高温–高含冰量冻土蠕变试验研究

为了研究高温–高含冰量冻土的蠕变特性,开展了温度分别为-0.3℃,-0.5℃,-1.0℃,含水率分别为40%,80%,120%的冻结黏土单轴压缩蠕变试验。试验结果表明,无论应力多大、作用时间多长,高温–高含冰量冻结黏土单轴压缩蠕变过程都具有衰减特征;在相同的温度条件下,在相同时刻、含水率40%时冻土强度最大,含水率120%时次之,含水率80%时最小;还得到高温–高含冰量冻结黏土单轴压缩蠕变方程、应力–应变关系和长期强度方程的参数。     

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。     

冻土原位旁压蠕变试验粘弹性模型分析

研究高温高含冰量冻土的蠕变特性,采用Menard旁压仪在青藏高原多年冻土区开展了大量的旁压蠕变试验,利用Merchant粘弹性模型对蠕变曲线进行回归分析并得到模型参数。结果表明,温度对高温冻土力学性质的影响要大于含水量。随着压力的增加,每级压力下冻土的瞬时应变在总应变中所占的比例逐渐减小。回归分析发现,瞬时剪切模量与负温的绝对值呈线性关系,而延迟剪切模量和粘滞系数与负温的绝对值之间为幂函数关系;当冻土的含水量达到46%时,各参数均出现峰值,而后缓慢减小,此结果与低温冻土有所差别。     

青藏铁路多年高含冰量冻土爆破漏斗的试验研究

在青藏高原多年冻土区的铁路建设中，大量多年高含冰量冻土需要爆破开挖。国内外科研人员针对多年高含冰量冻土的爆破研究较少。对青藏高原沱沱河地区某一高含冰量冻土爆破漏斗的试验和爆破试验方法进行了研究。通过研究冻土特性、装药量和爆破深度之间的关系，得出了单位药包的最佳埋深、最大体积，进而推导出了最佳爆破参数。     

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.     

多年冻土区桥梁桩基础抗震性能及影响因素分析

为研究多年冻土区桥梁桩基础抗震性能及影响因素,以中国多年冻土区广泛存在的高承台桩基础为研究对象,通过拟静力试验结合有限元方法探讨了多年冻土区桥梁桩基础地震破坏特征及冻土层物理力学特性变化对其抗震性能的影响规律。结果表明,随着土体温度的降低,桩–冻土体系的水平承载力、初始刚度均呈增大趋势,桩身位移在土体冻结前后变化显著。土体初始含水率的改变对桩–冻土体系的水平承载力及桩身位移的影响较小,但以土体最优含水率为界限,界限含水率两侧桩–冻土体系的刚度变化存在较大差异。土体压实度的改变对桩–冻土体系的水平承载力及桩身位移的改变影响较小,桩–冻土体系的初始刚度随着压实度的增大而增大。因此,在冻土区桩基础桥梁抗震设防中应当充分考虑桩周冻土物理力学特性变化对其抗震性能的影响。     

考虑多年冻土蠕变特性的抗拔桩 非线性有限元分析

 结合青藏铁路多年冻土区钻孔灌注抗拔桩现场载荷试验,依据场地多年冻土地温实测资料、物理力学参数以及冻土类型,考虑多年冻土蠕变特性,对冻土区钻孔灌注抗拔桩进行非线性有限元分析。桩–土体系有限元分析采用三维十节点四面体等参单元,桩–土相互作用采用面–面接触单元;同时,假定桩–土体系本构模型服从Drucker-Prager屈服准则。通过数值模拟计算结果与抗拔桩现场载荷试验的对比分析,结果表明,考虑冻土蠕变的分析结果与试验值较为接近,不考虑冻土蠕变时,当外载荷较大时桩顶上拔位移的计算值要比试验值小43%左右,但外载荷较小时两种计算结果差别不大。因此,考虑冻土蠕变的分析方法更比较符合多年冻土区钻孔灌注抗拔桩的实际受荷特点。     

