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补水压力对土体冻胀的影响

冰川冻土 2022年第2期44卷 708-716页

作者：郝小云冯文杰马巍温智张莲海王永瑞申明德黄永庭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 中国科学院大学北京100049 甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所甘肃兰州730000

为了研究冷端温度、土质和补水压力对土体冻胀影响的强弱以及现行评价土体冻胀敏感性的方法在土体有压补水冻结时的适用性,开展了三因素三水平的冻胀正交试验。基于灰色关联度法得到的结果表明,影响土体冻胀率的因素由强到弱依次为补水... 详细信息

为了研究冷端温度、土质和补水压力对土体冻胀影响的强弱以及现行评价土体冻胀敏感性的方法在土体有压补水冻结时的适用性,开展了三因素三水平的冻胀正交试验。基于灰色关联度法得到的结果表明,影响土体冻胀率的因素由强到弱依次为补水压力、冷端温度和土质。补水压力、冷端温度与冻胀率的关联度较大,土质与冻胀率的关联度较小。在较高的补水压力作用下,非冻胀敏感性的砂类土产生了明显的冰透镜体,且部分砂类土的冻胀率超过了黏质土的冻胀率。发现仅凭细粒含量评价水压作用下砂类土的冻胀敏感性存在缺陷,应根据土体所处的实际环境进行综合评估。通过讨论冻胀敏感性、融沉敏感性与冻害敏感性之间的关系,提出受水压影响的寒区工程构筑物须通过设置隔水和排水设施以及使用换填法来综合防治冻害的方法,可为相关工程的设计及安全运营提供参考。

关键词：冻胀冻胀敏感性水分迁移补水压力土质冷端温度

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高地下水位冻土区抛物线形渠道冻胀力学分析

排灌机械工程学报 2023年第3期41卷 268-274页

作者：肖旻王正中吴浪熊志豪葛建锐崔浩杨晓松江西科技师范大学建筑工程学院江西南昌330013 西北农林科技大学旱区寒区水工程安全研究中心陕西杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100 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730050 兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050 塔里木大学水利与建筑工程学院新疆阿拉尔843300

考虑渠道断面各截面地下水位以及局部几何特性逐点不同的特殊性并结合Winkler假设,提出了高地下水位冻土区抛物线形渠道衬砌法向冻胀力与切向冻结力计算方法及截面内力计算公式.考虑曲梁曲率影响提出基于曲梁理论的截面正应力计算方法... 详细信息

考虑渠道断面各截面地下水位以及局部几何特性逐点不同的特殊性并结合Winkler假设,提出了高地下水位冻土区抛物线形渠道衬砌法向冻胀力与切向冻结力计算方法及截面内力计算公式.考虑曲梁曲率影响提出基于曲梁理论的截面正应力计算方法及抗裂验算公式.以河北某抛物线形渠道为例,分析衬砌截面轴力、弯矩及应力分布规律.结果表明:轴力自渠顶向渠底中部逐渐增大且均为压力;衬砌板主要在负弯矩作用下凸向内侧,仅在临近渠底时由负变正转而凸向外侧;由于存在拱效应,各截面均以压应力为主,仅渠坡中下部内侧及渠底中部附近外侧出现拉应力从而易导致开裂.分别应用直梁理论和曲梁理论计算衬砌板截面应力并进行对比分析.发现渠底中心附近曲率较大处两者相对误差可达11.78%,且直梁理论的计算结果量值偏小、安全性低,应当基于曲梁理论进行应力分析更加合理.

