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.     

长春季冻区路基土微观孔隙特征的定量评价

路基冻害一直是困扰东北季冻区道路建设的一个重要问题。长春冬季天气寒冷,在温度梯度作用下路基土中水分产生迁移和聚集,引起路基冻胀。春季路基解冻,集聚的冰晶体融化,路基土处于饱和或过饱和状态,承载力极低,在交通车辆作用下发生路面鼓包、弹簧、断裂和翻浆冒泡等现象,给交通运输和经济建设带来极大的危害。孔隙是水分迁移的主要通道,是影响路基冻胀主要因素之一,其特征决定土体的冻胀敏感性。本文利用WD-5配置联机图象处理系统的电子显微镜,通过图像定量分析系统,对长春季冻区路基土的微观孔隙作了定量评价。经过分析得出:3个土样孔隙直径均是小于5μm的占主导地位,都具备冻胀条件;试样水平和垂直两个方向的孔隙分布较均匀,孔隙为辐射状或网状结构,多为扁圆和等轴形状;孔隙形态分维数分析认为,分维数高,大孔隙含量多,孔隙分布比较简单,在研究范围内,有利于水分迁移,冻胀性较强。     

江淮膨胀土自由膨胀率特征

自由膨胀率是公路及其他行业膨胀土判别与分类的常用指标,研究自由膨胀率特征对指导膨胀土判别分类具有重要意义。本文依托皖中地区在建的合(肥)—六(安)高速公路,开展了自由膨胀率及其他相关性指标的试验研究,分析了皖中膨胀土的自由膨胀率特征。研究表明:皖中地区膨胀土自由膨胀率与反映膨胀本质的指标蒙脱石含量,以及液限、塑性指数等间接性判别指标具有较好的相关性,可将其用作膨胀土判别与分类的指标;分类实践发现《公路路基设计规范》所推荐的自由膨胀率分级评判标准不能适用于皖中地区膨胀土;根据研究结果给出了具有合理分类特征的分类标准建议。     

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.     

探地雷达测定地基土含水量的实验研究

利用室内模型槽,采用探地雷达开展了测定地基土含水量的室内实验研究。通过对探地雷达反射波法测定的介电常数和烘干法测定的含水量之间的曲线拟合,提出了实验用粉土的含水量与介电常数之间的经验公式。与实测含水量的对比分析表明,Topp公式在一定含水量范围内有良好的适用性,而本文提出的经验公式较Topp公式具有更宽的含水量适用范围和更高的预测精度;针对不同类型土建立相应的含水量和介电常数之间的经验公式是必要的,将有助于提高探地雷达测定地基土含水量的精度。     

压实粉土非线性应力-应变关系的试验研究

对京九线路基粉土用GDS三轴仪进行固结不排水剪试验,研究不同围压、含水量、压实度下压实粉土样的应力-应变关系。结果表明:压实粉土在低围压下为应变软化,高围压下为应变硬化,存在一个屈服应力;含水量和压实度对粉土强度和应力-应变关系影响显著,随着含水量的减小、压实度的增大,压实粉土样强度增大,应力-应变曲线上升。对围压小于屈服应力的应变软化曲线,用常规的土的软化关系式进行拟和;对围压大于屈服应力的应变硬化曲线,用邓肯-张模型进行拟和;这二者的结合能描述压实粉土的应力-应变关系曲线,效果良好。     

皖中膨胀土的承载比(CBR)强度特性研究

针对皖中地区高速公路建设中遇到的膨胀土问题,选取合六叶高速公路典型土样开展了系统的承载比（CBR）特性试验研究,并在此基础上探讨了膨胀土作为路基填料的适用性。研究表明:（1）起始含水量对膨胀土CBR值影响显著,CBR最大值对应的含水量高于最佳含水量,且击实功越大,二者差值也越大;（2）CBR膨胀量随起始含水量增大而减小,起始含水量越低,CBR膨胀量就越大,路基的水稳性就越差;（3）当击实功较大时,膨胀土的最佳含水量较小,适合填筑的可变含水量范围较宽,建议现场施工控制采用重型击实标准;（4）在重型击实条件下,将弱膨胀土起始含水量控制在比最优含水量大2%⁴%范围内,能同时满足压实度和CBR值要求以用于填筑下路堤,中膨胀土作为路基填料时必须经过改性处理。研究结果对于在膨胀土地区进行公路建设具有参考意义。     

