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．     

青藏铁路多年冻土区工程复杂性分析

青藏铁路穿越550km多年冻土区,多年冻土地温、冻土类型以及沿线生态环境等存在较大的差异,使多年冻土区工程较为复杂。因此本文提出了冻土工程复杂性概念,建立冻土工程复杂性评价模型,并利用GIS平台对青藏铁路沿线唐古拉山越岭地段工程复杂性进行了分析和研究。研究结果表明,青藏铁路穿越的唐古拉山越岭地段工程复杂性相对较小,而青藏公路的工程复杂性相对较大。这表明了青藏公路沿线冻土工程比青藏铁路沿线更为复杂,在各种因素的影响下,青藏公路路基稳定性变化比青藏铁路更加复杂。     

寒区冻土环境与工程环境间的相互作用

从冻土环境和工程环境相互作用着手 ,分析了青藏公路建设过程中的冻土环境破坏、环境保护状况及冻土环境保护对工程建设的重要性 ,同时对正在拟建的青藏铁路 ,阐述了人类经济活动对冻土环境和工程环境的影响 ,并初步提出寒区冻土、工程环境质量监测、管理和评价系统的设计框架.     

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.     

青藏高原冻土工程地质特性与选线原则探讨

青藏±500kV直流联网工程穿越青藏高原多年冻土区,冻土特有的工程问题将对工程设计、施工和安全运营产生重要影响。由于输电线路属于点线结构的工程特点,即塔基的稳定性关系到整条线路的稳定性,而塔基点位又具有一定的可调性,因此,多年冻土及厚层地下冰的分布特征对于输电线路的选线、选位较其他线性工程更具重要意义。本文主要在输电线路沿线冻土分布的基础上,重点对微地貌条件下冻土和厚层地下冰的分布发育规律进行了分析和研究。并在此基础上,结合输电线路工程特点,就线路的选线选位的原则进行了分析和确定。     

青藏铁路冻土区路基工程安全可靠性监测技术研究

通过对冻土区路基工程和冻土之间相互作用过程的分析,提出冻土区路基工程的安全可靠性监测关键技术一是监测方法,二是监测手段,三是数据分析。冻土区路基工程的安全可靠性首先取决于工程周围和工程基底多年冻土的热稳定性,其次取决于发生变形的路基填土厚度及其基底融化层厚度。因此,路基顶面以下不同深度地温监测和年际冻融季节时段路基土层变形监测是冻土区工程长期可靠性监测的主要指标。青藏铁路自然条件的严酷性,要求监测手段具有可靠性和耐久性以及对复杂自然条件变化的适应性。文章提出一种自动观测多年冻土地温和路基变形,并能够实现数据无线传输的现场监测系统设计方案,通过现场试验,证明这种监测系统能够适应青藏高原恶劣的自然条件,减轻了人工监测的劳苦,具有可靠性和耐久性。作者还提出了能够简便判断冻土区工程安全可靠性的监测数据分析方法,对目前冻土区工程安全可靠性分析具有一定的理论指导作用。     

冻土力学的研究进展与思考

从冻结土的宏观力学性质,正冻土中的水、热迁移理论,正 冻土的水热力耦合模型四个方面分析综述了国内外冻土力学的发展 历史、研究现状与我国冻土力学研究中存在的问题,指出：（1）当 前冻土力学的研究内容应该从对冻结土的宏观强度与变形性质向更 切合实际工程需要的正冻土、正融土微、细观热、力学耦合性质方 面深化;（2）冻土力学的研究思路应该从对土样纯力学量的试验研 究向土样组构、级配、含水量、饱和度等土性指标在不同负温下对 土样颗粒排列与胶结特性的强度、变形影响机理方面转移;（3）冻 土力学的研究对象也应该从室内冻结试验的研究向具有各种不同水 热交换边界条件与水热迁移内在规律的冻土体发展。     

基于统计损伤理论的冻土蠕变本构模型研究

假定冻土粘塑性微元损伤符合修进的莫尔-库仑准则,损伤变量服从Weibull随机概型分布;基于热力学原理和统计损伤理论,通过推导得到了相关联流动法则下的蠕变损伤耦合本构方程.为了便于研究冻土蠕变和损伤的耦合作用,将提出的本构模型,通过用户子程序嵌入到有限元程序中.最后,对冻土中桩基承载力模型试验进行了数值模拟,结果表明:基于统计损伤理论的冻土蠕变本构模型能较好的模拟冻土蠕变变形的全过程,并且与实测蠕变变形十分吻合,该模型对冻土结构物长期稳定性分析和工程预测具有重要参考意义.     

冻土试验微机控制系统研究与应用

根据人工冻土力学性能的特点和试验规程,研究在同一台试验机上,设计出冻土单轴抗压强度试验和单轴蠕变强度试验的微机控制系统,系统设置了应力控制加载、应变控制加载和蠕变试验三个独立系统,并可以根据人为要求设定试验参数和微机控制试验;系统记录了全部试验数据,设置了查询、报表和图形等输出功能。文中介绍了冻土试验微机控制系统的关键技术,给出了冻土试验实例,对冻土力学性能的研究以及冻土试验机研制有较好的参考价值。     

青藏铁路冻土区遮挡式路基结构安全可靠性预测分析

冻土区路基的安全可靠性取决于路基地温场特征和路基面抗自然侵蚀特征。在路基基床上部修筑遮阳棚和在边坡上修筑遮阳板既可阻挡太阳对路基面和路基边坡的直接辐射,改变路基地温场形态,降低土层温度,又可防止降水渗入路基或降雪覆盖路面。这对防止冻土退化,提高冻土区铁路路基安全可靠性是一种非常有效而又简单易行的工程措施。本文以青藏铁路冻土区遮挡式路基结构路基表面温度数据和该地段气象资料为基础,运用带有相变的一维热传导方程模拟分析了青藏铁路长期运营过程中遮挡式路基结构对冻土区路基人为上限的抬升效果及对路基稳定性的影响,认为遮挡式路基结构是一种安全可靠的冻土区路基工程结构形式,同时也是未来铁路运营过程整治路基病害的一种有效工程措施。     

MODEL TEST AND NUMERICAL SIMULATION OF BEARING CAPACITY OF ARTIFICIAL FROZEN CLAY1)

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。     

冻融循环冻土的冲击动态力学性能

以典型冻土为研究对象,通过不同冻融循环次数的冻融循环实验、不同温度的冻结实验以及不同应变率的冲击动态实验,综合研究了冻融循环冻土的冲击动态力学性能。结果表明,冻土存在冻融循环效应,随着冻融循环次数的增加,冻土的峰值应力有一定程度的降低,但在达到临界冻融循环次数后,峰值应力将维持稳定;同时,冻土表现出明显的应变率效应和温度效应,其峰值应力随应变率的增加或温度的降低而增加。通过定义冻融损伤因子,推导满足Weibull分布的冲击损伤,提出了一个基于Z-W-T方程的损伤黏弹性本构模型。该模型可较好地描述冻融循环后冻土的冲击动态力学行为,为研究季节性冻土区冻土的冲击动态破坏提供参考。     

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。     

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.