模型边界对大型哑铃型承台群桩基础承载变形特性的影响

利用三维弹塑性有限元,考虑群桩基础周围外侧土体竖向变形影响范围和桩端土体压缩层厚度的因素,研究分析其对大型哑铃型承台群桩基础承载变形特性的影响,从而研究大型超深群桩基础边界问题以及离心模型试验边界对其承载变形特性的影响。研究表明:群桩基础边界大小由群桩基础变形特性控制,成桥阶段时大型哑铃型承台群桩基础周围外侧土体竖向变形影响范围和桩端土体压缩层影响深度,分别为一倍承台宽度和一倍桩长;设计的离心模型试验边界对群桩基础桩身受力大小与分布影响不大,而对承台沉降和桩端土体整体压缩变形比等变形特性影响较大。     

多年冻土区宽幅公路路基降温效果研究——一种L型热管–块碎石护坡复合路基

为维护多年冻土区宽幅高等级公路的热稳定性及保护下伏冻土,提出了一种 L 型热管–块碎石护坡保温板复合路基。为研究这种新型路基的降温效果,进行了室内模型试验,试验结果初步证明了这种路基的有效降温能力。为研究这种新型路基的长期效果,采用相关理论,结合室内模型试验的结果,依据青藏高原多年冻土区宽幅高等级公路的气温和地质条件,利用数值方法对有无 L 型热管的块碎石护坡保温板复合路基的温度特征进行了分析和比较。结果表明：在年平均气温为 - 4.0 ℃的青藏高原多年冻土区,考虑未来 50 a 气温上升 2.6 ℃的条件下,新的复合路基能够从整体上有效降低路基下土体的温度,确保高温多年冻土区宽幅高等级公路路基的热稳定性。     

降雨增加对多年冻土区铁路路基水热影响研究

近50 a青藏高原湿化趋势显著,降雨变化导致地表能量平衡过程、活动层水分状况和水热输运过程改变。以青藏高原北麓河铁路路基试验段水分监测为基础,基于土壤–地表–大气能量平衡的冻土水–汽–热耦合模型研究在未来降雨变化情景下,降雨对冻土路基水热的影响机制与过程。结果表明:近6 a路基水分监测显示,虽然青藏高原年降雨量变化较大,夏季降雨引起土体表层水分短期显著波动,但长期路基含水量并未明显累积,路基蒸发、液态水与水汽运移显著;在未来湿化背景下,年降雨量增大导致地表潜热增大地表土壤热通量减小,降雨增大导致的热传导通量减小量比液态水对流热通量增大更大,人为冻土上限抬升;降雨增加缓解了路基工程对下伏多年冻土的热扰动,但降雨增加导致活动层水分累积,增大路基冻胀和融沉灾害风险。     

青藏高原多年冻土区热融滑塌型斜坡失稳研究

以发育于青藏高原多年冻土区平缓斜坡上的两处热融滑塌为例 ,研究了热融滑塌发育的斜坡地质、冻土条件及变形特征。该类滑坡扩展范围、滑动速率、土体含水量的变化随气温变化及斜坡坡向的不同存在着差异 ,滑坡产生的根本原因在于高含冰量冻土的存在及斜坡开挖影响 ,对热融滑塌的工程治理应从保护冻土的原则出发选择措施 ,还需注意设置良好的隔水、排水措施。     

多年冻土物理特性的试验研究

青藏铁路的大部分区域由多年冻土组成,冻土顶层或活动层特别容易受季节冻融的影响。针对冻土段路基结构的设计要求必须对多年冻土物理力学性质、强度和变形等特征进行深入的了解。为此,进行了包括颗粒分析试验、土粒比重试验、击实试验、压缩试验、三轴压缩试验等在内的多种室内土工实验。     