关键词：抛物线形渠道冻土冻胀力学分析曲梁

基于广义Winkler弹性地基梁理论的梯形渠道冻胀力学模型

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冰川冻土 2022年第5期44卷 1593-1605页

作者：龚嘉玮王正中江浩源梁爽郑艾磊陆立国西北农林科技大学旱区寒区水工程安全研究中心/旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100 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 宁夏回族自治区水利科学研究院宁夏银川750021

寒区渠道衬砌冻胀破坏现象普遍,而渠道的防冻工程设计大多依赖工程实践经验和定性认识,具有一定的随意性和盲目性,对衬砌结构所受的冻胀力计算缺乏简明、合理的方法。考虑冻土与衬砌的相互作用和冻土地基的连续性,基于广义Winkler地基... 详细信息

寒区渠道衬砌冻胀破坏现象普遍,而渠道的防冻工程设计大多依赖工程实践经验和定性认识,具有一定的随意性和盲目性,对衬砌结构所受的冻胀力计算缺乏简明、合理的方法。考虑冻土与衬砌的相互作用和冻土地基的连续性,基于广义Winkler地基梁理论并结合有限差分法,推导了渠道衬砌板冻胀挠曲线微分方程,建立了梯形渠道冻胀力学模型,给出了衬砌渠道法向冻胀力及切向冻结力的计算方法。同时,考虑渠道衬砌冻胀破坏的极限承载力以及冻胀过程中坡脚上抬位移对实际冻胀力的削减和释放效应,避免了冻胀力及衬砌结构内力计算值过大。为验证模型的合理性,以甘肃省靖会总干渠梯形渠道为研究对象,对其进行冻胀破坏计算。结果表明:模型由于考虑了衬砌结构与冻土间的相互作用,渠道衬砌板法向冻胀力呈非线性分布,修正了工程力学模型线性分布假设;与工程力学模型相比,冻胀力数值在坡脚处增大、跨中减小、底板上增大,计算结果更符合工程实际。研究提出的冻胀力学模型科学合理,简便快捷,具有更好的通用性,可为寒区渠道的抗冻胀设计提供参考。

关键词：渠道冻胀力学模型广义Winkler地基梁有限差分法

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微胶囊相变材料改良粉质黏土的冻胀特性研究

冰川冻土 2023年第1期45卷 186-200页

作者：饶有致刘建坤常丹中山大学土木工程学院广东广州510275 广州市城投发展控股有限公司广东广州510030

微胶囊相变材料(microencapsulated phase change material, mPCM)具有出色的储热能力,可以减轻季节冻土在冻结和融化过程中的温度波动。使用扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱和热分析等研究手段,全面评估2种分别... 详细信息

微胶囊相变材料(microencapsulated phase change material, mPCM)具有出色的储热能力,可以减轻季节冻土在冻结和融化过程中的温度波动。使用扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱和热分析等研究手段,全面评估2种分别以硬脂酸丁酯和石蜡为芯材,SiO2为壳材的mPCM(B-PCM, P-PCM)的物化表征,再以兰州地区粉质黏土为研究对象,通过冻融过程和冻胀试验研究4%、8%、10%掺量的mPCM对粉质黏土冻胀特性的影响。试验结果表明:mPCM在相变过程中释放的潜热为土体提供了保温效果,10%添加量的mPCM复合土试样从10℃下降至-10℃所需的时间较于素土试样延长约70%。土体的冻胀变形、冻结深度和含水率变化率随mPCM掺量的提高而降低;B-PCM和P-PCM核壳比的差异导致其冻胀后的水分迁移幅度表现出不同的趋势。总体而言,mPCM对土体的正面影响表现为提升保温性能、抑制冻胀变形等,但其添加量超多8%后会引起土体浅表层的冻胀加剧,这与SiO2壳材的吸水性有关。

关键词：微胶囊相变材料冻融过程冻胀水分迁移

接触面法—切向应力非线性分布的梯形渠道冻胀力学模型

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水资源与水工程学报 2023年第1期34卷 152-158页

作者：肖旻熊志豪王正中吴浪崔浩杨晓松江西科技师范大学建筑工程学院江西南昌330013 西北农林科技大学旱区寒区水工程安全研究中心陕西杨凌712100 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 塔里木大学水利与建筑工程学院新疆阿拉尔843300

