饱和土在单向冻结过程中的水-热-力耦合分析

给出了一多物理场模型来模拟饱和正冻土的水-热-力耦合过程。冻土区采用的是非线性弹性本构模型,而未冻区采用修正的剑桥模型。在这一数学模型中,克拉伯龙方程用于描述水和冰在相变时满足的平衡条件,并通过修正孔隙比来描述与温度有关的传导系数,由此描述未冻水的迁移。假定单元中土颗粒的长度不变且沿土柱冰晶从低温向高温有序生成,由此考虑水相变成冰的相对体积变化。以土颗粒的长度为分析目标来考虑冻胀过程中的较大变形。对于给定的边界条件,采用COMSOL软件对耦合的非线性偏微分方程进行求解。结果表明,这一方模型可以较好的模拟饱和土在冻结过程中的水-热-力耦合特征。     

复合填料热传导过程数值模拟

复合填料由废铸砂、粉煤灰、聚苯乙烯(EPS)颗粒、水泥和水按一定质量比例混合制成,具有低导热性、抗冻胀和轻质特性。根据热阻力法则和比等效导热系数相等法则,将材料视为由大量正方形单元体组成,其中心为一个球形EPS颗粒,这种单元体与总体的导热系数相等。运用AN SY S软件对复合填料单元体的传热过程进行了有限元模拟,根据瞬态法导热系数测试原理,推求不同EPS掺入比情况下的复合填料导热系数,分析EPS颗粒与导热系数的关系,发现材料导热系数随着EPS掺入比的增加而快速降低。将材料导热系数数值模拟与实测结果作比较,发现有限元模拟值与实测值接近,说明采用有限元方法可以实现对材料传热过程的模拟。     

冻融作用下非饱和土热水力耦合数值模拟

基于多孔介质力学建立非饱和土在冻结过程中的耦合方程并进行单向冻融过程的数值求解及模拟分析。把非饱和冻土当作固体土颗粒、未冻水、冰晶及孔隙气组成的多孔多相介质,在小变形假定下建立了考虑冰?水、水?水汽相变的非饱和冻土的质量守恒、动量守恒方程,以及能量方程、耗散不等式、热平衡方程。结合冻融过程中的渗透特性以及应力应变关系,对单向冻融条件下的非饱和土柱封闭系统进行了数值求解,计算结果表明冷端冻结温度的数值对非饱和土柱的顶部位移影响较大,而对温度场的分布规律以及冻结区的含水率分布影响较小。研究结果可为寒区非饱和土工程的设计和施工提供指导。     

寒区工程冻害防治对策探讨

工程冻害主要表现为;基土在冻融过程中.结构物或基础的各种冻胀及融沉破坏;江河水库等的冻结冰盖板对建筑物的静冰推力及动压力作用;工程材料的冻融损伤破坏。而冻害的实质是冻土(或冰)与结构物之间相互作用和相互适应的问题.本文从工程冻害防治的角度出发,分别对抗冻胀设计,冻害预测预报和防治措施优化等几方面,进行了初步分析与探讨.     

多次冻融循环人工盐渍土路基模型试验研究∗

青藏铁路西宁至格尔木段为典型的季节性冻土区铁路，冻害频发，严重影响铁路的正常使用和安全运营，为了整治路基体发生冻害，结合成熟的注浆技术和传统撒盐法，提出注盐法整治路基冻害。在室内模型箱中填筑实体模型，进行封闭系统中多次冻融循环条件下人工盐渍土路基模型试验，探究人工盐渍土路基中温度、水分、盐分以及变形规律，验证注盐法整治路基冻害的可行性。试验结果表明：路基土体内温度变化趋势符合环境温度变化趋势的余弦函数变化波动规律，土体内温度变化较环境温度变化推迟36 h左右；温度梯度是引起水分迁移的主要因素，越接近冷端，迁移量越大，在冻结锋面处达到最大；在封闭系统中，盐分随着水分向冷端运移，但是盐分运移量较低，随着周期的推进，盐分呈逐渐降低的趋势；随着温度的周期性变化路基顶面的变形呈现出有规律的冻胀和融沉现象，但是最大冻胀量为0.08 mm，可见路基盐化之后路基土体基本不产生冻胀变形。     

