探究多年冻土区桩侧冻土含冰量差异对桩基础承载性能的影响,不仅有助于冻土区桩基础的设计施工,而且对桩基础变形防控有重要指导意义。利用ABAQUS有限元软件,模拟计算桩侧不同含冰量分布模式下桩基础的荷载传递和承载力。桩侧含冰量分布模式设置为:倒梯形(含冰量沿桩深减小)、灯笼形(含冰量沿桩深先增大再减弱)和正梯形(含冰量沿桩深增大)。结果表明:尽管桩侧总体含冰量相同,桩基础的承载性能受桩侧土体的含冰量影响显著。取荷载为26 MN进行分析,倒梯形、灯笼形及正梯形工况对应位移依次为0.026 m、0.030 m及0.032 m;在相同荷载下,桩侧土体含冰量倒梯形分布时的桩顶沉降要小于正梯形分布时的沉降,而灯笼形分布情况介于二者之间;桩侧摩阻力整体呈现上大下小的趋势。研究成果可为寒区基础工程设计与施工提供理论参考。
土体冻结和融化时的水分迁移、相变与传热是一个相互影响的耦合过程。采用基于有限体积法的开源软件Open FOAM,编制描述土体冻融过程的水热耦合计算程序。首先,基于土体水分和热量迁移基本方程、水分相变与温度的平衡方程,同时考虑相变对水分特征参数和热特性参数的影响以及相变潜热对传热过程的影响,建立冻土水热耦合数学模型。然后,采用基于多面体网格的有限体积方法对水热耦合控制方程进行空间离散,采用全隐式向后差分方法对方程进行时间离散,由此编制冻土水热耦合计算程序。该程序具有良好的几何适应性、质量和能量守恒性,具备面向复杂问题的并行计算功能。最后,采用该程序对两组不同温度边界条件的室内土体冻结试验进行数值模拟,并与试验结果进行对比,结果表明该程序可以较为准确地模拟土体冻结过程中温度场和水分场的演化特征。
含冰量是冻土研究的一项重要参数。针对现有含冰量测量的局限性,提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的冻土含冰量监测方法。结合冻土温度场,应用内加热FBG刚玉管传感器,通过室内标定试验验证该方法的可行性;基于传统导热系数模型推导出温度特征值与含冰量之间相应函数模型,并应用试验数据进行验证。研究结果表明:试验所得温度特征值随冻土含冰量增加而减小,可以通过该规律初步判断含冰量范围;在温度特性值与含冰量数值关系的拟合中,指数函数模型与本次试验数据拟合度最高,含冰量测量误差小于2%,在可接受范围内;本方法实现冻土含冰量监测具有可行性。
地震荷载作用下高含冰量冻土的动力特性试验研究对西北地区地震多发地段的冻土工程的抗震设计具有重要意义。通过选取兰州的重塑冻土进行动三轴试验,分别研究了地震荷载下不同控制温度(-6,-3,-1℃)、不同含水量(30%,50%,75%)以及不同围压(0.3,0.5,1,2 MPa)下高含冰量冻土的动应力应变关系和动弹性模量。试验结果显示,不同条件下冻土的动应力应变关系呈Hardin-Drnevich双曲线模型,并且不同温度、不同围压和不同含水量对模型参数都有着影响。动弹性模量随温度升高而减小,温度每升高1℃,弹性模量就下降12～15 MPa。围压对动弹性模量的影响有强化作用和弱化作用,-6℃时动弹性模量随围压增大而增大,-1℃时大应变情况下动弹性模量随围压增大而减小。对于高含冰量冻土,动弹性模量随含水量的增大先减小后增大。
多年冻土内部的水热过程是影响冻土区生态环境演变、干旱区水资源利用及地表工程结构稳定性的重要因素。然而传统的水热耦合理论模型忽略了非饱和土体中水分对流传热作用,在水分场与温度场耦合理论模型的数值实现上仍有困难。以垂直土柱单向冻结实验为基础,通过COMSOL Multiphysics软件的数学模块实现考虑冰水相变和水分对流的温度场和水分场偏微分方程的耦合求解,分析了冻土水分对流与温度变化的关系。结果表明:(1)COMSOL可以实现冻土水热参数、冰水相变潜热以及边界条件的灵活定义,容易实现水热两场耦合分析;(2)对于含水量较高的土体,水分对流传热作用不可忽略。
根据冻土多孔多相介质各组分随机分布的特性,结合随机模拟方法,应用有限元数值模拟软件COMSOL研究了导热系数与各影响因子之间的关系.计算结果表明:一定范围内的冻土土粒粒径以及含水量与导热系数表现为非线性关系,含水量与等效导热系数呈明显的非线性关系;在数量级较小的范围内导热系数与孔隙率以及未冻水含量表现为非线性关系.研究结果与实测结果和已有成果相符合,证明此方法是一种研究冻土物性参数的有效手段.
