基于冻融补水新方法的季冻土力学特性思考

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论文字数:38652 论文编号:sb2021082621164437074 日期:2021-09-03 来源:硕博论文网
笔者经过研究,得出结论如下:(1)针对现有研究的试验方法不能够准确的模拟季冻土实际的冻融方式与补水状况,提出了季冻土试验的补水冻融新方法—单向冻融自然补水试验方法,并研制了试验装置,更加准确模拟现场实际的冻融补水状况。(2)给出季冻土冻融过程中温度及水分迁移特征。基于自行研制的单向冻融自然补水试验装置,给出了补水土层温度变化特征,大致可分为快速降温、缓慢降温、温度稳定、缓慢升温、0℃左右相变持续、正温持续升高六个阶段。试样与补水土层在无梯度和有梯度含水率条件下,冻融后试样含水率分别增加约 0.6%和 1.5%,补水土层在距底部某一高度处出现含水率临界点。

第 1 章 绪论

1.1研究背景及意义
季冻土作为一种受季节气温影响的特殊土,土中水分随季节气温的变化以固态冰和液态水的形式交替存在,呈周期性的冻融循环[1]。在冬季负温大气环境下土中水分冻结成冰,由于固体冰的膨胀作用使土颗粒排挤而产生冻胀力,破坏了土颗粒原有的排列方式。在春季温度回升阶段,土中固体冰融化成液态水体积缩小,土颗粒的排列方式再次发生改变,土体强度因其原有结构被破坏而有所改变。我国季冻土占地 53.5%[2],如图 1-1 所示,由图可以看出季节性冻土区从东北到西北横贯大半中国,分布于十多个省份,而不同地区因其土质、环境等内部因素与外部因素的不同,冻融作用对土体产生冻害的破坏形式及相应措施也不尽相同[3]。因此,关于季冻土问题的研究还需要进一步深入。
横贯亚欧非的丝绸之路经济带随着 “一带一路”战略的推进正在建设。而其沿途经过的地区大多属于季节性冻土地区,如图 1-2 所示。实现“一带一路”互联互通建设目标的基础是修建大量铁路、公路及基础设施。因此,研究冻融作用对季冻土工程建设、路基修筑和“一带一路”的顺利推进尤为重要。
图 1-2 “一带一路”战略示意图
图 1-2 “一带一路”战略示意图
2019 年 “振兴东北”战略的提出,全面推进了东北地区基础设施的建设。而地处典型季节性冻土区的东北,季冻土受冻融作用产生的冻害一直困扰着冻土工程。因此,在实际工程领域由于冻融作用产生的问题亟待解决。
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1.2国内外研究现状及分析
不同冻融补水方式对季冻土水分迁移、冻胀、强度及力学特性等的影响显著不同,目前关于季冻土的试验研究,不外乎于封闭系统和开放系统下展开,封闭系统在冻结过程既无水分补给也无水分排出,开放系统在冻结过程中有水分的补给且为直接连接外界水源。而关于季冻土抗剪强度指标的研究大多于封闭系统下展开,而在开放系统的研究相对匮乏。下述就两种系统下的季冻土试验及抗剪强度指标在当前在国内外研究现状进行介绍。
1.2.1封闭系统下季冻土试验
封闭系统最早应用于冻土试验中,现有研究已相对系统成熟,包括冻胀、水分迁移、强度、物理及力学性质。张婷等[6]发现土的干密度对水分迁移有较大影响,干密度越大水分迁移量和迁移范围越小,反之则相反。赵刚等[7]通过不同初始含水率和温度下的单向冻融试验,得出初始含水率和温度与水分迁移量和速率成正比。周志军等[8]通过天然黄土与饱和黄土的季冻土试验,发现冻融后土的塑性指数降低,随 F-T 次数的增加黏聚力逐渐减小而内摩擦角增大。邴慧等[9]研究了不同冻融方式下土的物理特性,结果表明随冻融循环的增加其变形不具有累加性,在试验条件下强化了土体结构。阴琪翔等[10]采用双向冻结-单向融化方式对土的压缩特性进行研究,发现土体干密度会出现临界值,当小于临界值时以压密变形为主,当大于临界值时以膨胀变形为主。Hou J F 等[11]通过对路基土进行不同影响因素下的冻胀试验,发现含水量对冻胀的影响最大,冻融次数和冻结温度影响较小,当含水率达到一定值时即使粗粒土也会发生较大的冻胀。
严晗等[12]研究了在不同初始条件下冻融后粉砂土的力学特性,试验结果表明其应力-应变曲线呈硬化型,冻融循环达 20 次后力学参数趋于稳定,其强度与围压和压实系数成正比与含水量成反比。Zhiwei Zhou 等[13]建立了围压和冻融交互作用下的本构模型,可预报土在热循环下的强度及变形特性。KarumanchiMeeravali 等[14]对软土进行不同冻融循环次数后渗透性、孔隙率和抗剪强度的影响及其规律的研究。Huayang Lei 等[15]研究了软粘土在经历冻融循环后的应变行为,提出并验证了能够综合反映动应力幅值、加载频率、冻结温度和加载次数的经验累积塑性应变模型。Zhongnian Yang 等[16]在封闭系统下研究了膨胀土在经历冻融循环后动力特性随应力状态的变化,分析了动态剪切模量和降低阻尼系数的变化模式。Liang Tang 等[17]通过 F-T 下的三轴试验发现膨胀土随 NFT 的增加抗剪强度指标逐渐降低,但 NFT 会出现一个阈值,当大于阈值后 F-T 对土力学性质的影响减弱。
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第 2 章 季冻土冻融补水试验新方法