复杂应力条件下EPS颗粒轻质混合土的动模量和阻尼比特性

目前EPS颗粒轻质混合土的动变形特性研究主要借助于常规的动三轴剪切试验,受仪器条件限制往往不能考虑EPS颗粒轻质混合土的复杂初始应力状态,也不能考虑复杂的应力路径,比如地震、波浪以及交通荷载等。针对这一问题,利用GDS空心圆柱扭剪仪,考虑复杂初始应力状态,研究交通荷载作用下EPS颗粒轻质混合土的动变形特性,分析EPS颗粒体积比Ve/Vs、初始平均有效固结压力p0、初始固结应力比R0、初始中主应力系数b0和初始大主应力方向角α05个因素对EPS颗粒轻质混合土的动模量和阻尼比特性的影响。试验结果表明:Ve/Vs对试样动力变形特性的影响与p0有关;在相同应变水平下,随着R0增大,试样的动模量增大,而阻尼比变化不大;p0对试样动力变形特性有显著影响,相比之下α0和b0的影响较小。     

季冻区山岭公路隧道冻胀力学特征数值模拟研究

季冻区的极端低温气候严重威胁着隧道的运营安全,围岩的冻胀作用是隧道冻害发生的外力根源。以吉林省某高速公路隧道为例,基于伴有相变的瞬态传热理论和abaqus有限元模型模拟了围岩冻结温度场动态分布规律以及围岩冻胀后的衬砌内力及变形特征。计算结果表明围岩冻结从拱部开始发生,发展至边墙,最后延伸至仰拱底部形成冻结圈;冻结深度的分布规律为拱部边墙仰拱;冻结发展速度与气温变化相关,但表现出一定的滞后性。围岩冻胀后,衬砌整体呈现"横鸭蛋"的收缩变形趋势,边墙水平收敛和仰拱不均匀隆起影响最大,边墙与仰拱连接处出现的应力集中也可能会影响结构整体的稳定性。此外,冻胀引起的衬砌转角变形在距离拱顶48°和96°处达到正负峰值,可视为冻胀敏感点作为转角监测的最优布设点。     

季冻区典型土类冻胀特性试验研究

冻胀是季冻区工程常见灾害,为了研究季冻区不同土类的冻胀特性,本文选取3种季冻土—黏土、粉质黏土和分散土,基于单向冻结封闭系统,考虑含水率、干密度和土质3个因素,采用单因素冻胀试验设计方法,给出了3种土类冻胀的特性。结果表明:随含水率的增大,3种土的冻胀率随之增大而后波动较小,粉质黏土的冻胀效应最强,黏土次之,分散土冻胀率最小;随干密度的增大,黏土和粉质黏土的冻胀率先增大后减小,分散土的冻胀率则不断增大;多数情况下,3种土类冻胀率均在冻结温度-10℃左右达到最大值。     

冻土蠕变特性研究现状及展望

对目前冻土蠕变试验研究和模型研究的研究成果进行了总结。从微观蠕变试验和宏观蠕变试验两方面对冻土蠕变的试验研究进行介绍。分经验模型、流变模型和一般的应力-应变-时间模型对冻土蠕变本构模型研究进行分析总结。从试验研究和本构模型研究两方面介绍冻土的动蠕变研究进展。同时,也介绍了冻土与桩基之间冻结强度的研究。目前,冻土蠕变研究大都集中在短期冻结强度,尤其缺乏桩土之间蠕变变形及长期强度的相关研究。随着未来冻土区铁路、公路建设以及民用建筑等级的提高,桩基础将越来越多的被应用。为优化冻土区桩基的设计,在当前有必要加强冻土区桩基蠕变特性的研究。     

自适应时间步长法在土体冻结水热耦合模型中的应用

由于相变的存在,土体冻结过程中的温度传导与水分迁移是一个复杂的物理过程。为了更好地描述冻结过程中水分与温度的变化规律,通过对不饱和土体水分传导方程的研究,考虑冻结过程中的相变,建立了一维冻土水热耦合模型。给出了相应的差分与有限元程序,并对室内冻结实验进行了模拟。提出误差因子的概念,通过对程序计算中时间步长与计算用时、误差关系的分析,论证了进行时间步长优化的必要性。在两种不同数值方法的对比中,体现了有限元计算的稳定性。提出了调整后的自适应时间步长计算方法。计算结果表明,优化时间步的自适应步长法,在不影响模型计算准确度的前提下,可以大幅减少计算用时,提高计算效率。     

