以深季节冻土地区越冬深基坑为研究对象,采用物理模型试验方法,研究了深基坑在冻融过程中的冻胀力的变化特征.结果表明:深基坑在冻结过程中,冻结深度和冻胀力均随着时间的增加而增大,但不同深度处的水平冻胀力增长幅度差异明显.在冻结结束后的融化阶段,基坑底部的冻胀力仍保持增大趋势,而基坑上部的冻胀力先小幅的增大,随后缓慢的减小.基坑在冻结阶段中沿桩底部至顶部,冻胀力经历了减小-增大-减小的阶段,冻结过程中,基坑底部位置冻胀力急速增加,试验测得冻胀力达到了42kPa,对应基坑原型后为840kPa,远大于《冻土地区建筑地基基础设计规范》JGJ 118—2011中挡土墙水平冻胀力设计值,甚至达到现行规范给定设计土压力的4倍.

冻土工程实践的发展和需求不断给冻土工程提出新的问题。冻土离心模拟技术是专门针对冻土工程的物理模拟技术,即在已有的土工离心机的基础上实现了温度场与应力场的耦合,并可在较短的时间内完成对大跨度时间下冻土工程实际问题的模拟。近30年来,随着热交换装置不断革新、相似准则不断完善以及试验方法不断创新,使得冻土离心模拟技术在世界范围内发展迅速,为冻土工程问题的研究开辟了新的途径。本文介绍了试验装置的发展过程,综述了已开展的主要试验及研究成果,在此基础上展望了冻土离心模拟技术未来的发展方向。冻土离心模拟技术在冻土工程领域中将拥有广阔的应用前景。

为了获得PVC、PPR塑料冻结管在盐水冻结的温度场分布情况,采用物理模拟实验和理论求解相结合的研究方法,研究了PVC管、PPR管和钢管的单管冻结问题,分析了3种不同材质冻结管的冻结情况,获得了冻土区温度分布规律,掌握了PVC、PPR管作为冻结管冻土的发展速率,在同种情况下PPR冻结管的速度最慢,PVC管冻结的冻土帷幕平均发展速度约为钢管冻结发展速度的0.8倍。为采用PVC管作为冻结管,确定盐水冻结时间和计算冻结壁厚度,解决盾构进出洞免拔管问题提供基本参数。

高温冻土地区铁路路基,由于列车动荷载对土体产生扰动而影响其稳定性。通过分析影响冻土路基应力、变形及温度场等主要因素,建立冻土路基模拟试验装置;在路基内部及周围地表布设压力和变形传感器,并用自行设计列车动荷载加载装置对路基施加模拟荷载,进行冻土路基动力响应模拟试验。试验获得不同动荷载频率作用下路基周围地表变形以及内部土压力的变化规律。试验结果表明:动荷载频率对地表竖向位移及路基土压力的影响均存在一个临界值,采用适当的列车行驶速度可减小对冻土路基的挠动;路基内部温度场监测结果表明,动荷载可引起土体局部温升,建议采用积极的防护措施以保护路基的冻结状态。研究成果可为维护青藏铁路路基稳定提供参考。

针对季节冻土区工程冻土的特点,结合野外冻土观测场的实际观测结果,进行了季节冻土区场地冻融过程相似模拟试验的研究。试验结果表明:①土体0℃等温线深度的变化趋势与冻结指数的变化趋势基本相同,冻结指数I500℃.h时,0℃等温线深度发展速率趋于平缓,且与土体的冻结指数的发展速率趋于一致;②在模型试验中应用冻深器观测冻深有局限性,其冻深的发展具有一定的延迟效应。

在全球升温的背景下,同时考虑人为施工扰动的影响,针对青藏铁路旱桥桩基稳定性问题,进行数值模拟研究和物理模拟试验。研究在冻土上限变化条件下旱桥桩基的承载力特性,获得单桩竖向承载力以及冻土上限变化对桩基稳定性的影响规律。桩基的极限承载力随着冻土上限的下移而急剧降低;随着冻土上限下移,桩侧摩阻力不断减小,桩基的侧摩阻力占总承载力的比重也越小,此时桩端阻力发挥主要作用;物理模拟试验和数值模拟结果同时说明冻土上限下降的严重后果,尤其对于极为敏感的高温冻土,需要加强对桩周冻土的保护,避免冻土退化。此研究为预测青藏铁路旱桥桩基稳定以及高温多年冻土桩基的设计与施工提供参考依据。

在多年冻土地区修建铁路,为确保冻土路基的稳定,应使路基长期处于冻结状态。通过分析影响冻土路基温度场的主要因素,建立冻土路基模拟试验装置;在路基内部纵向布置调控管,进行冬季采集天然冷量和冬季采集天然冷量同时夏季辅助利用人工制冷冷量来调控冻土路基温度场的模拟试验。试验获得了采集天然冷量和采集天然冷量同时辅助利用人工制冷冷量调控路基时路基内部温度场的变化情况。试验结果表明,采集天然冷量同时辅助利用人工制冷冷量可有效地维护冻土路基的稳定。

根据相似理论并考虑工程因素,推导了直线形冻土墙用于基坑支护时其温度、变形的相似准则方程,进行了模化设计,对砂土冻土墙的温度分布和变形特征进行了模拟试验研究。研究表明:冻土墙的温度分布曲线近似为直线;用一定厚度的泡沫塑料板对冻土墙保温是可行的和方便的;冻土墙变形由转动变形、弹性变形及较大的蠕变变形组成;墙体变形随其厚度增大呈非线性减小,而随土压力增大呈非线性增大;墙体暴露时间与其变形之间呈幂函数关系。在此基础上对冻土墙的设计方法进行了探讨,提出了冻土墙厚度设计的变形约束条件和冻土墙有效厚度的概念。认为冻土墙有效厚度的确定必须综合考虑冻土墙的温度分布特性、墙体的抗倾覆稳定性、强度条件和变形约束条件等几个方面的因素。

根据相似理论并考虑工程因素 ,推导了直线形冻土墙用于深基坑支护时温度、变形的相似准则方程 ,进行了模化设计 ,对砂土冻土墙的温度和变形进行了模拟试验 .研究表明 :用一定厚度的泡沫塑料板对冻土墙保温是可行的 ;冻土墙变形由转动变形、弹性变形及蠕变变形组成 ;墙体变形随其厚度增大呈非线性减小 ,而随土压力增大呈非线性增大 ;墙体暴露时间与其变形之间呈幂函数关系 .

在研究直线形冻土墙用于深基坑支护时其温度场数学模型的基础上,考虑工程因素,根据相似理论,对冻土墙温度场进行了模拟试验研究。结果表明:在积极冻结期冻土墙厚度与温度分布的无因次方程近似为直线方程、与时间的无因次回归方程为二次多项式方程;提出了冻土墙平均温度、厚度、积极冻结时间的推算方法;用一定厚度的泡沫塑料板对冻土墙保温是方便而可行的。