2.1 现有室内模拟季冻土单向冻结试验装置
2.1.1 封闭系统室内模拟试验装置
封闭系统下试验过程中无外界水源的补给,现有室内模拟试验采用的试验装置示意简图如图 2-1。试验方法为直接将试验试样置于试验筒内,在试样不同高度处插入温度传感器探针,通过数据采集仪实时监测土层内部温度变化,试样顶部通过顶板连接的水浴冰箱进行冻结,试验筒外围包裹保温材料进行保温,隔绝与外界的冷热交换,实现从上到下的单向一维冻结。
图 2-1 封闭系统下试验装置示意图
图 2-1 封闭系统下试验装置示意图
试验过程中无水分补给也无水分的排出,冻结过程发生的水分迁移仅发生在单元试样内部。而现场实际状况为开放系统地质环境,在温度梯度作用下未冻区水分迁移至冻结区,上部土层通过下部土层的水分迁移实现补水,因此,封闭系统下的季冻土室内模拟试验与现场实际地质环境有所不符。
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2.2 季冻土单向冻结过程中的水分迁移机理
在水分迁移机理方面,目前存在两种普遍被人接受的理论。
(1)毛细水迁移机制。受毛细作用力影响,土壤中的水分会沿土中毛细管向冻结锋面移动,依靠毛细作用的推动,冻土中水分发生迁移,由此产生第一冻胀理论[55]。
(2)薄膜水迁移机制。水膜包裹在土颗粒表面,冻结使土中薄膜水发生不均匀排布,水分从厚水膜区向薄水膜薄区移动,由此产生第二冻胀理论[56]。在负温环境下,土孔隙中部分水被冻结成冰,打破了原相态平衡,水分受温度梯度作用而发生迁移,最终使土体内水分重分布,从而破坏了土体原有的结构,土体强度降低,土的力学性能被弱化。因此,深入研究并解决土的冻结问题具有重要意义。
图 2-3 显示了土体进行单向冻结时薄膜水分迁移机理,包含已冻土、冻结缘和未冻土三部分。冰透镜体处于已冻土和冻结缘之间,冻结锋面(0℃等温线)是冻结缘和未冻土接触的部分。负温施加于顶部冷端,冷源附近土层快速形成冻结锋面,冻结锋面随冷量的持续逐渐向暖端蔓延,近冷端原位冻结,形成冻土。受温度梯度影响,冻结锋面下部土层中水分向冻结锋面迁移并聚集到冻结锋面形成冰晶,称为冰透镜体。冻结缘在冰透镜体和冻结锋面之间土中水分以冰水混合状态共存,这个区域导水率和含水率均较低。图中 A 部表示在温度梯度作用下未冻土中水分向冻结锋面迁移,B 部表示在冻结缘处液态水继续向上迁移并在冰透镜体处积聚。
现有对开放系统下有关补水方式的的研究,均为底部通过马氏奥特瓶进行直接连接水源进行补水。但在实际的现场冻结环境下,试样补给水分的方式为通过下部土层中的水分,在温度梯度作用下发生水分迁移,而并非以往直接连接外界水源进行补水。因此,提出一种补水方新法-自然补水方法:将底部补水的水源替换为天然的土层。通过将试样顶部和四周包裹底部开放,嵌固插入于补水土层中,在顶部冷端施加负温后进行单向冻结,在温度梯度作用下试样底部土层中的水分迁移至试样,达到缓慢补水效果。此补水方式更加符合自然界实际的冻融补水过程。
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第 3 章 冻融补水新方法下温度变化和水分迁移特征.......................................... 16
3.1 试验简介.........................................16
3.1.1 试验用土及其物性指标的测定....................................16
3.1.2 试样制备................................16
第 4 章 冻融补水新方法下季冻土力学特性.................................. 30
4.1 三轴试验方案.........................................30
4.1.1 仪器性能及技术指标.....................................30
4.1.2 试验方法...............................31
第 5 章 不同冻融补水方式下季冻土力学特性........................ 40
5.1 试验方案...............................................40
5.2 应力-应变曲线..................................41