砂-聚苯乙烯颗粒轻质混合填料的剪切强度特性

砂-聚苯乙烯颗粒填料是一种以砂土和聚苯乙烯颗粒组成的轻质混合填料。通过轻质填料的直剪试验,研究其剪切强度的特性、强度影响因素及其机制。研究发现,轻质填料的剪切强度具有最优含水率(本文为10%),若大于或者小于最优含水率,剪切强度都将减小;轻质填料的剪切强度主要由4个分量构成:颗粒滑动、剪胀、挤碎和重新排列,以及因聚苯乙烯收缩而引起的颗粒移动和重排分量;轻质填料的剪切强度还受聚苯乙烯含量及法向应力(或围压)的影响,其剪切强度随聚苯乙烯含量的增加而减小,随法向应力的增加而增加;轻质填料的内摩擦角随着配比的增加而减小,凝聚力随配比的增加而增大。     

浅埋富含水砂层盾构下穿敏感性建筑水平冻结+短钢箱接收技术∗

盾构始发与接收是盾构法隧道施工的关键风险点,以常州地铁1号线一期工程博爱路站-常州火车站区间下行线盾构接收工程为例,隧道下穿常州火车站站厅,隧道顶部距地下大厅结构底板仅3.75 m,受地面条件限制采用水平冻结加固方式。通过对冻结温度场、卸压孔压力及车站底板隆起进行跟踪监测与分析,结果表明:受地下水影响温度下降缓慢,车站底板因冻胀隆起较大,最大隆起处位于隧道端头中心线处约为46 mm,且底板隆起值与测点温度的变化密切相关;为防止温度低引起冻胀过大造成上部结构破坏,采取在冻结壁外围适度卸水进行卸压措施;在冻结壁交圈但厚度尚未完全达到冻结设计要求情况下,提出加装短钢箱装置进行盾构接收。实践表明,适度卸压水平冻结+加装短钢箱接收方式密封止水效果良好,安全可靠,可为今后类似工程提供可行技术。     

高含水率疏浚淤泥混合固化轻质土试验研究

疏浚淤泥EPS颗粒混合轻质土是一种新型的轻质土工材料,具有密度小、强度高等特点,在工程中具有广泛的应用前景。本文对高含水率的白马湖疏浚淤泥进行了室内轻质土配比试验,系统分析了水泥掺量、EPS颗粒掺量以及养护龄期等因素对轻质土的密度及无侧限抗压强度这两个重要参数的影响规律。研究结果表明,轻质土的密度主要由EPS颗粒掺量控制,而水泥掺量和养护龄期对轻质土的密度影响较小;轻质土的强度受水泥掺量、EPS颗粒掺量和养护龄期的影响,其强度随龄期与水泥掺量的变化规律与一般水泥土一致,而强度与EPS颗粒掺量之间存在一个阈值。     

多年冻土区冻融灾害风险性评价

青藏高原多年冻土区由于自然环境变化和人为活动的影响,不少区域存在如热融滑塌、冻胀丘、融沉、冻胀等与冻土变化相关的冻融灾害。冻融灾害的存在与发展给冻土区环境与开发带来极大影响。在广泛现场调查和查阅相关资料的基础上,分析了各种灾害的形成机制以及冻融灾害的主要影响因素。结合地质灾害形成机理和多年冻土区工程建设的实际情况,确定了以岩土性质、活动层厚度、植被覆盖度、坡度、海拔、纬度为内因,年平均气温变化、人为活动为外因的评价模式。评价结果表明,整个青藏高原在现状条件下以中低风险性为主。中高风险区主要分布在年平均地温较高、人类活动强度较大的区域。     

云南省冰冻灾害气象条件及风险评估——基于模糊信息分配方法的研究

利用1959—2008年云南省125个气象站的逐日资料,采用模糊信息分配方法和三分段法进行了雨、雾淞(冰冻)天气发生的气象条件研究;基于模糊信息分配和超越极限概率法进行了云南冰冻灾害气候风险评估和风险区划研究。结果表明:模糊信息分配方法用于概率密度估计,可减少分析、评估误差,且不需要假定数列总体概率分布函数,就能得出较为接近实际概率密度分布的分析和评估结果;雨、雾淞(冰冻)出现当日最低气温≤1℃的气候概率达99.8%,最低气温≤1℃是出现雨、雾淞(冰冻)天气的阈值;当温度条件达到时,微量以上降水、日照时数≤1 h、日平均相对湿度大于80%是出现雨、雾淞(冰冻)的阈值。云南省大部分地区(96个站,占全省总站数的77%)没有出现冰冻灾害的风险,无风险的区域分布在云南省的中、西部和南部地区;冰冻灾害风险较大的是滇东北和滇东地区,其中有12个站累积概率值在50%～100%之间,有年年出现或2年1遇的气候风险,风险较大,特别是镇雄、鲁甸2个县的概率值为100%,有年年出现冰冻灾害的气候风险,风险很大。     

