为了研究季节性冻土区不同保温措施下渠道冻胀变化规律,在一个冻融周期内对河套灌区杨家河南边干渠进行现场测试,针对不同保温措施下的冻深与冻胀量进行了分析。结果表明,阳坡与阴坡聚氨酯和聚苯乙烯保温措施条件下6 cm厚的保温效果均优于4 cm厚的保温效果,阳坡4 cm厚的聚氨酯保温效果优于4 cm厚的聚苯乙烯保温效果,而阴坡4 cm厚的聚氨酯保温效果劣于4 cm厚的聚苯乙烯保温效果。从水力条件、节水效益、投资成本等方面对比分析混凝土渠道与玻璃钢渠道的应用性,玻璃钢渠道可减少拆除重建费与保温措施费等费用,且综合投资与混凝土渠道相差不多,随着水资源需求量的急剧增大,玻璃钢渠道具有较好的应用前景。

在冻土区敷设长输管道需要考虑冻土冻胀对管道的作用,以防止管道出现过大的应力或应变而危及管道的安全运行。针对冻土冻胀作用对管道的影响提出了分析计算方法,包括冻土冻胀量计算、管道周围温度场计算模型、管道与土壤的相互作用模型以及基于应变的管道失效判据。其中,冻土冻胀量的计算主要基于冻土分凝势和蠕变,温度场模型根据考虑地面环境温度变化和管输介质的温度,管道与土壤的相互作用模型计算差异冻胀情况下管道的应力与应变。计算分析了在温度降低过程中土壤的冻结深度和冻胀位移,以及管道在冻胀作用下的变形,结果表明,冻土差异性冻胀引起管道弯曲变形,其最不安全位置发生在两种土壤的交界处附近。

冻土是一种对温度极其敏感且性质不稳定的特殊类型土。在季节性冻土地区,气温的波动变化将对土体冻胀性造成很大程度的影响。本文选取季节性冻土地区极具冻胀敏感性的粉质黏土进行冻胀特性试验,研究冻缩现象的产生及出现冻缩现象时的土体冻胀特性。经试验研究发现,当土体含水率较低时,水结晶成冰的体积不足以完全填补土体内的孔隙,因此造成土体体积缩小的现象。同时,冻缩现象的出现使土体温度场发生突变、土内水分出现结晶,在土体内部水分迁移的情况下含水率也相应发生变化,土体冻胀量出现负值、冻胀表现也相对较弱。

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。

对土坡的一个单位宽度土条进行简要受力分析,进行分层计算土体冻胀变形量。根据平面应变假定求解斜坡坡土应力分量,考虑温度效应对土体先期固结压力的影响对沈珠江水滴形屈服面进行修正,通过拟定坡土滑移速度与黏塑性应变率的关系,得出坡土滑移变形速度;再通过修正经冻融循环后的土体强度和黏滞性参数以提高模型的模拟精度。实例计算表明,冻胀变形和滑移变形量的计算值与现场实测数据结果较为一致。

本文通过东北严寒地区某跨湖泡桥梁的设计实例,介绍了季节性冻土地区桥梁抗冰冻设计及防范措施,具体涉及基础埋置深度的确定、严寒地区板式橡胶支座及桥梁伸缩缝橡胶带材料的选择、处于冻融环境下的桥梁墩柱混凝土附加防腐措施设计、桥台抗冻胀措施以及台后搭板布置方式等。

冻结中的固液相变过程是冻土冻胀研究的一个基础.根据热传导理论,对半无限土体的热传导模型进行分析,将冻土分为已冻土和未冻土两个区,对固液相变以及冻结锋面的移动进行研究,探索影响冻土温度分布的因素,研究含水量、干密度和土的类型对温度场及冻结锋面移动速率的作用.同时根据冻结锋面的移动规律,建立了冻胀量随时间的关系式.最后,通过算例,结果表明含水量和干密度对冻土温度分布产生不小的影响,尤其是含水量,含水量越大,冻结锋面移动越快.含水量对冻土温度分布的影响最大,其次是干密度,土类型的影响最小.分析显示冻胀过程中温度与冻胀的影响作用明显,含水量是一重要因素,对冻胀量的影响是非常显著的.

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.

针对原状冻土没有被扰动、土体内在微细观结构没有发生变化的特点,给出了试样制备与加工、初始裂纹预制及采用着色法测量裂纹尺寸的新方法.通过对当地土质进行分层冻胀量的观测,得出了不同埋深处冻胀量、冻深与时间的关系,并以此来严格控制试样制作及试验时的温度,以保证试验时试样的温度变化与实际相同深度冻土层温度变化一致.利用改造后的试验装置得到原状冻土I型断裂韧度KIc值,说明了该试验方法是可行的.

在季节性冻土区的路基工程中 ,冻胀是冻害的主要形式之一 ,冬季较强烈的冻胀也预示着春季可能要产生较严重的融沉和翻浆。根据 2 0 0 0～ 2 0 0 2年间对吉林省长余高速公路路基冻胀观测所获得的资料 ,描述了冻胀引起的路面变形破坏特征 ,对影响冻胀的因素进行了分析 ,并阐明了路基冻胀量沿冻深的分布状况。