退化性多年冻土地区公路路基地温和变形规律

 青藏高原多年冻土地区公路路基地温、变形监测资料表明,在工程活动和气候变暖双重作用下,路基下多年冻土普遍存在着上限下降和地温升高等特征退化,从而产生了以融沉为主的公路路基病害。基于青藏公路唐南段和青康公路K369段路基地温和变形的现场监测资料,总结退化性多年冻土地区路基的两类典型变形——横向不均匀变形和横向均匀变形规律,并分析路基地温、变形特征及其相互关系。结果表明,多年冻土地区路基的稳定性,最终取决于路基下伏冻土的地温变化和含冰量状况,其温度状况和路基路面的变形紧密相关。对于横向不均匀变形路基,多年冻土地区路基温度场的不对称性导致路基下多年冻土人为上限在路基下差异巨大,土层冻融状态的不对称最终引发路面变形在横向上的差异。退化性多年冻土区横向变形不均匀路基全年以沉降变形为主,且左、右沉降量差异较大,易于诱发纵向裂缝病害。对于横向变形均匀路基,退化性多年冻土地区公路路基变形以下沉变形为主,绝大部分路段没有明显的冻胀变形过程或冻胀变形很小,基本表现为年际的均匀沉降变形。横向变形均匀路基横向上变形比较均匀,年变形量相差不大,路基变形对路基稳定性和路面的影响较小。由于沿路基走向工程地质条件的差异,可能会形成局部沉降或波浪沉降变形病害。     

冻结黄土的单轴试验及其本构模型研究

冻土的强度及变形行为受加载速率及环境温度效应的影响。以冻结兰州黄土为对象,开展了一系列不同温度及加载速率下的常规单轴压缩、变速率压缩及加卸载蠕变回弹试验。基于常规单轴压缩试验结果,考虑了加载速率对变形行为的影响;通过变速率压缩试验,引入了一个与加载速率相关的率敏感性系数,构建一个新的考虑率效应的冻土强度关系式,解决了由试样离散性而对率效应试验研究带来的不利影响;运用加卸载蠕变回弹试验实现了对冻土变形中弹性、塑性变形的解耦,并获得了率无关弹性模量。以此为基础,在一定的温度、加载速率范围内建立了考虑率效应及温度效应的冻结黄土单轴唯像本构模型。通过试验验证,该模型能较好地模拟冻结黄土在不同温度和不同加载速率条件下的应力应变行为。     

冻结饱和标准砂压缩性试验研究

在寒区进行高速公路和高速铁路等对变形要求严格的工程时,必须考虑冻土的压缩性。以冻结饱和标准砂为研究对象,利用自主研发的冻土侧限压缩仪开展不同温度下的分级加载试验。试验采用-0.5,-1.0,-2.0,-3.0和-5.0℃五级温度,压力分为1,2,3,5和10 MPa五级。根据试验结果得到e–σ_z和e–lgσ_z曲线,求得压缩系数和压缩指数,比较分析室温下的融土试样与不同温度下冻土试样的压缩系数和压缩指数随温度的变化,得到从正温到负温完整温度序列的试验规律。根据前人的模量公式得出相关参数,从而建立公式中参数与温度之间的关系。试验表明:饱和冻结标准砂压缩曲线与常温土相似;在高温条件下冻土的压缩性比较可观;冻土的压缩性受温度的影响十分显著,即压缩系数随温度的升高而增大,呈现指数函数的形式;模量公式中的参数与温度之间可建立一定的定量关系。     

