考虑冻融的粉质黏土统计损伤本构关系研究

【目的】研究冻融作用下土的物理力学性质的变化,构建一种同时考虑荷载效应和冻融循环的损伤模型,为预测冻土地基反复冻融作用下的沉降变形提供理论基础。【方法】以青藏铁路沿线常见的粉质黏土为研究对象,制备了20组同一目标含水量(16%)和干容重(1.30g/cm3)的重塑试样,开展了3种正压力(100,200和300kPa)下的直接剪切试验,剪切变形速率控制为0.8mm/min。以粉质黏土的抗剪强度数据为基础,采用3种常用的分布函数(正态分布、对数正态分布和Weibull分布),分析了粉质黏土的抗剪强度分布特征。之后基于Weibull概率密度函数和Lemaitre等效应力原理,推导出三维应力条件下冻土的本构关系;采用Drucker-Prager强度准则反映荷载所致土结构损伤,并选取冻融数次后弹性模量描述冻融循环所致结构损伤,最后提出了一种同时考虑冻融作用和荷载效应的损伤变量,并嵌入冻土损伤本构关系,构建了损伤模型。采用冻融试验数据和三轴剪切试验数据,验证该模型的合理性。【结果】相比于正态分布和对数正态分布,粉质黏土的强度数据更符合Weibull分布规律,曲线吻合程度和最大偏差均最小。验证试验结果表明,构建的损伤模型的计算结果与试验结果的相关系数均高于0.70,说明该模型能够较好地描述粉质黏土冻融数次后的应力应变特征。【结论】成功构建了一种同时考虑荷载效应和冻融作用的损伤模型,这为统计损伤本构关系的研究和有效的工程应用提供了参考依据。     

冻土多物理场耦合作用理论与模型研究现状

冻害是多种因素综合作用结果,开展冻土多物理场耦合研究对解决冻害问题具有重要意义.通过归纳冻土多物理场耦合理论,指出毛细理论和冻结缘理论均忽略各向异性冰应力,冻结缘是否存在以及冰透镜体生长机制仍有争议.讨论水热盐力耦合关系,认为应进一步研究力对温度的影响及冻土压融问题.归纳常见未冻水含量模型,指出基于未冻水含量与温度关系的预测模型形式简单,但质量未冻水含量难以直接测量;三参数模型和五参数模型考虑土壤物理性质影响,但参数较多.总结和评价冻土多物理场耦合模型,认为一些经验表达式无法体现参数动态变化的特点,模型边界条件设置与实际情况不符.基于研究现状及存在问题,今后应探索更准确描述参数变化的数学表达式,将气候条件纳入模型考虑范围,设置更接近实际情况的边界条件,同时,加强冻土受力变形行为本构模型研究.     

辽西季节性冻土特征及融化过程对气候变化的响应

为了开展地温监测和冻土融化深度预报业务,利用辽宁西部气象观测资料,运用相关系数和线性回归等方法,分析冻土变化特征、冻土融化过程,以及气象要素对冻土深度变化的影响,并建立其地温与气温、冻土融化过程与正积温相关模型.结果表明,辽宁西部稳定冻土期在11月中旬至翌年3月下旬,冻土最大深度呈逐年变浅趋势,倾向率为-5.4 cm/10 a;结冻日期推后,倾向率为2.0 d/10 a;化通日期提前,倾向率为-1.5 d/10 a;冻土融化期在3月中旬至4月上旬,冻土融化速率在3.1～4.0 cm/d.冻土最大深度与气温、地面温度及降水量显著相关.11月至翌年2月气温每升高1℃冻土最大深度变浅5.7 cm.气温与地温、正积温与冻土融化深度具有显著的线性关系;其中,气温与10 cm地温线性方程历史回代拟合率在96％以上;正积温与冻土融化深度线性方程历史回代拟合率在94％以上.线性方程可作为模型预测预报春季地温、冻土融化深度.     

