以呼和浩特地铁1号线为依托，基于自主研发的冻融循环试验装置，针对基坑土体的温度分布、表面土体冻胀量、地下连续墙受力与变形特性进行室内试验，采用数值仿真分析了不同风速、含水率及温度下基坑的受力与变形特性。研究结果表明：基坑周围土体在从5℃到-30℃的降温过程中呈现双向冻结特征，靠近地下连续墙一定范围内土体最大冻结深度可达18.2 m（即基坑底面向下1.09 m）;基坑土体及地下连续墙的最大变形随着冻融循环次数的增加而增大，并在6个冻融循环周期内趋于稳定，末次冻融周期地表隆起量最大可达首次冻结时的3.85倍；水平冻胀力沿地下连续墙大致呈抛物线型分布，最大冻胀力出现在地下连续墙的中部，在-30℃时可达775.8 kPa;风速对基坑土体热交换有显著影响，在风速为0～0.4 m·s-1时风速和基坑水平土压力线性相关，风速为0.4～2.5 m·s-1时土压力波动增长，风速大于2.5 m·s-1后土压力基本稳定；在风速为0～0.4 m·s-1时风速和地表变形线性相关，风速为0.4～2.5 m·s-1
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。
为研究冻结过程中土、水和冰三者之间的相互关系,建立了基于冻土骨架的导热系数计算模型.骨架模型由土骨架和冰骨架,以及土、水、冰三相之间的相互关系构成.当温度降低至起始冻结温度时,远离土颗粒的孔隙水最先冻结成冰核;随温度降低,冰核逐渐扩张形成贯通的孔隙冰骨架,冻土中的未冻水则存在于土骨架与冰骨架之间.根据球缺接触的土骨架理想化模型,提出了土骨架与冰骨架相互独立,土骨架与未冻水、冰骨架与未冻水相结合的混合传热模式,建立了饱和冻土的复合传热模型及冻土的导热系数模型,计算得到0℃以下冻土的导热系数理论值.分别将导热系数理论值与Johansen法计算值、混合流法计算值和瞬态法的测试结果进行对比,结果表明,复合传热法的计算值处于Johansen法和混合流法的计算值之间,其整体计算精度优于Johansen法,且计算值与实测值相对误差在10%以内.
冻土是高原交通工程不可回避的问题,冻土研究不仅涉及土体结构,还涉及温度和含水量对土体的影响,目前,冻土问题理论研究进展比较缓慢,是岩土领域研究的热点和难点.根据材料集合状态理论的思想和方法,建立了冻土材料的宏-微观模型.在宏观上建立了以冻土材料结构强度、刚度、塑性应变及孔隙比、饱和度、温度为参量的冻土材料结构状态集合函数的控制方程;在微观上建立了以土颗粒、冰、水为结构要素而形成的微结构元集合.通过以冻土材料的强度、刚度和结构应变为宏观约束条件,找到所有可能的微结构状态及其分布,以此为基础,建立冻土材料宏观参量与材料微观特征参数之间的关系.在一定的简化条件下,得到了冻土材料的状态集合函数的解析表达式,并由此形成冻土材料的强度准则、流动法则和应力-应变关系.
为认知冻土导热系数测试和计算方法的研究现状,从而服务于冻土温度场的计算,介绍了冻土导热系数的研究背景和导热系数对冻土温度场的贡献,并对冻土的组成和导热系数随不同负温变化的原因进行了分析。阐述了目前冻土导热系数的测试技术、计算方法、理论计算模型及土中固相矿物导热系数的确定方法,并分析了其优缺点和误差存在的原因。对冻土导热系数随温度、干密度、含水率等因素变化的研究成果进行了整理,分析了基于测温法确定冻土导热系数存在的误差及其原因,并初步提出了一种修正冻土导热系数测试结果的方法。在此基础上,提出了对冻土导热系数测试和计算的建议和展望。结果表明:温控环境和测试过程中的相变热对导热系数实测值均存在影响,从未冻水含量的角度修正相变潜热对导热系数测试过程的影响具有理论可行性;线性回归预估模型应考虑土质对测试值的初始影响,从相间热量平衡的角度建立导热系数的理论模型,对于温度场解析问题的研究具有重要作用;考虑土颗粒的多孔特性,推演不随密度变化的土中固相物质导热系数的确定方法,对于提升冻土导热系数计算模型的预测精度具有基础作用;从微观角度出发,建立能够反映土体冻结速率的导热系数模型应是冻土导热系数研究区别...