针对开放系统下的寒区梯形渠道,考虑衬砌各点地下水补给条件的横向差异提出非线性分布法向冻胀力的计算方法,通过引入冻土与衬砌接触界面切向相互作用的Winkler假设导出非线性分布切向冻结力的计算方法,进而构建接触面法-切向应力非线... 详细信息

针对开放系统下的寒区梯形渠道,考虑衬砌各点地下水补给条件的横向差异提出非线性分布法向冻胀力的计算方法,通过引入冻土与衬砌接触界面切向相互作用的Winkler假设导出非线性分布切向冻结力的计算方法,进而构建接触面法-切向应力非线性分布的梯形渠道冻胀力学模型。以塔里木灌区某梯形渠道为例,分析了不同地下水埋深w对各截面弯矩的影响规律。结果表明:地下水埋深越浅,则衬砌板截面弯矩分布的不均匀性越强,最大弯矩的量值迅速呈非线性增大,坡板危险截面位置约在距坡脚30%~42%坡板长处,底板危险截面在渠底中部附近,与调查结果相符。同时分析了顶盖板约束下不同接触面切向刚度(k_(p))对各截面切向位移及切向冻结力分布的影响规律。结果表明:切向位移及切向冻结力均自坡顶向坡脚处逐渐增大,在坡顶处为零,在坡脚处达到最大值。k_(p)较小时,截面切向位移及切向冻结力趋于线性分布;随着k_(p)的增大,两者逐渐偏离线性分布,且k_(p)越大两者非线性分布越明显。研究结果可为寒区梯形衬砌渠道抗冻设计提供参考。

关键词：梯形渠道冻土冻胀力学模型 Winkler假设非线性分布

砂卵石地层冻结施工冻胀效应及其对既有隧道的影响分析

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科学技术与工程 2023年第8期23卷 3446-3454页

作者：王士民彭小雨王亚王先明何绪虎西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室成都610031

人工地层冻结法的实施会引起地层的冻胀,为了探究富水砂卵石地层冻胀特性及其对既有结构的扰动,首先阐述了土体冻胀的本质和温度与结构应力应变之间的关系,并依托洛阳轨道交通1号线塔湾站-史家湾站区间联络通道工程建立三维热力耦合数... 详细信息

人工地层冻结法的实施会引起地层的冻胀,为了探究富水砂卵石地层冻胀特性及其对既有结构的扰动,首先阐述了土体冻胀的本质和温度与结构应力应变之间的关系,并依托洛阳轨道交通1号线塔湾站-史家湾站区间联络通道工程建立三维热力耦合数值模型,对砂卵石地层冻结期间的地层冻胀变化和既有隧道变形受力进行了数值计算分析。结果表明:冻结管降温使得冻结管周围地层中的水分冻结,土体体积膨胀,进而使联络通道设计位置上方地表出现隆起,且距联络通道中心的水平距离越近,隆起变形值就越大。地层的冻胀对既有双线隧道造成扰动,隧道结构变形主要表现为拱顶隆起、拱底下沉、靠近联络通道一侧的拱腰向隧道内侧产生横向变形,同时联络通道设计开口位置附近的管片结构出现应力集中现象。在整个冻结过程中,冻结前期设计加固区域地层的降温速率和低温扩散速率较快,地层冻胀效应变化显著,而到冻结后期受冻结范围影响地层冻胀变形和既有隧道变形的增幅均有所减小。

关键词：砂卵石地层人工地层冻结法冻胀既有隧道热力耦合

注浆粉质黏土冻胀融沉特性:以福州地区四号线地铁为例

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科学技术与工程 2023年第30期23卷 13067-13077页

作者：朱杰唐文铖高珍珍安徽理工大学土木建筑学院淮南232001 安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心淮南232001