水热迁移对饱和冻土应力及变形的影响

油管道运行过程会干扰土壤温度和水分的自然运移,为了使水热迁移对冻土状态施加的扰动更为形象化,对冻土力学变化进行数值分析。对水热迁移引起的冻土骨架、孔隙结构的小范围变化进行分析。根据模拟计算结果,水热迁移对冻土施加的作用直观表现为:在环境气温低的月份,冻土应力增大,应变减小;在环境气温高的月份,冻土应力减小,应变增大;这种趋势源于环境气温变化对管道与冻土交互换热幅度及冻土水热运移状态的改变。本质原因:随温度上升,孔隙内的胶质结构被破坏,孔隙结构被挤压变形,表现为孔隙度、孔径变小,水分运移加速,对冻土骨架产生应力、压力作用,同时降低骨架强度。     

饱和含水冻土区埋地管道水热力耦合数值模拟

通过对饱和含水冻土区埋地管道周围冻土层的温度场、水分场和应变应力场进行数值模拟分析,得出管道穿越冻土区应力、应变不均匀分布和变化的一般规律。由于管道的散热作用,周围冻土层的结构、成分遭到破坏,土壤孔隙水减少,蓄热量低于融土,同时伴随水分的传热和传质作用而带走热量使土壤更加干燥。这些变化影响土壤变形及应力状态:管道上方土壤应变、应力变化剧烈;管道周围应变渐增,应力不断减小,易产生融沉;管道下方非融冻土应变小于上方融土、呈层状递减,土壤被加固,应力不断增大。     

混凝土水化热对联络通道冻土帷幕的影响

利用有限差分方法,分析隧道联络通道结构施工时混凝土水化热对人工冻结形成的冻土帷幕的影响。混凝土水化热的释放使得混凝土内温度急剧上升,之后受冻土帷幕低温和混凝土永久支护边界散热的影响,温度逐渐下降。混凝土水化热大量释放期间,冻土帷幕局部升温并融化,相界面移动迅速,并达到最大值。之后温度回落,经过几天的降温后,冻土开始回冻,冻土帷幕回冻速度比较缓慢。分析结果表明,常见的盾构隧道联络通道结构浇注的混凝土始终不会进入负温状态,混凝土不会因为冻土帷幕低温影响遭受冻害。     

浅谈冻土地基的处理方法

在冻土地区修建结构物,除了要满足非冻土区结构物所要满足的强度与变形条件外,还要考虑以冻土作为结构物地基时,其强度随温度和时间而变化的情况。所以采用什么样的防冻胀和融沉措施来保证冻土区结构物地基的稳定,是关系到冻土区工程建设成败的关键所在。冻土基地对结构物的影响主要有冻胀和融沉两种破坏形式,因此,冻土地基应从保持冻结和允许融化两种状态分别进行处理,以保证冻土区结构物的安全和正常使用。     

高温冻土中孔隙水压力量测初探

采用2种室内压缩试验方法研究高温冻土在变温变载条件下孔隙水压力的变化规律,即通过恒载变温试验和恒温变载试验分别从升温和加载的角度考虑高温冻土中孔隙水压力的变化,分析了孔隙水压力与温度变化及加载的关系.结果表明:高温冻土中孔隙水压力变化对荷载较为敏感,温度决定了孔隙水压力变化的实效性,在温度越高的条件下,孔隙水压力对加载...     

EVP模型及其在预压处理软土路基水平位移计算中的应用

【目的】研究将EVP模型应用于预压荷载作用下软土路基水平位移计算的可行性,为软土路基稳定性的评价与控制提供支持。【方法】通过绘制应力和应变增长路径变化的图形,分析了真空预压、堆载预压以及真空 堆载联合预压法加固软土路基时土体的应力和应变变化,介绍了EVP模型的基本公式和计算过程,提出了用该模型表示软黏土的应力－应变关系,结合经典比奥固结理论,推导了考虑蠕变的预压荷载作用下软土固结变形的有限单元计算方法,并进行了工程实例计算。【结果】1）不同预压方法的应力路径和应变路径均不相同;2）用EVP模型描述不同预压荷载作用下软黏土的应力－应变关系时,其具有不考虑应力路径和不划分主、次固结的优越性;3）在比奥固结理论中,用EVP模型反映软土的物理方程时,能全面描述考虑弹黏塑性质的软土路基的固结变形,可准确计算软土路基的水平位移;4）EVP模型的软土土体黏性参数ψ/V和塑性参数λ/V对水平位移都有比较明显的影响。【结论】用EVP模型反映软土的弹黏塑性的本构关系时,可相对准确地计算预压荷载作用下软土路基的水平位移。     