片麻状花岗岩热黏弹塑性损伤蠕变模型及应用研究

随着地下工程开挖深度的增加,高地温和高地应力将导致岩石产生显著的蠕变变形,为保证地下洞室的施工和运行安全,研究温度-应力耦合作用下岩石蠕变力学特性具有十分重要的作用。以新疆齐热哈塔尔水电站引水隧洞高温段的片麻状花岗岩为研究对象,通过不同温度和应力作用的三轴蠕变试验,获得了考虑不同温度影响的片麻状花岗岩的蠕变变形规律。基于蠕变试验成果,提出了考虑热力耦合作用的热黏弹塑性损伤蠕变模型,建立了片麻状花岗岩的热黏弹塑性损伤蠕变本构关系,推导了其一维和三维热黏弹塑性损伤蠕变方程,有效反演获得岩石的蠕变力学参数,揭示出典型高、中、低应力状态下温度对片麻状花岗岩蠕变特性的影响规律,研究成果为工程长期稳定性分析提供了重要理论依据。     

基于温度场的冻土路基变形数值分析及对比

考虑相变和全球气温升高的影响,利用数值分析方法,对青藏铁路典型路基的变形问题进行了分析和数值模拟。通过建立路基有限元模型,选取适当的边界条件、初始条件及热学计算参数,在计算了典型路基断面温度场变化的前提下,对三年的路基变形场进行了数值分析并与实际测试资料进行了对比分析。分析表明,融化沉降在一年内已基本完成,并逐渐开始回冻,两三年后,除路堤填料和地基的进一步压密外,蠕变效应开始显现。因此,对高温、高含冰量冻土而言,蠕变产生的沉降变形是不可忽略的。     

基于光纤光栅的冻土含冰量监测可行性试验研究

含冰量是冻土研究的一项重要参数。针对现有含冰量测量的局限性,提出了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的冻土含冰量监测方法。结合冻土温度场,应用内加热FBG刚玉管传感器,通过室内标定试验验证该方法的可行性;基于传统导热系数模型推导出温度特征值与含冰量之间相应函数模型,并应用试验数据进行验证。研究结果表明：试验所得温度特征值随冻土含冰量增加而减小,可以通过该规律初步判断含冰量范围;在温度特性值与含冰量数值关系的拟合中,指数函数模型与本次试验数据拟合度最高,含冰量测量误差小于2%,在可接受范围内;本方法实现冻土含冰量监测具有可行性。     

多年冻土区铁路保温路基变形特征研究

冻土具有极为特殊的工程地质性质,修建其上的路基将不可避免地发生变形,甚至是破坏。为保证道路畅通,冻土路基在满足热稳定性要求的同时,道路路基的变形也必须满足设计规范要求。基于青藏铁路北麓河保温路基的地温、变形监测资料,分析路基地温、变形特征及其相互关系。研究结果表明,冻土路基的变形和其下地温场状况密切相关,地温场状况及其变化控制和决定着冻土路基变形场的状况。多年冻土地温升高产生的冻土压缩变形是导致保温路基持续较大变形的主要原因之一,在冻土路基变形研究中不可忽略。而冻土融化产生的变形是冻土路基变形的主要因素。基于实际监测数据分析结果,考虑到温度对多年冻土地区土体力学性质的强烈决定作用,建立冻土路基热弹塑性融沉压缩本构模型,进行温度场和变形场的单向耦合分析。计算结果表明,当该地区年平均温度较低、在路基高度较小的情况下,铁路保温路基的变形较小。相反,在该地区年平均温度较高,路基高度也较大的情况下,冻土路基的变形较大,这也和监测结果相符合。     

基于光纤光栅的冻土含冰量监测可行性试验研究

含冰量是冻土研究的一项重要参数。针对现有含冰量测量的局限性,提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的冻土含冰量监测方法。结合冻土温度场,应用内加热FBG刚玉管传感器,通过室内标定试验验证该方法的可行性;基于传统导热系数模型推导出温度特征值与含冰量之间相应函数模型,并应用试验数据进行验证。研究结果表明:试验所得温度特征值随冻土含冰量增加而减小,可以通过该规律初步判断含冰量范围;在温度特性值与含冰量数值关系的拟合中,指数函数模型与本次试验数据拟合度最高,含冰量测量误差小于2%,在可接受范围内;本方法实现冻土含冰量监测具有可行性。