态、饱和状态还是过饱和状态下的深部黏土,其冻结温度都随土体所承受压力的增大而减小,而初始结晶温度则随压力的增大呈起伏状变化。利用物质结晶理论,进一步分析后认为冻结过程主要是自由孔隙水的相变过程;而压力作用会通过改变土体中土颗粒对孔隙水分子的吸附作用,改变土体中自由水的含量,进而改变土体冻结过程中潜热释放量的大小,最终影响土体冷生构造。     

高吸力下高庙子钙基膨润土的土水-力学特性

高庙子钙基膨润土具有明显的湿胀干缩特性,吸力变化会引起持水状态和孔隙比的变化。用蒸汽平衡法测得高吸力段（3～287 MPa）高庙子钙基膨润土的土水特性和变形特性。分析比较了吸力路径、试样初始孔隙比、应力加载历史以及土体结构对土水特性、变形及吸力应力的影响。研究表明,脱湿和吸湿过程中孔隙比的差异会引起体积含水率和饱和度的滞回。饱和度与吸力间关系受试样初始孔隙比和孔隙结构影响较大,与应力加载历史无直接关系。由吸力引起的吸力应力随吸力的增大而非线性增大,并在较高吸力时趋向于一定值。吸力应力受吸力路径、初始孔隙比以及孔隙结构的影响。     

Effects of void ratio and grain size distribution on water retention properties of compacted infilled joint soils

The effects of the initial void ratio and the grain size distribution (GSD) on the water retention properties of a compacted infilled joint soils from Beihetan (China) were investigated. Three initial void ratios (0.3, 0.4, and 0.5) and three GSDs were selected based on the in situ soil states. A total of nine drying water retention curves (WRCs) was established with the filter paper method. The microstructure of the specimens was also studied to better understand the water retention properties. It was found that the denser samples underwent smaller volume changes, and that the volumetric strain increased with the increasing clay size fraction. The void ratio had a significant effect on the WRCs in terms of the degree of saturation; however, the WRCs were independent of the void ratio in terms of the gravimetric water content. In terms of the degree of saturation, the WRCs were seen to shift upwards with the increase in clay size fraction, indicating an increase in the water retention capacity. The results from mercury intrusion porosimeter (MIP) tests revealed that the difference in the inter-aggregate pores is the main reason for the different shapes of the WRCs. Moreover, the infilled joint soils with lower void ratios and coarser particles were found to be more suitable for MIP-based evaluations of water retention properties.     

Coupled thermo-hydro-mechanical modeling of frost heave and water migration during artificial freezing of soils for mineshaft sinking

Artificial freezing of water-bearing soil layers composing a sedimentary deposit can induce frost heave and water migration that affect the natural stress–strain state of the soil layers and freezing process. In the present paper, a thermo-hydro-mechanical (THM) model for freezing of water-saturated soil is proposed to study the effects of frost heave and water migration in frozen soils on the formation of a frozen wall and subsequent excavation activity for sinking a vertical shaft. The governing equations of the model are formulated relative to porosity, temperature, and displacement which are considered as primary variables. The relationship between temperature, pore water, and ice pressure in frozen soil is established by the Clausius–Clapeyron equation, whereas the interaction between the stress–strain behavior and changes in porosity and pore pressure is described with the poromechanics theory. Moreover, constitutive relations for additional mechanical deformation are incorporated to describe volumetric expansion of soil during freezing as well as creep strain of soil in the frozen state. The ability of the proposed model to capture the frost heave of frozen soil is demonstrated by a comparison between numerical results and experimental data given by a one-sided freezing test. Also to validate the model in other freezing conditions, a radial freezing experiment is performed. After the validation procedure, the model is applied to numerical simulation of artificial freezing of silt and sand layers for shaft sinking at Petrikov potash mine in Belarus. Comparison of calculated temperature with thermal monitoring data during active freezing stage is presented. Numerical analysis of deformation of unsupported sidewall of a shaft inside the frozen wall is conducted to account for the change in natural stress–strain state of soil layers induced by artificial freezing.     