宁明膨胀土侧限有荷膨胀变形试验研究

首先分析了国内外膨胀土膨胀变形试验研究的现状,接着针对南宁-友谊关公路宁明段灰白色膨胀土,采用侧限有荷膨胀试验,在分析探讨膨胀土有荷膨胀率与上部荷载的关系以及终了含水量和上部荷载的关系、过程含水量与吸水量的关系的基础上,推导出了膨胀土在侧向约束、上部加压条件下膨胀应变与含水率、上部荷载之间的关系式,并用之对南友路膨胀土路堤的修筑提出了一些建议．     

人为土的工程分类与利用研究

为了系统地了解和掌握人为土的工程性质,更好地开发和利用人为土,本文对人为土进行了比较系统的研究,定义了人为土的内涵,分析了人为土的成因,确立了人为土的分类原则,建立了人为土的工程分类和利用体系。根据人为土的成因,将人为土分成二个大类,五个亚类和十一个种类,并对每一类土的内涵、基本原理、工程性质及其优缺点等进行了详细的分述,在此基础上,提出了各类人为土的工程利用方案和适用范围。研究成果为人为土的研究和工程利用提供了理论基础。     

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。     

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。      

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.     

FROST RESISTANCE OF POLYVINYL ALCOHOL FIBER REINFORCED CEMENTITIOUS COMPOSITES

This article studies the frost resistance of polyvinyl alcohol (PVA) fiber reinforced cementitious composites. The test samples contain different PVA fiber volume fractions such as 0, 0.5%, 1% and 2%. The freeze-thaw test is carried on in TDR type apparatus. The outward appearance, the weight loss factor and the relative dynamic elastic modulus are analyzed, and conclusions are drawn that PVA fibers can significantly improve the frost resistance of cementitious composites and frost resistance of PVA fiber reinforced cementitious composites with fiber volumetric fraction of 1% is better.     

基于热力耦合的砼衬砌渠道冻胀开裂数值模拟

在我国北方地区,衬砌渠道的冻胀破坏现象严重阻碍着渠道的正常运行,冻胀问题亟待解决。根据砼梯形衬砌渠道的受力特点,在对渠道冻胀现象进行了适当简化和合理假设的基础上,通过使用扩展有限元方法XFEM,直接建立了温度荷载和裂纹发展之间的关系,对渠道的砼衬砌结构在温度应力作用下裂纹产生的位置进行了预测,模拟了裂纹在冻胀作用下的扩展形式和破坏状态。模拟结果直观分析了梯形渠道在冻胀作用下从阴坡到底板再到阳坡依次破坏的过程,解释了不均匀冻胀会影响各部分冻胀破坏程度的原因,验证分析了渠道衬砌板的裂纹为I+Ⅱ型复合裂纹和因此产生的受力状态,从而为渠道抗冻胀设计提供了分析办法。     

含粘粒砂土抗液化性能的试验研究

通过对含粘粒砂土所作的试验研究, 包括: 粘粒矿物成分不同、粘粒含量不同的重塑土样所作的室内动三轴试验; X光衍射试验, 试验结果对比分析后, 得出了含粘粒砂土抗液化性能的特性。并得出以下结论: (1)粘粒矿物成分不同, 也引起砂土动力稳定性的变化; (2 )动剪应力强度与粘粒含量并非呈单调增加关系, 而呈抛物线型, 并给出回归方程; (3)含粘粒的砂土, 其抗液化能力最低点总是在粘粒含量 8.5～ 9.5 %之间。     

天然盐渍土冻融循环时水盐迁移规律及强度变化试验研究

通过对新疆喀什地区12处天然盐渍土室内基本性质试验分析,选取典型天然盐渍土,在开放系统中进行反复冻融循环条件下的试验研究。研究了天然盐渍土在多次冻融循环时的水分和盐分迁移规律及强度变化特征。试验结果表明:经多次冻融循环,低液限粘土试样水分重分布与盐分重分布有很大的一致性,水分和盐分自下而上迁移;试样粘聚力自下而上线形减小,内摩擦角呈s形分布。含砂低液限粘土试样冻融循环过程中,易溶盐均随水分向冷端面迁移,离子剖面呈现中间大两端小的趋势;试样粘聚力呈反s形分布,内摩擦角均呈s形分布。