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。
随着"一带一路"和极地开发战略的推进,寒区重点工程快速发展。土体冻胀现象对寒区工程运行的稳定性造成了巨大危害,是寒区工程建设中迫切需要解决的问题。冻胀模型是了解冻胀机理、模拟冻胀过程和指导抗冻害措施设计的基础理论。国内外相关领域学者在不同假设条件下提出了许多冻胀模型。为了更加明晰冻胀发生的机理、理清不同冻胀模型的适用范围、提高抗冻害措施的效果,本文总结了理论分析中常用的几种冻胀模型,评价了各种冻胀模型在实际使用中的合理性及不足,介绍了冻胀模型研究的发展趋势及面临的问题。最后,描述了寒区工程冻害现状,并从土质、水分和温度等引起冻害的关键因素出发,与冻胀模型相结合,分析各种抗冻胀措施在工程中的应用效果。
粒子图像测速法(PIV)已经在流体力学和岩土工程中得到广泛应用,并取得了良好的试验结果。但是,由于黏性土缺乏表面纹理,PIV技术尚未在冻结黏性土颗粒迁移分析中得到成功应用。针对黏性土冻结过程中的土颗粒迁移问题,采用自制的PIV冻土模型试验箱,以非饱和粉质黏土作为试验土样,结合Canon EOS 1300D相机和GeoPIV软件,提出了PIV技术在非饱和冻土中的实现方法。结果表明:(1)试验过程中光线的变化会极大的影响试验结果,故需要在摄影棚中构建恒定光场;(2)为便于PIV分析,试验前需对冻土进行表面纹理构建,粒径0.3 mm石英砂是纹理构建的最佳示踪粒子;(3)非饱和粉质黏土在冻结过程中的冰水相变会导致图像灰度变化,根据统计结果,将种子区域灰度相关性及整体灰度相关性分别调整为0.85和0.69。
高温冻土抗拉强度是分凝冰形成准则中的重要参数,对于土体冻胀过程中的分凝冰形成判定具有重要意义。为研究高温冻土抗拉强度,采用径向压裂法对青藏高原高温冻土进行巴西劈裂试验,获得高温冻土抗拉强度随温度变化规律:0℃-0.4℃,高温冻土抗拉强度随温度降低而增大,且增大幅度随温度降低而减小;-0.4℃-2.0℃,抗拉强度随温度降低线性增大。将试验获取的高温冻土抗拉强度拟合函数代入分凝冰形成准则,利用冻胀模型进行冻胀量的计算,与同条件下的试验结果进行对比,验证了高温冻土抗拉强度试验方法和结果的可靠性,为土体冻胀模型的应用提供了重要参数。
正冻土在温度梯度大的情况下,冻结锋面快速移动,孔隙水变成冰,造成原位体积膨胀;而通常在天然条件下,温度梯度都不大,水从未冻区向冻结区迁移,在某一个位置引起冰的累积,形成分凝冰。由于此诱发的冻胀要比原位冻胀大很多,因此,建立一个能够模拟土体水分迁移及分凝冰形成过程的冻胀模型尤其重要。基于第2冻胀理论,建立了饱和土体冻胀模型。在模型中,假设冻结缘中单位时间内水分迁移速度为常数,以计算冻结缘内水压力,再根据克拉方程得到冰压力。根据冰压力的大小作为分凝冰形成判据,研究中假设新的分凝冰形成以后,上一层分凝冰停止生长。模型把水分迁移和冻胀速率当作基本的未知量,模拟了与可天然土体冻胀类似的底部无压补水和顶部加压的冻胀情况。通过数值模拟与试验结果进行对比,初步验证模型的可靠性,其研究结果为实际寒区工程的冻胀预测提供参考。
为了研究冻土墙形成过程中的非均匀冻胀对冻土墙变形的影响,引入了基于孔隙率变化率的宏观冻胀模型。在分凝势概念的基础上推导了孔隙率变化率的计算公式,对宏观冻胀模型进行了修正,通过试验对模型进行了验证。考虑冻结过程中未冻水含量的改变及由于未冻水含量引起的土体热学力学性质的变化,提出了冻胀变形条件下基坑位移的计算方法。研究结果表明:宏观孔隙率变化率冻胀模型能够合理的反映冻胀现象,可以将其用于预测冻土墙形成过程中的冻胀变形;在冻土墙变形计算中引入冻胀模型更符合工程实际情况。
多年冻土地区兴建的道路、工业设施以及大型土木工程建筑工程等,都会受到多年冻土稳定性问题的影响。土壤中的热状况、水分状况及其变化是引发冻害及严重程度的主要因素。基于工程稳定性、耐久性及积极性考虑,建立可靠的路基工程冻土热环境评价方法和合理准确的路基温度场计算模型对指导寒区工程建设有重要意义。本文从冻土介质热质耦合输运过程的机理及理论模型、温度场相关问题的计算方法及工程应用等几个方面简要综述了近年来国内外有关多年冻土地区路基工程与冻土间相互作用问题的研究现状和进展。
多年冻土地区兴建的道路、工业设施以及大型土木工程建筑工程等,都会受到多年冻土稳定性问题的影响。土壤中的热状况、水分状况及其变化是引发冻害及严重程度的主要因素。基于工程稳定性、耐久性及积极性考虑,建立可靠的路基工程冻土热环境评价方法和合理准确的路基温度场计算模型对指导寒区工程建设有重要意义。本文从冻土介质热质耦合输运过程的机理及理论模型、温度场相关问题的计算方法及工程应用等几个方面简要综述了近年来国内外有关多年冻土地区路基工程与冻土间相互作用问题的研究现状和进展。