季冻区公路路基砂类土冻胀分类研究

针对季冻区公路路基用土未按照土的分类标准进行冻胀分类的现状,本文对不同含泥量的砂类土在不同含水量、饱和度和密实度状态下进行了一系列闭式冻胀模拟试验。用数理统计方法分别研究了不同含泥量砂类土的冻胀率随含水量的变化规律,并且依据现行公路土的分类标准进行了冻胀分类,为公路勘察、设计、施工和维护提供重要的参考,并为季冻区公路设计规范的编制提供可靠的资料。     

饱和颗粒土一维冰分凝模型及数值模拟

基于相平衡和力平衡提出了一个关于饱和颗粒土的冰分凝模型,引入了冰分凝时未冻水迁移的驱动势,基于Clapeyron方程和吸附膜的观点简要叙述了相变区内未冻水含量与温度及孔隙水压的关系,数值模拟了饱和颗粒土的一维冻结过程,得到了冰分层分凝的计算结果,与已有实验所观测到的现象较为吻合,计算所得的冻胀量的变化趋势与已有实验所测结果是相符的.     

饱和颗粒土-维冰分凝模型及数值模拟

基于相平衡和力甲衡提出了一个关于饱和颗粒土的冰分凝模型，引入了冰分凝时未冻水迁移的驱动势，基于Clapeyron方程和吸附膜的观点简要叙述了相变区内未冻水含量与温度及孔隙水压的关系，数值模拟了饱和颗粒士的一维冻结过程，得到了冰分层分凝的计算结果，与已有实验所观测到的现象较为吻合，计算所得的冻胀量的变化趋势与已有实验所测结果是相符的．     

冻融循环和不均匀冻胀下寒区隧道的塑性解答

季冻区长期冻融循环造成围岩强度和变形性能劣化,使得寒区隧道易进入塑性状态,且寒区隧道围岩呈现以径向冻胀为主的不均匀冻胀.合理考虑寒区隧道冻融循环对围岩性能的劣化以及围岩的不均匀冻胀属性,基于Mohr-Coulomb准则推导了寒区隧道冻胀力、应力与位移的塑性解答,同时给出相应的弹性解答和冻结围岩弹-塑性状态的判定方法,对所得解答进行讨论和对比验证,最后探讨了冻融循环、不均匀冻胀与体积冻胀率对寒区隧道应力分布、塑性区半径、洞壁位移和冻胀力的影响规律.研究表明:本文解答具有广泛的适用性和良好的可比性,并得到文献塑性解答的退化验证;冻胀力、洞壁位移与塑性区半径随冻融次数增加分别增大20.3%、8.44倍、2.16倍,以量化长期冻融循环造成围岩性能的劣化效应;冻结围岩由均匀冻胀转变为不均匀冻胀时冻胀力增大42.8%,但塑性区半径几乎无变化;4种体积冻胀率参数均显著影响冻胀力,尤其是水热迁移系数可使冻胀力增大123.6%.本文结果可为季冻区隧道设计与冻害问题解决提供一定的理论依据.     

冻融循环和不均匀冻胀下寒区隧道的塑性解答

季冻区长期冻融循环造成围岩强度和变形性能劣化,使得寒区隧道易进入塑性状态,且寒区隧道围岩呈现以径向冻胀为主的不均匀冻胀.合理考虑寒区隧道冻融循环对围岩性能的劣化以及围岩的不均匀冻胀属性,基于Mohr-Coulomb准则推导了寒区隧道冻胀力、应力与位移的塑性解答,同时给出相应的弹性解答和冻结围岩弹-塑性状态的判定方法,对所得解答进行讨论和对比验证,最后探讨了冻融循环、不均匀冻胀与体积冻胀率对寒区隧道应力分布、塑性区半径、洞壁位移和冻胀力的影响规律.研究表明:本文解答具有广泛的适用性和良好的可比性,并得到文献塑性解答的退化验证;冻胀力、洞壁位移与塑性区半径随冻融次数增加分别增大20.3%、8.44倍、2.16倍,以量化长期冻融循环造成围岩性能的劣化效应;冻结围岩由均匀冻胀转变为不均匀冻胀时冻胀力增大42.8%,但塑性区半径几乎无变化;4种体积冻胀率参数均显著影响冻胀力,尤其是水热迁移系数可使冻胀力增大123.6%.本文结果可为季冻区隧道设计与冻害问题解决提供一定的理论依据.     

德州地区土体固结过程微观结构的显微观测分析

土体的宏观工程力学性质受土体微细结构状态和变化规律的影响,其复杂的物理力学特性是微细结构特性的本质体现。为探明宏观土体沉降现象背后的本质机理,对德州地区沉降中心附近土体进行钻孔取芯,对五组不同深度土体试样进行不同荷载下的固结试验与SEM电镜扫描试验,探讨不同深度粘性土随着固结压力变化,土体压缩性及其微观结构的变化规律,总结土体微结构特征与微观参数变化特征,以期从细观本质机理上解释德州地区地面沉降的宏观现象。结果表明,随着固结压力的变化,土体的平均颗粒面积呈增大趋势,土体颗粒扁圆度提高。单元体排列概率熵均呈明显下降趋势,土体颗粒与土内孔隙分布定向性提高。不同深度的五组土体孔隙分布分维数均呈下降趋势且最终趋于稳定,颗粒分布分维数则明显上升,土体密实程度提高。     

虎跳峡龙蟠右岸土石混合体粒度分形特征研究

应用分维理论对虎跳峡龙蟠右岸分布的土石混合体粒度分布的分维规律进行了研究分析,建立了平均粒径与相应的分维数之间的定量关系模型。通过研究表明,土石混合体具有良好的统计自相似性,由于其本身为级配不良土,在分维曲线上表现为双重分形分布,这种特殊的分维分布与土石混合体的成因及形成过程有关。     

