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煤气化粗渣改良季节冻土区黄土填料的冻融特性及其微观机理研究

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冰川冻土 2024年第3期46卷 930-943页

作者：武立波杨嘉伟刘惠阳陈宏信宁夏大学土木与水利工程学院宁夏银川750021 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092

由于周期性的冻融循环作用,中国西北黄土区路基工程极易发生冻融病害,常用的解决方法是用改良黄土作为路基填料。目前工业废弃物改性不良路基土已成为工程地基改良处理的新趋向,鉴于西北地区煤气化渣堆存量巨大且资源化利用率低,尝试用... 详细信息

由于周期性的冻融循环作用,中国西北黄土区路基工程极易发生冻融病害,常用的解决方法是用改良黄土作为路基填料。目前工业废弃物改性不良路基土已成为工程地基改良处理的新趋向,鉴于西北地区煤气化渣堆存量巨大且资源化利用率低,尝试用煤气化粗渣改良季节冻土区黄土,以素黄土与单掺石灰改良黄土作为对比试验组,通过室内冻融循环试验、电镜扫描、CT扫描试验来探究在冻融循环条件下煤气化粗渣改良黄土的冻融特性及其微观机理,为季节冻土区黄土路基工程稳定性及煤气化渣资源化利用提出一些新的思考。试验结果表明:(1)经历1次与2次冻融循环后,单掺15%煤气化粗渣试验组的冻胀率为0.02%与0.29%,融沉系数为0%与0.05%,素黄土、单掺4%石灰试验组的冻胀率分别为0.43%与0.63%、0.38%与0.42%,融沉系数分别为0.26%与0.22%、0%与0.13%,但在经历3次冻融循环后,单掺15%煤气化粗渣试验组的冻胀率和融沉系数开始增大,5次冻融循环周期内的平均冻胀率和融沉系数分别为0.38%与0.17%,已接近甚至大于素黄土与单掺4%石灰试验组的数值。在前两次冻融循环周期内,平均冻胀率和融沉系数较素黄土组分别减小了70.8%和89.6%。(2)单掺15%煤气化粗渣试样各位置的温度梯度最小,其次是双掺煤气化粗渣与石灰试样,并且这两组试样正负温条件下的导热系数最小。(3)经过5次冻融循环后,单掺15%煤气化粗渣试样各高度的含水率最低。(4)单掺适量的煤气化粗渣在冻融循环的初期能明显地改善黄土的冻融特性,再掺入少量的石灰能使试样在冻融循环前后的孔隙率较素黄土分别降低41.5%与47.8%。总的来说,黄土中掺入煤气化粗渣在冻融循环次数少于3次时能改善黄土路基填料的寒区服役性,但其在更多次冻融循环条件下的冻融特性还需进一步研究。

关键词：季节冻土区煤气化粗渣黄土路基填料冻融特性微观机理

季节冻土区黄土抗剪强度变化特征及其影响因素

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哈尔滨工业大学学报 2022年第8期54卷 143-150页

作者：王万平张熙胤王义于生生徐振江孙斌洁兰州交通大学土木工程学院兰州730070

黄土作为一种特殊的土质,其力学特性极易受水热效应的影响。为研究温度、压实度、含水率等因素对季节冻土区黄土抗剪强度的影响,以中国西部典型的兰州黄土为研究对象,通过低温三轴试验,探讨温度、压实度、含水率的变化对冻结兰州黄土抗... 详细信息

黄土作为一种特殊的土质,其力学特性极易受水热效应的影响。为研究温度、压实度、含水率等因素对季节冻土区黄土抗剪强度的影响,以中国西部典型的兰州黄土为研究对象,通过低温三轴试验,探讨温度、压实度、含水率的变化对冻结兰州黄土抗剪强度的影响。结果表明:冻结兰州黄土的黏聚力及内摩擦角随着温度的降低呈升高趋势,其中,黏聚力受温度的影响较大,而内摩擦角受温度的影响相对较小;冻结兰州黄土的黏聚力及内摩擦角随着土体压实度的增加而增大;对于含水率,由于土体中冰晶以及未冻水会使土骨架自身强度以及土颗粒与冰之间的胶结力发生变化,以土体最优含水率为分界点,分界点两边的冻结兰州黄土抗剪强度呈相反的变化趋势。由此可知温度、压实度及含水率会对冻结兰州黄土的抗剪强度产生较大的影响,在有黄土覆盖层的季节冻土区工程建设中应充分考虑。

关键词：季节冻土区兰州黄土三轴试验应力-应变曲线抗剪强度

季节冻土区非饱和膨胀土水-热-变形耦合冻胀模型

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岩土工程学报 2022年第7期44卷 1255-1265页