考虑未冻水含量随不同负温变化的事实,结合混合量热法中相变潜热对冻土比热测试值的影响,建立了基于比热的冻土未冻水含量反演算法。依据比热具有按各成分质量可进行加权叠加的性质,将相变阶段某一温度点的冻土比热视为冻土骨架、液态水和固体冰三相的比热加权之和,同时还考虑了该温度点未冻水变化率所需潜热的影响,在此基础上导出了根据冻土比热反演其未冻水含量的方法。将冻土相变阶段一定温度下的比热视为冻土骨架、液态水和固体冰比热的加权总和。采用混合量热试验测量了某冻土试样的未冻水含量,并利用本文给出的反演算法计算了相应的未冻水含量。两种测试结果的未冻水含量变化趋势相同,即未冻水含量随着温度的降低逐渐减少,且递减趋势逐渐减弱;与混合量热试验方法相比,本文给出的算法得出的未冻水含量略高,这主要是因为新算法考虑了相变潜热的影响,因而理论上更为合理。
基于饱和冻土的三相组成和导热系数量纲定义,将冻土简化为由土柱、液态水、冰柱组成的混合物,进而建立了冻土导热系数的几何模型。考虑实际冻土中三相组成的含量随温度变化而不断变化的事实,给出了随温度变化的水柱和冰柱体积计算与演变规律。在此基础上,利用并联体系导热效果的叠加原理,给出了随温度变化的冻土导热系数计算模型。基于热流传递过程中并联与串联同时进行的耦合特性,建立了考虑固-液界面的导热系数计算模型。将预测值与瞬态探针法的实测结果和Johansen法的计算结果对比后发现,该类计算方法能有效模拟不同负温条件下冻土的导热系数,并且具有概念清晰、方法简单等特点。
为评估热参数对饱和冻土瞬态温度场的影响,分析冻土温度场的影响因素,提出一种最紧密排列的土柱几何模型,土柱外部被自由水充满.假定冻结在土柱围合区域的中心产生并呈柱状发展,根据任意时刻单元体内部土、水和冰的体积构成,依据Johansen的预估土体导热系数计算方法,建立未冻水含量与导热系数之间的计算关系.依据比热加权计算的原理,结合土体的相对密度及水和冰的密度,获取了土柱模型在不同冻结时刻各相的质量比,确定了未冻水含量与比热之间的计算关系.依据不同冻结时刻土柱模型中的未冻水含量,建立潜热随冻结时刻的变化关系.根据实测粉质黏土的导热系数,结合土柱模型获取其比热、潜热随温度的变化关系.将获取的不同温度下的导热系数、比热和潜热值代入数值计算软件ABAQUS,获取了冻土温度场的计算值.将该计算值与实测值进行对比,表明基于该模型获取的计算热参数值能够较好地预测冻土温度场.
岩土工程勘察方法主要以地质调查与测绘、勘探与取样、原位测试及室内试验、现场检验与监测、整理勘察资料等为主。北方冻土是指0℃以下含有冰的各种岩石和土壤。针对北方冻土地区的岩土工程勘察方法,需根据具体情况对岩土工程勘察方法进行改进,从而有效的提高北方冻土地区的岩土工程勘察质量。本文从岩土工程勘察方法入手,对北方冻土地区的特点进行了分析,并进一步对北方冻土地区的岩土工程勘察方法进行了具体的阐述。