冻土中气态水迁移及其对土体含水率的影响分析

现有文献几乎尚未系统分析冻结条件下气态水对不同土性含水率的影响。基于热力学平衡理论及水热耦合理论,提出了未冻水含量和冰体积分数的计算方法,建立起新的耦合模型。该模型中最大未冻水含量和冰体积分数仅与水力参数和温度有关,具有明确的物理意义,与砂壤土的冻结试验结果对比也验证了新模型。模型分析结果表明:冻结条件下的气态水迁移主要受温度势而非基质势的作用,粉土和砂土中的气态水迁移是不能忽略的,而黏土中几乎没有气态水迁移;初始体积含水率、冻结温度、冻结时间及地下水位高度等都会对气态水的迁移有影响。总的来说,气态水对于粉土等冻胀敏感性土,即使较小的水分增加仍然能够产生显著冻胀,因此实际工程必须重视气态水的作用。本文分析加深了对"锅盖效应"的理解,也验证了"锅盖效应"通常发生在覆盖层下的粉土区域,而非砂土或黏土。     

冻融过程中未冻水含量及冻结温度的试验研究

 土体冻融过程中的未冻水含量是控制水分迁移及冻胀融沉的关键因素,而冻结温度是判断土体是否处于冻结状态的重要指标。基于频域反射法(FDR),测定不同初始体积含水率条件下青藏高原粉质黏土,冻融过程中的体积未冻水含量及温度变化,分析引起体积未冻水含量及冻结温度产生差异的主要原因。试验结果表明：初始含水率较高的土体,冻结过程中出现了很明显的过冷现象以及温度和体积未冻水含量的突变,而初始含水率较低的土体,这种现象并不明显。初始含水率较大的土体冻结先于初始含水率较小的土体,并且对温度突变的敏感性大于初始含水率较小的土体。对冻融过程体积未冻水含量的滞后分析发现,体积未冻水滞后度?θ和温度滞后度?T均是先增大后减小,体积未冻水滞后度?θ的峰值发生在相变区附近,其峰值随着初始含水率的增大而增大。当初始含水率等于或高于液限含水率时,含水率对冻结温度影响不大;当初始含水率低于液限含水率时,冻结温度随含水率减小而降低。     

Soil-water characteristics of Gaomiaozi bentonite by vapour equilibrium technique简

Soil-water characteristics of Gaomiaozi (GMZ) Ca-bentonite at high suctions (3–287 MPa) are measured by vapour equilibrium technique. The soil-water retention curve (SWRC) of samples with the same initial compaction states is obtained in drying and wetting process. At high suctions, the hysteresis behaviour is not obvious in relationship between water content and suction, while the opposite holds between degree of saturation and suction. The suction variation can change its water retention behaviour and void ratio. Moreover, changes of void ratio can bring about changes in degree of saturation. Therefore, the total change in degree of saturation includes changes caused by suction and that by void ratio. In the space of degree of saturation and suction, the SWRC at constant void ratio shifts to the direction of higher suctions with decreasing void ratio. However, the relationship between water content and suction is less affected by changes of void ratio. The degree of saturation decreases approximately linearly with increasing void ratio at a constant suction. Moreover, the slope of the line decreases with increasing suction and they show an approximately linear relationship in semi-logarithmical scale. From this linear relationship, the variation of degree of saturation caused by the change in void ratio can be obtained. Correspondingly, SWRC at a constant void ratio can be determined from SWRC at different void ratios.     

正冻多孔介质耦合模型研究

 通过分析多孔介质孔隙水的相变过程,研究孔隙冰与孔隙水含量随温度改变的变化规律,建立描述冷冻条件下孔隙冰与孔隙水饱和度的数学关系式。通过引入低温多孔介质有效孔隙压力概念,建立基于多孔连续介质力学理论的低温多孔介质孔隙压力变化的耦合模型,提出低温冻结情况下饱和非饱和多孔介质的体积热膨胀系数表达式。应用现有的试验成果论证此研究模型的正确性。研究成果表明建议的模型能够正确地模拟正冻孔隙介质的有效孔隙压力和骨架应力,并能反映冻胀融缩的变形特点,为科学研究低温多孔介质的应力与变形特点提供合理可靠的方法。