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。     

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.     

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．     

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。     

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.      

青藏公路多年冻土区冻土工程研究新进展

系统回顾了青藏高原多年冻土区公路工程冻土研究的过程和研究的内容 ,重点阐述了 90年代开展的冻土研究的研究成果 ,从冻土工程地质、路基下冻土温度场、冻土环境的影响、冻土工程分类、地理信息系统 5个侧面 ,来反映近年来在青藏公路研究中所取得的研究成果 ,这些成果为青藏铁路建设中重大冻土工程技术问题和工程设计提供了解决问题的科学依据     

冻土活动层相变温度场Chebyshev拟谱分析

在冻土相变温度热传导机理基础上,应用冻土计算中水热输运过程成熟的通用物理模型,提出冻土活动层温度的一种全新的数值分析方法-谱方法.应用Chebyshev多项式作为基函数将温度解展开,在研究域(或单元)内采用伪谱Chebyshev逼近的谱方法.为了与谱方法的高精度相配合及提高时程积分解的稳定性,本文应用四阶Runger-Kutta法进行时程积分,变物性温度泛函-热导系数、热容量等考虑效应滞后的处理方法.本文提出冻土非线性问题数值计算拟谱分析的理论构架,其计算方法在冻土工程应用中具有一定的理论导向作用和较大的实用价值.     

世界第一高隧——青藏铁路风火山隧道施工新技术

高原、严寒条件下的青藏铁路风火山隧道施工, 在永久冻土区隧道施工技术、合理支护结构形式以及人员健康等方面提出了严峻挑战。采用适用高原严寒条件下的施工方案, 综合利用、保护冻土围岩的隧道施工方法和独特的通风、供暖、供氧和供水等辅助施工作业措施, 并结合施工技术研究, 保证了隧道施工的顺利进行。     

冻土屈服面与屈服准则的研究

基于广义塑性力学,分析了理想塑性冻土屈服面的一些具体特性,对冻土的体积屈服面进行了比较详尽的探讨.通过对已有屈服函数Matsuoka-Nakai屈服准则的修改,提出了一个冻土屈服函数,并对此函数进行了具体研究.通过和试验数据的对比,验证了所提出屈服函数的正确性,所提出的函数含有三个参数,随着温度的不同对冻土屈服面的形状和大小都有重要的影响.     

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.     

含损伤的冻土本构模型及耦合问题数值分析

从复合材料的细观力学机理出发，建立了含损伤的冻土弹性本构模型. 对于在不同冰体积 含量和不同温度下的冻结砂土，由该损伤本构模型计算的结果与实测的应力-应变曲线比较 吻合. 利用自主开发的程序，分别对渠道冻结和冻土路基的水分场、温度场、应力场3场耦 合进行数值模拟，得到了比较准确、详尽的符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦 合的计算结果，与前人的计算及实测结果相符合，规律一致. 表明该程序能够计算冻土材料 的相关物理量，并能很好地描述这些相关物理量之间的关系.     

冻土区输电线路塔基选位的影响因素分析

采用粒子图像测速技术(PIV)对两层流体Bénard-Marangoni对流进 行了实验研究. 研究了各种不同厚度比下的临界对流模式,同时研究了在温差变大时向超临 界对流模式转化过程. 实验结果表明,界面张力对各种对流模式的形成和转变具有重要的作 用.     

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。     

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。     

基于级连相关神经网络的人工冻土本构模型1）

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。