作者：凌贤长罗军耿琳唐亮哈尔滨工业大学黑龙江哈尔滨150090 中国科学院力学研究所北京100190 中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室北京100081

中国季节冻土区发育大面积深厚残坡积膨胀土,其特有的“冻胀融沉”“膨胀收缩”特性诱发诸多工程病害问题。针对季节冻土区非饱和膨胀土的冻胀变形机制问题,以延吉膨胀土为研究对象,开展了膨胀土冻胀特性试验研究,证明了膨胀土吸水膨胀... 详细信息

中国季节冻土区发育大面积深厚残坡积膨胀土,其特有的“冻胀融沉”“膨胀收缩”特性诱发诸多工程病害问题。针对季节冻土区非饱和膨胀土的冻胀变形机制问题,以延吉膨胀土为研究对象,开展了膨胀土冻胀特性试验研究,证明了膨胀土吸水膨胀特性对其冻胀特性有显著影响,据此提出了考虑相变动力区的非饱和膨胀土冻结-胀缩牵连机制。基于冻土多场耦合分析方法、结晶动力学理论,建立了非饱和膨胀土水-热-变形耦合冻胀模型FH_ex_Model,并予以验证。该模型能够反演出非饱和膨胀土冻胀过程中的冻胀变形分量和膨胀变形分量。此外,根据上述研究,建议在膨胀土工程场地中应当重视初冻期冻结作用诱发的高膨胀变形,同时稳定冻深以下区域的场地变形不容忽视。

关键词：季节冻土区非饱和膨胀土冻胀试验冻结–胀缩机制多场耦合冻胀模型

季节冻土区边坡支护结构冻融模型模拟系统研制与应用

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应用基础与工程科学学报 2023年第2期31卷 374-386页

作者：董建华吴晓磊师利君颉永斌连博兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点试验室甘肃兰州730050 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心甘肃兰州730050

为了研究季节冻土区季节温度周期性交替变化时的边坡支护结构冻融反应规律,研制了季节冻土区边坡支护结构冻融模型模拟系统,并开展了季节冻土区框架锚杆边坡支护结构试验研究.该模拟系统主要由可移动开体式自动控温冻土试验室、模型箱... 详细信息

为了研究季节冻土区季节温度周期性交替变化时的边坡支护结构冻融反应规律,研制了季节冻土区边坡支护结构冻融模型模拟系统,并开展了季节冻土区框架锚杆边坡支护结构试验研究.该模拟系统主要由可移动开体式自动控温冻土试验室、模型箱、边坡支护结构模型和温度-水分-应力多物理场测试系统四部分组成,实现了模型试验中结构与岩土之间的比例相容和季节冻土区季节周期性交替变化时温度自动呈正弦函数式波动的微环境模拟,同时具备对试验现象直观观测以及多物理场试验数据自动采集功能.将该模拟系统应用于框架锚杆边坡支护结构冻融模型试验研究,通过分析边坡不同位置处的温度、水分和支护结构的冻胀力变化趋势,揭示了寒暖环境交替变化下的边坡支护结构冻融反应规律;将试验结果与已有文献的实测数据进行了对比,初步验证了该模拟系统的可靠性和准确性.冻融模型模拟系统研究方法及成果可为寒区边坡相关工程设计提供参考.

关键词：季节冻土区边坡支挡结构自动控温冻土试验室比例相容模型试验

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季节冻土区纤维改良路基土冻胀融沉特性研究

森林工程 2023年第4期39卷 145-154页

作者：王泽成李栋伟秦子鹏安令石季安夏明海王振华鹿庆蕊东华理工大学土木与建筑工程学院南昌330013 浙江水利水电学院水利与环境工程学院杭州310018 中核华泰建设有限公司广东深圳518055 伊犁哈萨克自治州奎屯河流域水利工程灌溉管理处新疆奎屯833200

为研究冻融循环下纤维改良路基土含水率、纤维掺量对土体冻胀融沉特性的影响规律,通过开展室内单向冻融试验,测得不同含水率、纤维掺量下路基土的冻融特性,获得水分场变化、冻胀率、融沉系数、冻融全过程温度场以及结冰温度变化规律。... 详细信息

