为获取宁波至舟山铁路金塘海底隧道工程穿越的土层在人工冻结条件下的力学性质,勘察期间,在不同温度和不同含水率条件下,对选取的海底典型的粉质黏土和粉土地层重塑样品,开展了人工冻结条件下的单轴抗压强度试验。试验结果表明:人工冻土的力学性质受冻结温度的影响明显,冻结温度自-5℃降低至-20℃过程中,粉土层和粉质黏土层的人工冻土单轴抗压强度逐渐增大,其泊松比逐渐减小。含水率的不同对粉土层和粉质黏土层的力学性质有一定影响,粉土人工冻土的抗压强度在含水率为30%时最大,粉质黏土试样在含水率为34%时,其抗压强度最大。两种土层在人工冻结过程中均存在最优含水率,超过最优含水率时,人工冻土的强度将逐渐减低。研究成果可为金塘海底隧道冻结法设计和施工提供参考。

通过对前人的试验成果进行整理,得到冻土动力学参数随温度、频率、应变幅、含水量和围压等因素的整体变化规律.整体上看,冻土的动弹性模量和动剪切模量随温度的降低而增大、随荷载振动频率的增加而增大、随动应变幅的增加而减小、随含水量的增加先增大后减小、随围压的增加而增大;冻土的泊松比随温度的降低而增大;冻土的阻尼比随温度的降低而减小,随频率、应变幅、含水量、围压的变化规律性不强.通过对试验条件和数值模拟时的实际工况对比分析,给出如下建议:动弹性模量和动剪切模量的预估适合用两段式线性模型,-5℃可以作为两段式的分界点;列车荷载作用下冻土的动力响应属于小应变幅的振动,冻土动力学参数应选择波速法的试验结果.

对处于天津地铁2号线的建国道站～天津站区间隧道修复工程,为减小隧道修复对地层的扰动,必须采用盾构法进行施工。然而,由于普通加固法难以对修复前的土体进行加固,为了更加安全与经济地进行修复,需采用人工冻结法。为了给该修复工程提供冻结法设计参数和确保冻结施工过程的安全,对其典型土层进行了室内实验研究,确定了土体抗压强度、弹性模量、泊松比、剪切强度在不同温度下的损坏状态及其随温度变化的规律,根据所绘制的实验曲线作出了定量分析,得出了具有重要意义的结论。

超声波在介质中的传播速度反映了介质的物理力学性质。本文运用普通纵波换能器测定了不同含水率的冻结粉质粘土在不同温度下的纵波和表面波速度,从而测定并计算冻土的动弹性模量和泊松比。其中表面波速度采用的是一种用接收波波峰相关散点回归来计算的新方案,能够有效排除边界和底面反射波的影响。试验和计算结果表明:冻结粉质粘土的泊松比随温度升高和含水率增加而增大;动弹性模量在试验含水率的范围内随含水率的增大而减小。

在分析冻土形成过程及其组构前提下,从冻土细观结构特征出发,将冻土视为由冰层与干硬土层黏结组成的横观各向同性固体介质。根据复合材料力学理论,求出冻土各向同性面内及面外的弹性模量和泊松比;基于Tsai-Wu准则,预测了横观各向同性冻土的强度。根据实验数据,分析了不同组分对冻土弹性常数及强度的影响。在工程应用中可根据环境温度及土质、系统有无水分补给、温降速度与冻结速率是否同步、冻土受力方向与冻结封面方向的具体情况选用即可,从而大幅降低室内外试验次数。为冻土工程数值计算奠定了基础,为进一步了解冻土力学特性提供了理论依据。

通过对冻土形成过程及组构特点的分析,指出冻土属正交各向异性材料;并对-5℃～-9℃之间冻土试件3个主方向应力–应变关系曲线、切线模量E以及各向泊松比μ进行了全面实验测定,应用复合材料力学理论,分析证实了冻土可以足够精确地认为是非线性横观各向同性材料,为建立新的冻土本构模型及强度准则,并为冻土与建筑物相互作用的数值分析提供了理论依据。

超声波在介质中的传播速度反映了介质的物理力学性质。运用UVM-2型声速测定仪,测定不同密度的冻结砂土、冻结黄土和冻结粘土在不同温度下的超声波波速(纵波波速和横波波速)。对比分析不同土质的冻土,在温度和密度变化时超声波波速的变化,得出以下结论:土质颗粒的大小及组成成分在土冻结且在温度继续下降的过程中,通过影响结合水含量的变化而影响未冻水含量的变化,从而进一步影响冻土中的超声波传播速度,所以,可以在超声波波速与温度变化和未冻水含量与温度变化的基础上,建立超声波波速与未冻水含量的关系,通过测定超声波波速来量测冻土未冻水含量。密度的变化也影响着冻土纵、横波波速的变化,且冻结黄土的波速受密度变化影响较大,而冻结粘土则较小。冻土土质类型不同,透过它们的纵波波速和横波波速的变化范围也不同,可以通过对比表示压缩和剪切相对幅值的纵横波速比比值,来判定此冻土的土质类型,一般冻结粘土为1.07,冻结黄土为2.15,冻结砂土为0.7。根据弹性理论,泊松比与波速比有关,所以可以直接测量冻土的波速比研究冻土的强度及变形性能。