青海西部冻土路段公路受温升作用和车辆动荷载的影响,灾害频发,为保障寒区公路的安全运营,开展温升和动荷载作用下冻土的动应力-动应变响应规律研究十分必要。以青海S101公路路段冻土路基土为研究对象,利用正交试验设计方法对冻土进行GDS(Global Digital Systems)动三轴试验,得到不同温度、不同荷载工况下影响冻土强度的最不利影响因素组合,探讨了温升和动荷载作用下冻土的动应变、动应力幅值的变化规律。试验结果表明:由同一初始环境负温度进行梯度升温时,同一动应变下,冻土的动应力随梯度升温值的增加而减小,冻土极限破坏动应力随升温梯度值的增加而减小,冻土的动应力-动应变曲线呈抛物线型;-2℃为该路段冻土的高低温界限;对冻土的动应力-动应变关系曲线进行拟合,符合改进的Hardin双曲线模型;冻土的破坏动应力与频率存在线性正相关关系;冻土的动应变受频率的影响明显。该研究结果可为类似地区冻土路段设计、施工及灾害防治提供参考。

为保证浅埋深富水软弱地层的盾构隧道安全始发,采用人工冻结法进行端头加固。通过在室内进行冻土单轴抗压试验,得到可靠的冻土力学参数,并采用正交试验的方法分析冻结深度、冻结宽度和冻结温度对地表沉降和管片拱顶沉降的影响规律和影响程度,选取确定最优冻结加固方案。结果表明:相同冻结温度下中粗砂抗压强度最大,其次是粉细砂、粉质黏土、黏质粉土,杂填土抗压强度最小;土体冻结温度越低,抗压强度越大;对地表沉降和管片拱顶沉降的影响排序为冻结深度>冻结宽度>冻结温度;最优冻结方案为冻结宽度6 m,冻结深度15 m,冻结温度-20℃。

以整治青藏铁路环青海湖段季节性冻土区路基冻害为背景,通过现场采集典型分布的粉质黏土,考虑温度、含水率、含盐量(质量分数)、压实度四个因素,进行室内冻胀正交试验,测试了不同温度环境下路基土体的冻胀率,进行正交试验的极差分析和方差分析,建立灰色关联度分析模型,分析各因素对冻胀影响的主次关系。结果表明,正交试验分析和灰色关联度分析所得规律一致,影响冻胀因素由主到次依次为温度、含盐量、含水率和压实度,因素之间的交互作用影响较小可以忽略;温度和含盐量对冻胀影响非常显著,含水率对冻胀有显著影响,压实度和其他3个因素之间的交互作用对冻胀没有显著影响。

冻土的力学性质不仅依赖于含水率、温度、应变率、含盐量、围压等因素,也可能依赖于这些因素之间的交互作用。为进一步明确冻土强度、模量等力学指标与以上各因素的依存关系,根据既有试验资料和统计学原理,对冻土力学性质影响因素的显著性和因素间的交互作用进行了研究。结果表明,温度对冻土力学性质的影响最为显著,是影响冻土力学性质的主要因素,含水率、含盐量、应变速率等对冻土力学性质也有显著影响;同时,温度、含水率和应变速率对强度的影响存在明显的交互作用。因此,在研究冻土强度等力学行为时,片面针对某一因素开展研究是不合适的,而应综合考虑各主要因素及因素之间的交互作用影响。

冻胀是冻土材料的一种最为显著特性,冻胀引起土体位移将对周围环境产生危害。通过自行研制的微机控制多功能冻土冻胀试验机对典型粘土进行了四因素三水平正交试验,从试验结果中分析出各因素对土体冻胀率的影响程度的主次顺序。