为研究冻融循环下纤维改良路基土含水率、纤维掺量对土体冻胀融沉特性的影响规律,通过开展室内单向冻融试验,测得不同含水率、纤维掺量下路基土的冻融特性,获得水分场变化、冻胀率、融沉系数、冻融全过程温度场以及结冰温度变化规律。结果表明,1)试样单向冻融过程中,随着深度的增加水相变程度越来越小,且冻融结束后各位置含水率不一致。不同初始含水率下的土样经历冻融循环后其水分重分布比较明显,不同纤维掺量的土样经历冻融循环后其水分分布基本相似。随着纤维掺量的增加,其水分迁移程度减小;2)8%~16%含水率范围内,其冻结竖向位移最大达到1.19 mm,其融化竖向位移最大达到2.56 mm,达到12%含水率时其冻胀率和融沉系数基本趋于稳定。在0%~0.5%纤维掺量范围内,其冻结竖向位移最大达到1.10 mm,其融化竖向位移最大达到2.85 mm;3)随着纤维掺量的增加其相变潜热越明显,土体结冰温度先降低后上升,在纤维掺量为0.3%时其结冰温度最低为-1.95℃,且达到结冰温度时间最长为14.1 min。研究成果可以为西部粉砂土分布地区铁路及工程建设提供参考。

关键词：季节冻土区聚丙烯纤维改良路基土冻胀融沉结冰温度

季节冻土区路基填料改性措施及评价指标研究综述

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公路 2022年第9期67卷 89-100页

作者：常明军刘宇航李东庆明锋海北藏族自治州交通运输综合服务中心海北州812200 中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室兰州市730000 中国科学院大学北京市100049

路基作为公路工程的基础结构,其填料质量很大程度上决定了公路工程的使用寿命。然而,季节冻土区的复杂环境将劣化该区域路基填料的性能。因此,选取适合当地环境的路基填料是增加路基使用年限、减少病害的重要前提。为了提高路基填料的... 详细信息

路基作为公路工程的基础结构,其填料质量很大程度上决定了公路工程的使用寿命。然而,季节冻土区的复杂环境将劣化该区域路基填料的性能。因此,选取适合当地环境的路基填料是增加路基使用年限、减少病害的重要前提。为了提高路基填料的适用性,需要针对不良路基填料进行改性,从而获得路用性能良好的路基填土。首先总结了季节冻土区公路的主要病害类型,分析了物理改良、化学改良、生物改良技术的适用范围和改良机理,探讨了采用不同特征参数(静力学特征、动力学特征以及抗冻融性能)作为评价指标的优缺点。然后,基于季节冻土区道路工程面临的路基病害问题,从施工方便、节约成本、保护环境等方面考虑,提出针对季冻区不良路基填土改良技术的研究建议,为今后的研究工作提供参考。

关键词：岩土工程季节冻土区路基病害改良措施评价指标

衬砌粗糙度对季节冻土区渠基土-衬砌接触面间峰值抗剪强度的影响

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冰川冻土 2022年第2期44卷 535-544页

作者：马小涵薛珂高樯张明礼刘建平谢军向卿杨明东四川农业大学水利水电学院四川雅安625000 四川农业大学环境学院四川成都611130 中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室甘肃兰州730000 兰州理工大学土木工程学院甘肃兰州710050

目前来看,在构筑物与土体表面粗糙度影响土-构筑物接触面间切向冻胀力方面的研究还较少,因此,本研究从川西季节冻土区渠基土-衬砌接触面的切向冻胀力问题出发,着重考虑衬砌表面粗糙度这一因素对接触面间抗剪强度、黏聚力、内摩擦角的影... 详细信息

目前来看,在构筑物与土体表面粗糙度影响土-构筑物接触面间切向冻胀力方面的研究还较少,因此,本研究从川西季节冻土区渠基土-衬砌接触面的切向冻胀力问题出发,着重考虑衬砌表面粗糙度这一因素对接触面间抗剪强度、黏聚力、内摩擦角的影响规律和影响效应,并结合环境温度、含水率及冻结时长,利用正交分析综合探究了4种因素对接触面间峰值抗剪强度影响的相关性和显著性,结果表明:接触面间抗剪强度、黏聚力、内摩擦角随衬砌表面粗糙度变化呈现相同规律,即衬砌表面越粗糙,3项指标随即增大。正交分析中揭示了影响接触面间峰值抗剪强度大小最显著的因素是衬砌粗糙度,其次是环境温度和含水率,冻结时长的影响效应不显著,同时低温、低含水率、较长冻结时长、较高衬砌粗糙程度下的峰值抗剪强度越大。此项结果可为季节冻土区渠系工程防冻胀危害提供理论支撑。

关键词：季节冻土区渠基土-衬砌接触面衬砌粗糙度峰值抗剪强度

季节冻土区道路冻害破坏特征及环境影响因素研究 ——以西北宁夏地区为例

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季节冻土区道路冻害破坏特征及环境影响因素研究 ...