由Tommot到Niznhy Bestyakh铁路建设和运行的主要难题是横贯高含冰量冻土区域。自2007年以来,监测研究已经由麦尔尼科夫冻土研究所在该铁路试验段进行。其中一个监测计划的主要目标是评估不同设计的堤防地面热状况。观测巷道中使用高、低和零堤防热管及保温绝缘材料。实地研究表明,每年高路堤的散热效果要小于低路堤。阴影边坡下方的土壤趋于低温,而更多的边坡下方的多年冻土上限是由于地表水的增温效应降低所导致。冬季冻土路堤材料导致其冻胀,其上升的速度使其形成更高的堤防。夏季,零堤的位置处于切除活跃层会导致常年解冻区域的发展,有着较厚的填充和更深层次季节性融化。热虹吸和绝缘材料使得上坡护堤和下坡护堤产生轻微冷却效果。悬雪棚并未证明可以有效地降低地面温度。建议采取额外措施,以降低地面温度,减少巷道的季节性融化。
基于修正拉格朗日(U.L)描述下的大变形固结理论和考虑相变作用的温度场得到大变形融化固结理论,对不同路堤高度下填土路基温度场和融沉变形进行研究.结果表明:高温冻土区合理高度的路堤在5～10 a内使冻土上限略微抬升,但冻土有明显升温.冻土上限在未来的5～10 a后会急剧下降,且路堤高度越小,下降量越大.与小变形融化固结理论相比,大变形融化固结理论预测高含量冻土融沉变形的精度更高.融沉量与路堤高度成正比,且随着时间的增长,融沉变形呈阶梯型发展,路堤越高,阶梯现象越显著.定义融沉量与路堤高度之比为沉降比,研究发现路堤越低,其沉降比越大,且随时间线性增长.沉降比是冻土融深增量的单值函数,与路堤高度无关,通过沉降比函数可以快速而实用的求出融沉变形量.
采用恒温变载和恒载变温两种压缩试验方法研究了青藏高原高温高含冰量冻土(WIFS)的变形特性,得到了不同温度下的压缩指标。试验结果表明:(1)高温高含冰量冻土的压缩性具有很大的量级,压缩指数都在0.15以上。(2)恒温变载(CTSL)实验条件下,压缩系数都在0.2MPa-1以上。恒载变温(CLST)实验条件下,当温度为-1.5℃时,压缩系数为0.04MPa-1,而当温度升高到-0.3℃时,冻土压缩系数变为0.29MPa-1。(3)在分级加载试验中应变最大可达10%,在阶梯型升温条件下应变最大可达8%。通过探讨分析,认为青藏高原高温高含冰量冻土属于中高等压缩性土,青藏铁路在其以后的运营中必须加强必要的维护和密切的动态变形监测。
高温-高含冰量冻土属于塑性冻土,荷载作用下具有较强的压缩性.为了研究高温-高含冰量冻土的压缩变形特性,采用恒温-变载的试验方法得到了不同温度(-0.3、-0.5、-0.7、-1.0、-1.5℃),不同含水量(40%、80%、120%)条件下冻土试样的体积压缩系数.结果表明:1)高温-高含冰量冻土具有极大的压缩性,青藏黏土40%含水量试样在-0.3℃时的体积压缩系数可达0.328 MPa-1,属于高压缩性土;2)高温-高含冰量冻土在压缩过程中存在渗滤变形,且主要发生于加载的初始阶段;3)温度与含冰量是影响高温-高含冰量冻土压缩性的主要因素,它们决定了冻土中体积未冻水的含量,从而控制了冻土的压缩性;4)在试验条件下,高温-高含冰量冻土的压缩性随着温度的升高而增大,随着含水量的增大而减小.高温时含水量对压缩性的影响比较显著,低温时影响较小.
