为研究含水率对冻结砂土强度和变形特性的影响,在不同含水率的条件下进行人工冻结砂土无侧限抗压强度试验。试验结果表明:冻结砂土的应力-应变曲线均表现出应变软化的特性,当含水率介于10%～20%时,冻结砂土的峰值应力、峰值应变和弹性模量随含水率的增大而增大;当含水率大于20%时,含水率的增大会弱化冻结砂土抵抗破坏变形的能力;冻结砂土的弹性模量与无侧限抗压强度线性相关,二者的比值介于6.01～13.76之间。提出了对于应变软化的应力-应变曲线损伤模型,将该模型计算结果与试验结果对比,发现损伤模型能够很好地预测冻结砂土的本构关系。基于Weibull分布的损伤本构模型能够准确地预测出冻结砂土的强度和变形特性。

为研究冻融作用对重载铁路路基粉土填料静动力学特性的影响,对冻融前后神朔铁路粉土填料进行了静动三轴剪切试验。试验结果表明:该粉土的动、静强度均随着冻融次数的增加而逐渐减小;当冻融次数相同时,试样的静强度大于动强度;动、静黏聚力随冻融次数先减小后趋于稳定,而动、静内摩擦角随冻融次数先增大后趋于稳定;试样的静黏聚力小于动黏聚力,静内摩擦角大于动内摩擦角;该粉土的动初始弹性模量随冻融次数先降低后趋于稳定,而静初始弹性模量随冻融次数先增大后趋于稳定;当冻融次数相同时,试样的动初始弹性模量大于静初始弹性模量;冻融后试样的等效剪切模量小于未冻融试样;冻融作用对该粉土的等效剪切模量的影响主要集中在前5次冻融循环。

冻土动力参数即是进行工程设计的依据,同时还为动力响应模拟提供必要参数。选取青藏铁路沿线粉质黏土为研究对象,通过试验分析了在不同的温度、围压、频率作用下冻土动弹性模量、动剪切模量、阻尼比的变化特性。利用等效黏弹性模型将动弹性模量(或动剪切模量)、动阻尼比与动应变幅值之间的关系具体化,并将以上函数曲线与Hardin双曲线进行拟合,确定等效黏弹性模型中的试验参数。试验发现,冻土动弹性模量与动剪切模量随温度的降低而升高,随围压、频率的升高而升高;动阻尼比随着温度降低而降低,随着围压升高而升高,随频率升高而降低。

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。

为研究冻土在不同温度下的弹性模量退化与动力特佂,通过对不同负温条件下冻土试样进行循环加、卸载试验,获得其在动荷载作用下的应力-应变滞回曲线与疲劳损伤寿命。按照疲劳寿命与应力幅之间的关系确定了冻土在不同温度下的疲劳损伤参数。根据冻土的弹性模量退化规律提出了动弹模衰减控制方程并建立了冻土唯象疲劳损伤模型。根据冻土实测的循环加卸载滞回曲线特征,提出了理想和非理想滞回圈情况下阻尼比联合分析方法;基于Kelvin模型建立了滞回圈演化规律与弹性模量退化及加载时间的数学联系。研究发现:考虑了动弹模衰减影响的唯象疲劳损伤模型描述了冻土的加速疲劳损伤特征;理想滞回与非理想滞回阻尼比联合分析方法考虑滞回圈的实际演化特征;基于弹性模量退化的Kelvin流变模型建立了滞回圈曲线与加、卸载时间的数学联系。

以福州地铁2号线各地铁车站典型地层为研究对象,根据人工冻土强度-温度曲线获得:随着冻结温度的降低,冻土的单轴抗压强度增高,其中砂土状强风化强度呈线性增大为0.233 MPa/℃;典型地层冻土的弹性模量平均增大为6.412～17.905 MPa/℃,且砂土弹性模型增长速度快。

对粉质黏土地层进行水泥改良后再进行冻结,是减小冻结过程中冻胀量的有效施工措施;而水泥改良后地层冻结强度参数是冻结设计和施工的基础。为了获得水泥改良后粉质黏土冻结强度的变化规律,通过室内实验,进行了不同水泥掺量条件下不同龄期改良粉质黏土的冻土强度测试,获得了冻土的单轴抗压强度和弹性模量。分析了水泥掺量对改良后粉质黏土的冻土强度影响规律,建立了冻土强度、弹性模量与水泥掺量之间的线性拟合关系。通过实验发现,水泥的掺入可以有效提高冻土的力学参数;而且水泥掺量越大,冻土强度越高;同时冻土弹性模量也得到了相应提高。研究结果表明,当水泥掺量小于5%时,掺入水泥对冻土单轴抗压强度和弹性模量的提高作用不明显,实际施工中一般应控制掺入地层的水泥量超过5%。

为解决G214线共和—结古公路冻土路基施工过程中出现的挤塑式聚苯乙烯(XPS)保温板路基弯沉不达标及选材标准等问题,针对不同厂家生产的XPS保温板开展了单轴压缩试验,得到了其弹性模量和抗压强度,采用数值方法研究了XPS保温板弹性模量对路基弯沉的影响规律,分别计算了其在施工荷载和工后荷载条件下的应力分布。基于计算结果提出了能够满足冻土路基设计要求的XPS保温板力学性能指标。研究结果表明:路用XPS保温板应同时满足以下2个条件,即为满足路基弯沉的设计要求,弹性模量应大于45MPa,为满足施工期和工后运营期的强度要求,抗压强度不得小于500kPa。

为了认识冻土旁压试验结果与常规试验结果之间的关系,在室内分别开展了冻结重塑黏土的旁压试验和单轴压缩试验,并对试验结果进行了对比分析。结果表明,在各级荷载作用下旁压曲线一般都呈现应变速率衰减的趋势,而单轴曲线在冻土破坏时会出现渐进流动阶段。旁压试验的应力-应变曲线呈现应变硬化型,而且出现初始拟弹性阶段;而单轴试验的应力-应变曲线则属于应变软化型,并在轴向应变大约为10%时达到剪应力峰值。温度相同时,旁压试验的剪切强度以及初始弹性模量都要大于单轴试验,且温度越低差值越大。

人工冻土弹性模量是冻结法建井计算的重要参数之一。为提高人工冻土单轴弹性模量预测的精确度与稳定性,利用灰色理论在处理小样本数据的优势,考虑影响人工冻土单轴弹性模量因素,提出了人工冻土单轴弹性模量的灰色理论预测方法,由于传统的GM(1,1)模型在预测时产生的较大误差,所以增加了原始序列的光滑度,优化了时间响应函数,由此建立了改进的GM(1,1)模型;并用改进的GM(1,1)模型进行预测,结果表明,改进的GM(1,1)模型的预测精度较传统模型高。该改进模型为人工冻土单轴弹性模量的预测提供了一种新的途径,同时也为进一步了解冻土力学特性提供了理论依据。