黑龙江省水稻初霜冻灾害致灾因子危险性分析

根据黑龙江省水稻的生长发育期,以全省77个台站1961-2009年的逐日最低气温资料、霜冻历史灾情数据、社会经济资料、地理信息数据及作物生育期资料为基础,综合运用GIS空间分析和灾害风险评估数学方法,分析了黑龙江省初霜冻灾害的灾情特征,并根据霜冻灾害的形成机制,分别计算水稻生育期初霜冻发生概率及偏早初霜冻发生概率,进而确定了致灾因子,对致灾因子危险性进行分析与评估。结果表明:水稻初霜冻灾害发生的概率随纬度的增加大致呈增大的分布形势,大兴安岭、孙吴、逊克、嘉荫、伊春、嫩江、克山、拜泉、海伦等市县为高危险区,黑河大部、齐齐哈尔东部、绥化北部、尚志、穆棱、富锦为次高危险区,松嫩平原南部、三江平原大部、牡丹江南部为次低及低危险区。     

西南山地区域森林火险综合预报模型研究——以重庆市为例

森林火灾严重破坏森林生态系统的结构和功能,针对其风险预报开展研究具有重要的理论意义和应用价值。通过融合气象、地表覆盖和人类活动等要素的方式构建森林火险综合预报模型,是西南山地区域森林火险综合预报业务化应用的重要发展方向。基于《森林火险气象等级》国家标准(GB/T 36743-2018),本文研究首先构建了重庆市森林火险气象风险预报模型。然后通过融合可燃物因素和人为因素的方式,进一步构建重庆市森林火险综合预报模型。最后利用历史火点数据针对上述两类模型的精度进行对比和分析。研究结果表明:重庆市森林火灾发生次数较多,且呈现出季节性规律;重庆市森林火灾的发生不仅受到气象条件的影响,而且受到地表覆盖和人类活动等多种要素条件的共同影响;与森林火险气象风险预报结果相比,森林火险综合预报结果在空间分布上具有更高的精细程度;森林火险综合预报模型能有效提高森林火险等级预报精度。     

侧向辐射注浆技术引起地表隆起变形分析

侧向辐射注浆技术是用于处治现役高速公路沉降变形的新技术,可在通车条件下对高速公路进行加固。在通车条件下对高速公路进行加固需要对施工效应进行分析,确保施工过程中高速公路通车安全。根据土体中的球孔扩张理论,将侧向辐射注浆假设为半无限体多球孔扩张模型,将几何条件复杂的侧向辐射注浆简化为多球孔几何模型,并引入有限边界球孔扩张理论,建立注浆压力和扩孔半径的关系,得到了土体注浆过程存在极限注浆压力,在极限注浆压力后存在软化效应的结果;确定注浆球孔扩张压力和隆起变形的关系,最终给出了同时考虑注浆压力和注浆量两个注浆施工控制指标的地表隆起位移计算方法。结合工程实测参数,计算并对比分析了不同注浆压力、不同注浆步距对地表隆起位移的影响,给出了侧向辐射注浆施工隆起位移的计算方法,能够对注浆设计和施工提供指导作用。     

砂土与EPS颗粒混合的轻质土(LSES)临界循环应力比的试验研究

循环荷载下,砂土与EPS颗粒混合的轻质土(LSES)存在临界循环应力比Sth,将割线弹性模量衰减系数δ与循环次数的关系曲线能保持平缓的最大循环应力比定义为Sth,它是结构稳定与破坏两种状态的界限指标,根据动三轴试验结果,认为影响Sth的主要因素有围压、水泥掺量和EPS颗粒含量。一般来说,水泥掺量的增加、围压和EPS颗粒含量的减小均会提高Sth,但由于高围压下的结构重塑,水泥掺量低且EPS颗粒含量高的试样的Sth表现出一些不同的性状。