不同湿化状态下压实红黏土的压缩特征

为模拟路基土体在不同湿度状态下的压缩特征,以湖南长沙－韶山－娄底高速公路的红黏土路基填料为研究对象,开展吸水自由膨胀、吸水限制膨胀和不浸水等三种湿化状态下的压缩实验研究。本文根据实际应力与固结屈服应力的关系提出确定土体压缩系数的改进方法,并与目前规范中推荐的压缩系数(a_1-2)进行了比较,验证了改进方法更加合理。然后,对比分析不同湿化状态下的压缩指标。结果表明：吸湿后的土体压缩性均大于不浸水土的压缩性;但浸水吸湿限制膨胀和浸水吸湿自由膨胀后再压缩,前者的压缩性要大于后者的压缩性。最后,从孔隙结构的细观角度探讨了固结应力对土体孔隙结构的作用模式,发现固结作用主要影响孔径d>10μm范围内的孔隙分布。     

动静组合加载作用下花岗岩破碎的分形特征

在分离式霍普金森压杆实验装置上进行了花岗岩破坏的动静组合加载实验.通过对受载后岩样破碎块度进行筛分统计,得到了该加载条件下岩石破碎的粒度分布.在此基础上,通过理论计算公式,进一步得到了相应的破碎分形维数,分别探讨了静载荷和冲击载荷对分维数的影响.结果表明,动静组合加载作用下花岗岩破碎分维值在2.0～2.8之间;相同静载不同动载下,花岗岩的破碎分维值与试样的应变率有关,随应变率增大而增大;而在相同冲击动载下,静载荷变化对分形维数的影响不大.     

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．     

一维封闭冻结风积土冻胀曲线的分形性质

通过分析风积土冻胀的特征，提出采用分形插值方法研究一维封闭冻结风积土的冻胀问题．通过理论研究和对实测曲线的分析，结果表明冻胀曲线具有良好的自相似性，可以利用分形理论对冻胀曲线进行描述．分维体现了冻胀曲线的复杂性及非线性特征，这对进一步认识风积土的冻胀过程有着很重要的作用。     

非饱和土中的饱和度的求解方法

探讨非饱和土的饱和度测量几种测量方法。由于非饱和土试验方法的不同,造成饱和度的测量的偏差。本文根据GDS的试验结果,对几种测量饱和度的方法进行比较和分析,指出假设土样颗粒体积不变,土样体积改变是因为土样孔隙大小的改变的合理性,认为直接法是一种有效的方法。     

土冻结作用研究近况

本文回顾了30多年来我国冻土力学领域研究的发展过程,着重介绍了我们在土冻胀与冻胀力基本规律以及应用研究方面的进展近况。      

饱和土中球空腔的瞬态动力响应

采用工程上通用的饱和土力学模型,考虑流体与固全之间的耦合作用,利用Ｌａｐｌａｃｅ变换求解了饱和土中球空腔的瞬态动力响应问题,得到了变换域内的解析解,借助数值Ｌａｐｌａｃｅ换求解了饱和土中球空腔瞬态动力响应的位移、应力及孔压的变化规律,为分析地下结构瞬态动力响应提供了一种有效的方法,模型符合工程实际,有一定的工程应用价值。     

土壤水分布的孔隙尺度格子玻尔兹曼模拟研究

土壤水控制着陆地生态系统几乎所有的物理和生物化学过程,准确描述土壤中水的分布与运动状态对人类发展和生态环境保护均有重要意义.土壤水分布不仅与孔隙结构有关, 而且受土壤固相表面润湿性的影响.一般对土壤水分布都是从宏观尺度进行描述,但土壤中的物理及生化过程都发生在孔隙中, 从孔隙尺度分析土壤水的分布规律,有助于更准确地理解土壤中的各种宏观现象.本文通过X射线扫描成像技术获取两个土样的三维孔隙结构,并采用改进的Shan-Chen格子玻尔兹曼模型,模拟了在不同润湿性条件下两个土样中孔隙水分布,分析了接触角对孔隙水分布的影响, 结果表明:接触角较大时,孔隙直径对液态水和水蒸气分布影响较小, 随着接触角减小,孔隙直径对液态水和水蒸气的分布影响增大;接触角对液、气、固之间的界面面积以及流体输运通道直径也有较大影响,液体输运通道直径随接触角减小而变小, 气体输运通道直径则随接触角的减小先增大,后减小; 土壤中液态水密度随接触角变化很小,但水蒸气密度随接触角减小而显著降低; 接触角较大时,饱和度对水蒸气密度无明显影响, 接触角较小时,饱和度的增大会显著提高水蒸气的密度.      

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$\zeta $平面内的解析式, 然后通过保角变换求得直角坐标系$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.      

储层含水条件下致密砂岩/页岩无机质纳米孔隙气相渗透率模型

页岩及致密砂岩储层富含纳米级孔隙,且储层条件下页岩孔隙(尤其无机质孔隙)及致密砂岩孔隙普遍含水,因此含水条件下纳米孔隙气体的流动能力的评价对这两类气藏的产能分析及生产预测具有重要意义.本文首先基于纳米孔隙内液态水及汽态水热力学平衡理论,量化了储层孔隙含水饱和度分布特征;进一步在纳米孔隙单相气体传质理论的基础上,考虑了孔隙含水饱和度对气体流动的影响;最终建立了含水饱和度与气相渗透率的关系曲线. 基于本文岩心孔隙分布特征,计算结果表明:储层含水饱和度对气体流动能力的影响不容忽视,在储层含水饱和度20%的情况下,气相流动能力与干燥情况相比将降低约10%;在含水饱和度40% 的情况下,气相流动能力将降低约20%.