冻土区坡体蠕滑作用下管道应力数值计算

长输油气管道在一般地段埋地敷设,当经过季节性斜坡冻土区时,由于冻融引起的坡体蠕滑作用导致管道产生附加应力。通过安装管道轴向应变传感器可监测坡体蠕滑作用导致的管道轴向应力变化,但开展管道强度评价时,需要明确管道应变监测初始应力,由于应力检测技术多在实验室环境下使用,工程上并不成熟,目前行业内一般通过有限元建模计算方法获取管道应变监测初始应力。以涩宁兰一线某穿越斜坡季节性冻土地貌埋地管道为例,介绍了位于季节性冻土区的管道当前面临的主要风险、土体位移分布形式与位移的确定,以及季节性冻土区斜坡体位移作用下管道的受力和变形情况。采用向量式有限元方法,利用空间梁单元和非线性土弹簧模型对灾害点管道进行了数值模拟,并得到管道现状应力分布,为确定管道本体应变监测截面位置、估计管道现状应力分布及管道安全评价提供依据。     

长治市气候与冻土的变化特征分析

应用长治市11个气象观测站近40年（1971—2010年）气温、平均冻土深度、最大冻土深度、浅层（5~20 cm）冻土封解冻资料,采用统计对比聚类法分析气候变暖与冻土的气候变化特征。结果表明,长治气候变暖较为明显,年际线性趋势增温率为0.30℃/10 a。随着冬季气候的变暖,平均冻土深度与最大冻土深度均趋向变浅。在冬春、秋冬2个转换期气候变暖的前提下,浅层冻土的平均冻结终日与始日分别显现出提前和推后,意味着浅层土壤封冻期的缩短。     

用于估算冻土中液态水分量的TDR数据校正(英文)

TDR作为1种野外测量土壤水分量简便而准确的方法而被人们熟知和使用。本研究使用TDR在河套灌区对冻土在冻结融解时进行了土壤水分测定。为了用TDR数据计算冻土的液态水分量,文中分析了众多计算模型和经验模型,最终找到了最适合本地区土壤特性的B irchak模型。     

水质对土壤持水特性的影响

本文实验研究了水质对土壤持水特性的影响.结果表明实验水质对粉壤土与粉质粘壤土的持水特性均有影响;水质对粉质粘壤土在近饱和段的土壤持水特性影响相对较小,水质主要是通过影响近饱和段土壤结构影响土壤持水特性.选取m=1-1/n与m=1-2/n的Vail Genuchten模型均可以很好的拟合实验土壤的持水测试数据,相关系数均大于0.99;van Genuchten模型的拟合参数(θ8、α与n)可以反映水质对土壤持水特性影响.在进行土壤水分数值模拟时,应考虑水质对近饱和段土壤持水特性的影响.     