作者：张雪莹宁夏大学

学位级别：硕士

受气候、环境以及周期性冻融循环作用的影响,季节冻土区的道路在运营过程中产生了较多的路基路面病害。因季节冻土表现出很强的地域性,在各类地质与环境因素的综合影响下,处在季节冻土区的公路路面病害的分布及发展特征也存在地域性。... 详细信息

受气候、环境以及周期性冻融循环作用的影响,季节冻土区的道路在运营过程中产生了较多的路基路面病害。因季节冻土表现出很强的地域性,在各类地质与环境因素的综合影响下,处在季节冻土区的公路路面病害的分布及发展特征也存在地域性。宁夏地处西北,属于典型的季节冻土区,该区域公路路面病害的破坏特征及影响因素等方面仍存在诸多的问题有待于研究。季节冻土在我国分布广泛,季节冻土区在建、已建公路工程的设计、施工、养护和管理都需要相关研究的开展作依托,因此,对季节冻土区特定区域的公路病害尤其是冻害展开研究是对现有相关领域研究的有益补充。本文主要针对宁夏境内北部银川地区、中部中卫地区、南部固原地区的城市道路及G109国道、G338国道宁夏段公路冻害特征及环境影响因素进行研究。利用MODIS中分辨率成像光谱仪数据产品获取研究区域相关遥感数据,利用ArcGIS数据管理、空间统计分析等功能进一步分析处理,获取研究路段逐公里定量化土质、地表温度、植被数据,并结合实地调研数据以及现场试验数据对研究道路的病害特征、分布特征及病害与区域环境因素的关系展开研究。主要工作与研究成果如下:（1）结合宁夏境内部分国道路段逐公里沥青路面各类型病害影响范围及道路状况数据,分析研究西北季节冻土区宁夏地区公路病害破坏特征,并主要分析了研究道路的冻害分布规律。（2）结合宁夏地区北部、中部和东部多条城市道路及国道省道各类型病害影响范围及道路状况数据,对宁夏北部引黄灌区、中部干旱区及南部丘陵山区不同条件下的公路冻害特征进行研究与分析。（3）基于遥感数据,提取研究路段沿线土质、地表温度和植被指数等数据,并结合实地调研数据,对典型病害路段做定量分析,揭示出季节冻土区路面冻害与环境影响因素间的内在联系。（4）通过对具有典型阴阳坡效应的研究路段进行路基土体温度的现场监测,结合研究路段的周边环境与地质条件,分析路基土体温度对宁夏地区公路路基阴阳坡效应的影响。

关键词：季节冻土区路面病害冻害地表温度阴阳坡效应

基于CLM4.5模式的季节冻土区土壤参数化方案的模拟研究

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高原气象 2022年第1期41卷 93-106页

作者：付春伟胡泽勇卢珊吴笛樊威伟中国科学院西北生态环境资源研究院寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院西北生态环境资源研究院那曲高寒气候环境观测研究站西藏那曲852000 中国科学院大学北京100049 陕西省气象服务中心陕西西安710015

利用位于季节冻土区的中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站那曲/BJ观测点的野外观测数据,通过CLM4.5的单点模拟实验,分析评估了Luo土壤热导率参数化方案、Johansen土壤热导率参数化方案、Coté土壤热导率参数化方案和虚温参数化方案... 详细信息

利用位于季节冻土区的中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站那曲/BJ观测点的野外观测数据,通过CLM4.5的单点模拟实验,分析评估了Luo土壤热导率参数化方案、Johansen土壤热导率参数化方案、Coté土壤热导率参数化方案和虚温参数化方案对土壤温、湿度的模拟能力,为将来选取最优的参数及参数化方案来更合理的模拟青藏高原土壤冻融过程为目的的工作提供依据。结果表明:(1)三种土壤热导率参数化方案模拟结果的土壤热传导率有明显差异,其中Coté方案的土壤热传导率最高,Luo方案的土壤热传导率最低。(2)三种热传导率方案均能合理地模拟出土壤温湿度的日变化趋势,Johansen方案对土壤温度年变化趋势模拟的更好,Coté方案对土壤温度模拟的数值较观测值偏离的更小,Luo方案对土壤湿度的模拟更好。(3)加入虚拟温度方程,并引入相变效率参数后,减少了模式对土壤湿度模拟的负偏差,Y-L方案在保持土壤温度较好模拟能力的基础上,能够进一步的提升土壤湿度的模拟能力。

关键词：季节冻土区 CLM4.5模式土壤温湿度参数化方案