为深入了解水泥改良粉质黏土的冻胀融沉特性,以福州地区四号线地铁所穿典型土层粉质黏土为例,分析了水泥浆掺量、养护龄期、冻结温度和水灰比4个因素对水泥改良粉质黏土的影响,获得单因素作用下改良土的冻胀融沉规律,确定了改良土的最... 详细信息

为深入了解水泥改良粉质黏土的冻胀融沉特性,以福州地区四号线地铁所穿典型土层粉质黏土为例,分析了水泥浆掺量、养护龄期、冻结温度和水灰比4个因素对水泥改良粉质黏土的影响,获得单因素作用下改良土的冻胀融沉规律,确定了改良土的最佳水泥浆掺量为20%,最佳水灰比为0.8,并通过温度监测得出冻胀融沉试验过程中温度场的发展规律。通过SPSS Statistics建立多元线性回归方程,预测水泥改良粉质黏土在多因素综合作用下的冻胀率,分析得出对冻胀率影响程度大小为水泥浆渗入量>养护龄期>冷端温度>水灰比。

关键词：人工冻结法水泥改良土粉质黏土冻胀温度场融沉多元回归分析

FLAC3D冻胀模拟理论中冻胀系数的选取方法

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工业建筑 2022年第S1期 332-336页

作者：王淼郭妍秀孟上九荣广秋苏安双黑龙江省水利科学研究院哈尔滨理工大学哈尔滨工业大学黑龙江科技大学南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室

通过试验获取模拟参数，再利用数值模拟的方法是分析冻胀问题的有效手段，参数选取的准确与否决定着方法的有效性。利用有限差分软件FLAC3D分析冻胀问题时，由于土的自身材料特性，直接根据冻胀试验获取冻胀系数会导致冻胀量分析结果存... 详细信息

通过试验获取模拟参数，再利用数值模拟的方法是分析冻胀问题的有效手段，参数选取的准确与否决定着方法的有效性。利用有限差分软件FLAC3D分析冻胀问题时，由于土的自身材料特性，直接根据冻胀试验获取冻胀系数会导致冻胀量分析结果存在较大误差。本文针对冻胀分析中关键参数-冻胀系数的获取方法展开讨论，通过对不同土质进行封闭冻胀试验，在初步获取冻胀系数的基础上，建立室内冻胀分析模型，对冻胀系数进行验算及修正。研究表明：利用初步获取的冻胀系数模拟得到的冻胀量与试验冻胀量存在规律性误差，可通过系数对其进行修正。该计算方法可获取较为准确的冻胀系数，为冻胀模拟的参数选取提供参考。

关键词：冻胀冻结温度有限差分法冻胀模拟冻胀系数

压实度及含水率对盐渍土冻胀规律影响试验研究

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公路 2023年第3期68卷 316-320页

作者：侯兆领中交三公局第二工程有限公司天津市301800

结合G215线柳园至敦煌段盐渍土地区冻胀的基本情况,对温度下降时的盐渍土冻胀及其影响因素进行了研究。研究内容包括盐渍土在温度从10℃下降到-35℃时的冻胀规律、压实度及含水率对冻胀率的影响规律等。其中压实度分别设置85%、90%、95%... 详细信息

结合G215线柳园至敦煌段盐渍土地区冻胀的基本情况,对温度下降时的盐渍土冻胀及其影响因素进行了研究。研究内容包括盐渍土在温度从10℃下降到-35℃时的冻胀规律、压实度及含水率对冻胀率的影响规律等。其中压实度分别设置85%、90%、95%等3种工况,而含水量则取用了19%、23%、27%等3种含水量。研究结果表明:土体的温度由0℃下降到-10℃阶段土体冻胀量增加最快,当土体的温度下降到-20℃以后,再降低温度对土体冻胀量的增加则作用不大;当土体的压实度和含水率增大时,都会导致土体的冻胀量增大。研究结果对类似环境条件下的冻胀问题的处理及防治,具有一定的指导意义。

关键词：岩土工程盐渍土冻胀压实度含水率