针对季节冻土区路基填土春融时常处于强度不稳定的状态,根据季节冻土特性选取冻结温度、融化温度、围压、含水率4种影响因素,对张家口季节冻土区粉质黏土进行了模拟正融土的常规三轴试验,采用灰色关联分析法对试验结果进行分析,给出了4种影响因素对强度的敏感性排序。结果表明:含水率、融化温度、冻结温度的敏感性超过60%,需要重点考虑。9%含水率时,土样强度较高,发生脆性破坏,随着含水率的增大,向延性破坏转变;融化温度主要影响土体剪切过程中融化速度和排水固结的速度,温度越低,土样强度越高;冻结温度通过改变土颗粒和冰晶体的胶结程度来影响强度,冻结温度越低,胶结作用越强,但低于-10℃后,强度增长缓慢;围压越大,土体强度越大,不同围压影响下,应力-应变曲线的形状和走势却大致相同,分析结果可为季节冻土区实际工程提供一定的参考。
为研究长春地区季节性冻土在冻融循环作用下土体力学参数的变化,通过对典型地层现场采取原状土样进行室内试验的方法,在试验室内完成原状土、一次冻融土、二次冻融土等三种不同状态下土样的物理力学参数测试,对三种不同状态下土样的主要物理力学参数进行对比分析,得到土体在二次冻融循环作用下力学参数的变化规律,同时对土样在二次冻融循环下的的冻胀及融沉性进行了试验,对影响地基土土体冻胀性及融沉性的主要因素进行了详细分析,并针对其影响因素提出相应的冻害防治措施建议。
在模型试验的基础上,利用Ansys有限元软件,对不同温度冻土和融土中单桩的竖向承载力进行了分析,得出了冻土温度对单桩承载力的影响,以及在冻融条件下单桩承载力的变化,为西部大开发中冻土地区桩基础的设计与施工提供了理论依据与方法指导.
由于融土和冻土之间存在明显的电性差异,使探地雷达成为研究多年冻土的有效手段之一。本文结合工程实例,对探地雷达在青藏高原多年冻土工程地质勘察中的应用效果进行了现场试验研究。分析了探地雷达探测多年冻土的物理前提条件,总结了多年冻土主要地质要素的雷达图像特征和探地雷达在多年冻土工程地质勘察中的实际应用效果。研究表明融土与冻土的雷达图像特征存在明显差异:融土雷达反射波为低频强宽振幅的稀疏波,波形较杂乱;冻土反射波为高频低振幅细密波,波形较为规则;探地雷达可较为准确地划分地层、识别多年冻土上限、确定多年冻土分布范围,但尚不能有效确定多年冻土的含冰量;另外,探地雷达对细颗粒土的探测效果要明显好于粗颗粒土。文章还指出了现场探测和图像解译分析中需要注意的事项和下一步需要研究解决的问题,建议在开展现场探测工作之前先在有钻探资料或天然地质剖面处进行对比试验,搞清测区内主要地层的物性参数,掌握有效波和干扰波的分布规律,从而提高雷达探测结果的准确性和可靠性。
对多年冻土进行了分类,针对基础处于多年冻土区域的桥涵的设计和施工进行了要点分析,提出了防治措施。指出确定冻融深度与合理采用基础形式至关重要。
以上海地区第④层淤泥质粘土冻融前后无侧限抗压强度为对象,展开实验研究,得到了5种温度(-5、-10、-15、-20、-30℃)下冻融前后无侧限抗压强度的变化关系,并对比分析;随温度的降低,融土无侧限抗压强度的变化速度小于人工冻土的无侧限抗压强度增加速度。运用损伤力学中损伤值的计算公式,计算出不同温度下冻融土的损失值,二者有较好的线性关系。
随着寒区经济的发展,冻土地区的矿山开采活动不断加剧,随之产生的重金属污染问题也越来越严重。冻土地区生态环境脆弱,一旦受到破坏就很难恢复。针对此问题,室内模拟了尾矿矿渣在冻土与融土中的填埋及其对填埋场周边土体的影响,通过检测填埋场各处土壤的温度、含水量以及重金属元素的含量,发现温度和水分对重金属元素的迁移影响很大。土壤温度越低,重金属元素的迁移越慢;在温度梯度的作用下,重金属元素均随着水分从土体的暖端向冷端迁徙并聚集于冻结锋面。重金属元素在冻土中的迁移比融土中慢,表明冻土环境不利于重金属元素的迁移。在土壤质地、温度和含水量等相同的情况下,Zn的迁移性较强,Pb和Cu的迁移性相对较弱。
试验模拟了冻土及融土中生活垃圾的填埋对于周边土体的影响,通过检测填埋场各点处土壤含水量、温度、含盐量和有机质的含量,认为水分运移是影响可溶盐离子迁移的主要因素,盐分与水分的分布具有很好的一致性;温度对盐离子的迁移及有机质的分解有很大影响,温度越高,盐离子的迁移及有机质的分解速率越快。冻土环境不利于可溶盐离子及有机质的迁移与分解,冻土中各点含盐量及有机质含量高于融土。
基于提出的正冻土三场耦合的理论框架以及所开发的全面考虑正冻土骨架、冰、水三相介质水、热、力与变形的真正耦合作用的分析系统3G2001,对214国道花石峡试验路基实测的地温变化和路基路面变形进行了对比分析验证;根据路面冻胀融沉过程曲线,将冻土路基的变形过程分为4个阶段,即剧烈冻胀阶段、冻胀持续稳定阶段、剧烈融沉阶段和融沉持续稳定阶段,揭示了冻土路基冻胀融沉的热力学内在机制。对比结果显示:分析所得的路基温度场与实测值变化规律一致,其量化相差在10%20%以内;分析所得耦合变形随时间的变化与实测值相一致,路中的分析变形值与实测值相差也在允许范围内。