苏打盐渍土理化性质的微域特征及其对水盐运移的影响

    通过野外定位观测和室内分析,探讨微域尺度(32 m长的横截面)苏打盐渍土壤的性质以及水盐运移规律.结果表明:盐渍土地区在微域尺度上呈现盐化草甸土-浅位柱状碱土-白盖苏打碱土-中位柱状碱土的格局.苏打碱土分布在微坡地和高平地,其质地剖面结构为粉砂质亚黏土-黏土-粉砂-砂砾;盐化草甸土分布在相对低洼的部位,其质地以粉砂和砂砾结构为主.土壤理化性质的差异和微地貌特征影响盐渍土壤的水分-地下水之间的迁移转化.浅埋地下水的波动与大气降水在盐化草甸土水分的迁移转化密切相关,洼地(盐化草甸土)成为地表径流迁移汇集区.冻融积盐是松嫩平原土壤积盐的重要原因.冻融季节,盐化草甸土成为潜水迁移的汇集区.大量的潜水迁移并贮存在盐化草甸土冻层(10～30 cm土层的含水率高达50%以上),这可能是冬季地下水位急剧下降的一个重要原因.受冻结作用的影响,盐分自下而上在苏打碱土的冻层积聚,在消融期盐分迅速表聚使土壤表层的盐渍化程度加重.     

季节性冻土区不同冻结状态对土壤水热变化特征研究

以南疆季节性冻土地区为研究背景,设置冻融期自然裸地土壤和温棚土壤两种处理,对比分析两处理下土壤水热的监测数据,结果发现：温棚具有保温作用能减少热量散失,季节性影响不明显,土壤水热空间分布变化小,表层土受蒸发作用以及土壤入渗影响水热较低。自然裸地中土壤水热迁移规律受冻融条件(土壤冻结状态、气温等)影响较大,土壤水热存在影响与制约关系。冻结前浅层水热较小随土深递增且变幅明显,深层土对太阳辐射影响明显滞后,水热波动小易保持温度且相对较高。冻结期水热均值为最低值,土壤水分高值区整体向下移动15cm左右,冻土层水分蒸发小可积蓄水量,土壤冻结锋面随地表负温的降低向下迁移,同时水分带动下层土壤盐分向冻结层迁移。消融期土壤温度随土深减小,土壤表层水分下渗同时受蒸发作用大量散失仅为8.2%,水分高值区集中于30～70 cm且为冻融期最大。土壤含水率的增加抑制了土壤温度的提升,土壤冻结速率慢时间长,融化速率快融化时间短。该文可为季节性冻土地区土壤冻融规律及春季保墒提供的理论依据。     

辽宁省本溪县无霜期及冻土深度的变化研究

在气候逐渐变暖情况下,地处辽东山区的本溪县无霜期和冬季冻土深度也发生了明显变化。通过分析1958～2010年本溪县初终霜及冬半年冻土深度资料,结果表明:本溪县无霜期随气温升高呈延长变化趋势,而冻土深度则呈减小变化趋势,土壤解冻及化通时间均有所提前。     

海南省农业气象自动站土壤水分状况分布特征

利用海南省18个农业气象自动观测站土壤水分状况观测资料，分析了海南省农业气象自动站土壤水分状况特征。结果表明：土壤质地分为粘土、粘壤土和砂土三大类，以粘土、粘壤土为主；凋萎系数的大小与土壤质地、测定作物品种有关，凋萎系数从小到大顺序排列为细砂土、粉砂土、粉壤土、粘壤土、粘土。不同土壤质地间土壤容重差别不大，土壤容重随土壤深度略有增加；粘土田间持水量最大，其次为粘壤土、砂粘土、粉砂土、粉壤土，田间持水量最少的是细砂土。     

冻融对粉质黏土强度指标的影响

依托同三高速公路扩建工程方正—哈尔滨段加宽一侧粉质黏土路基,采用室内三轴试验方法,研究了不同压实度、不同含水率下不同冻融次数后土体强度指标的变化规律。试验结果表明粉质黏土冻融后强度指标发生规律性变化:土的黏聚力损失随着冻融次数增多而增大,同一压实度下含水率高的土体黏聚力损失幅度较大;土的内摩擦角随着冻融次数的增多有逐渐增长的趋势,但增长幅度较小。运用Matlab对试验数据进行回归分析,建立了同一压实度下粉质黏土黏聚力、内摩擦角与含水率和冻融次数的回归方程。该方程能够直观模拟冻融对粉质黏土强度指标的影响规律,计算结果与实测结果吻合良好,可用于冻融后粉质黏土黏聚力和内摩擦角的计算。