第 5 章 不同冻融补水方式下季冻土力学特性

5.1 试验方案
本章基于单向冻融下的无梯度自然补水和有梯度自然补水,结合单向冻融不补水、三向冻融、未冻融试样开展两组不同冻融补水方式下的三轴 UU 试验,选取三种围压 50kPa、100kPa、150kPa 开展试验,试验方案见表 5-1。
表 5-1 不同冻融补水试验方案
表 5-1 不同冻融补水试验方案
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结论与展望

结论
冻融作用是影响季冻土物理及力学性质最显著的因素之一,而不同的冻融补水方式对季冻土物理及力学性质产生的影响及程度也不尽相同,为确保季冻土工程的安全、经济、可靠,需要通过室内试验准确地模拟自然界真实的冻融方式与状况,而试验方法与试验装置直接影响试验的成败。因此对于季冻土冻融问题需要引起足够的重视。
本文考虑到自然界实际冻融状况与方式,提出了一种季冻土冻融补水新方法,并研制了试验装置,更加准确地通过室内试验模拟自然界季冻土的冻融过程,克服以往试验研究的弊端与不足。通过自制试验装置进行了单向冻融自然补水试验,给出了冻融过程补水土层的温度变化特征;分析了冻融后试样和补水土层水分迁移变化特征;基于冻融补水新方法下三轴 UU 试验,给出了冻融后试样应力-应变曲线、静强度及抗剪强度指标变化规律;对比分析了不同冻融补水方式对试样应力-应变曲线、静强度及抗剪强度指标(黏聚力和内摩擦角)影响规律及变化模式。主要结论如下:
(1)针对现有研究的试验方法不能够准确的模拟季冻土实际的冻融方式与补水状况,提出了季冻土试验的补水冻融新方法—单向冻融自然补水试验方法,并研制了试验装置,更加准确模拟现场实际的冻融补水状况。
(2)给出季冻土冻融过程中温度及水分迁移特征。基于自行研制的单向冻融自然补水试验装置,给出了补水土层温度变化特征,大致可分为快速降温、缓慢降温、温度稳定、缓慢升温、0℃左右相变持续、正温持续升高六个阶段。试样与补水土层在无梯度和有梯度含水率条件下,冻融后试样含水率分别增加约 0.6%和 1.5%,补水土层在距底部某一高度处出现含水率临界点。
(3)给出了单向冻融自然补水方式下试样的应力-应变曲线、静强度及抗剪强度指标的变化规律。随含水率和围压的增大,试样应力-应变曲线由应变软化型逐渐表现为应变硬化型;静强度与围压成正比关系与含水率成反比关系。黏聚力随初始含水率的增大,表现为先增大后减小,在最优含水率附近出现峰值,呈抛物线型变化;内摩擦角与初始含水率成线性关系,随含水率的增大线性减小。
参考文献(略)

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