为厘清季冻土区临水内、外拱护墙结构冻胀平位移冻害机理,测试隔离层防冻害装置的有效性,在20101110—20110531、20131110—20140531、20171110—20180531三个观测年内,以长春某湖泊临水内、外拱护墙结构为研究对象,选择内、外拱护墙结构和设隔离层防冻害装置的试验内拱护墙结构三者相对比,用钢尺量距法观测三者寒期的平位移状态。结果表明:内拱护墙结构出现倾斜、裂缝导致的内向冻胀平位移冻害,其内向平位移曲线随气温均呈"半驼峰型",对应观测年持续降温—持续低温—持续升温—正温时段,内向冻胀平位移呈减小—增大—减小—稳定残余的位移运动,诱因是平冻胀应力的生成—增长—减弱—消失作用;外拱护墙结构出现较小的外向冻胀平位移,外向冻胀平位移曲线均呈"波浪型",无冻害发生,冰凸拱平冻胀应力推动外拱护墙结构压缩冻土凹拱形成外向冻胀平位移,冻土凹拱限制了外向冻胀平位移发展;设隔离层防冻害装置的试验内拱护墙结构未发生平位移冻害,其内向冻胀平位移较自然冻胀的内拱护墙结构减小83.92%,较外拱护墙结构减小51.74%,表明隔离层防冻害装置防治冻胀平位移冻害有效。

输水渠道冻胀破坏是寒冷地区渠道破坏的主要表现。为了探明刚柔混合衬砌渠道的冻胀机理,分析复合衬砌渠道的冻胀变形规律和冻胀过程中的水分变化规律,以及柔性复合土工膜的变形特征,该研究借助季节冻融条件下刚柔混合衬砌梯形渠道的原型观测成果,分析了刚柔混合衬砌渠道的最低地温变化规律、冻深变化规律和冻胀量与冻胀力的变化规律,重点研究了冻融条件下渠基土壤的水分迁移规律,以及复合土工膜的变形特征和强度变化。结果显示:刚柔混合衬砌渠道的冻胀变形最大值位于渠底和阴坡1/3处,最大冻胀量为11.2和13.1 cm,衬砌结构向上隆起。冻结期,渠基土壤0～60 cm深度范围内含水率随深度增加而增大,>60～120 cm深度范围内的含水率随深度增大而逐渐减小。水分迁移最大值发生在渠道底部,迁移率为13.2%。经过一个冻融周期的循环,复合土工膜的强度和变形量仍然保持在90%以上,强度和变形损失值较小,可充分发挥复合土工膜防渗抗冻胀和适应变形的特性。该研究为刚柔混合衬砌渠道的设计、推广应用提供了理论依据。

提出了一种试验方法,研究土体或破碎岩体在不同含水率、不同温度、不同应力状态下冻结后产生的冻胀应变与冻胀力之间的关系,并针对寒区隧道提出了一种新型三轴冻胀应力-应变关系.试验设备采用应变控制式三轴仪及低温冷冻库,通过改变测力环的刚度来实现不同约束状态,进而得到土体或破碎岩体在不同约束状态下冻结后产生的冻胀应变及冻胀力,将这些特征点进行回归分析即可得到冻胀应力应变关系.根据上述试验方法,对饱和砂土进行三轴冻胀应力-应变试验.结果表明:冻胀应力应变关系呈对数曲线变化,且冻胀力随冻胀应变的对数呈线性变化;轴向约束越强,冻胀应变越小,冻胀力越大,且冻胀力随轴向约束强度的增大趋于某一极值;围压越大,冻胀力和冻胀应变越大.

冻胀是冻土材料的一种最为显著的特性,冻胀引起土体位移将对周围环境产生危害.通过目前新研制的微机控制多功能冻土冻融试验机POWER TESTV32-SHT,配合CT扫描,对上海具有代表性的粘土进行人工冻土的冻胀量和冻胀应力模拟试验研究,得出不同深度土层人工冻结后的冻胀量和冻胀应力与固结应力的关系,以及土样在冻结过程中的水分迁移情况.所得结果将对上海人工冻土工程的设计、施工具有一定的参考价值.

在分析土体冻胀形成原因的基础上,通过建立冻胀过程的应力场控制方程和温度场控制方程,利用固相增量法和热弹性力学理论,推导出冻胀过程中在温度场影响下的应力分量。在此基础上对冰透镜体形成条件进行了补充,提出相变温度也是冰透镜体形成的必要条件。通过对冻结过程机理的分析,在考虑温度和未冻水对冻胀量的影响基础上,对原位冻胀和分凝冻胀机理分别进行了讨论,给出完整冻胀量的理论计算方法,该方法可以更贴近描述土体实际冻胀过程。