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。
水合物饱和度参数的准确计算对于水合物资源量的评价至关重要。本文提出利用超声波测井资料与等效介质模型相结合的方法,可有效评价祁连山冻土区孔隙型水合物储层水合物饱和度变化特征,并在典型孔隙型水合物钻孔DKXX-13进行了应用。基于等效介质理论的弹性波速度模型正演模拟的纵波速度相比基于双相介质理论的弹性波速度模型更加吻合实际测井纵波速度,可用于分析孔隙型水合物储层的纵波速度特征;通过正演模拟的纵波速度与实际测井纵波速度的对比,识别出X30.0～X30.2m、X30.3～X30.4m、X31.1～X31.6m、X31.7～X31.9m、X32.0～X32.2m井段存在水合物,水合物赋存井段地层的水合物饱和度变化范围为13.0%～85.0%,平均值为61.9%,与标准阿尔奇公式估算结果和现场岩芯测试结果基本一致。研究结果可为祁连山冻土区水合物地层测井评价与地震勘探提供理论依据和技术支撑。
随着全球气候的变暖,中国多年冻土处于明显的升温过程,使得冻土对温度变化更加敏感,冻土地区工程建筑的稳定性受到很大威胁,为了更准确的描述在附加应力影响下的地温与冻土变形之间的关系,将附加应力随深度传递的衰减特性考虑在内,提出了一种应力加权平均的冻土地温数据处理方法。以多年冻土区现场长期荷载试验为例,对比说明不同地温数据处理方法结果以及地温和沉降变形的对应关系,结果表明,提出的方法得到的等效地温兼顾了基底以下温度以及附加应力的影响,避免了温度变化向深层传递滞后产生的影响,同时考虑了附加应力在不同深度的权重,较其他方法与沉降变形变化对应关系更加明显。提出的冻土地温数据处理方法在适用条件下较惯用方法更加合理,能较准确的描述地温与冻土变形之间的关系。
水合物地层弹性波速度的准确计算对于水合物地球物理方法的探测与识别至关重要.本文针对祁连山冻土区孔隙充填型水合物,分析了水合物赋存于地层岩石孔隙中的分布状态与水合物饱和度的关系,利用基于等效介质理论的弹性波速度模型研究了水合物储层弹性波速度与水合物饱和度的变化关系.研究表明:水合物的微观分布模式与岩石孔隙中水合物的多少关系密切,可用水合物饱和度来表征;水合物饱和度对于水合物地层弹性波速度的影响可视为简单的线性关系,建立了祁连山冻土区的水合物储层正演模拟弹性波速度模型(模型X);利用研究区不同的水合物储层模型,验证了模型X能够有效评价孔隙型储层的弹性波速度变化特征.研究结果可为祁连山冻土区水合物地震勘探与地层测井评价提供理论依据和技术支撑.
冻土帷幕平均温度,直接反映冻土帷幕强度等指标。巴霍尔金单排管冻结温度场公式很好地吻合了交圈之后的冻土帷幕温度场。基于该解析解导出的冻土帷幕平均温度计算方法有巴霍尔金等效三角形法及其修正方法(等效梯形法和等效三角形法),这些方法都是用某一固定横截面上的平均温度等效整体冻土帷幕平均温度,在一定程度上忽略了不同工况下各参数的差异,存在一定误差。文中通过对单排管冻土帷幕平均温度积分公式进行数学理论分析,采用非固定等效截面的平均温度等效整体冻土帷幕平均温度,得出了适应冻土帷幕各种可能的参数变化并误差更小的平均温度计算方法。
等效显热熔法是研究高寒地区冻土活动层温度场水文过程和生态变化的重要方法。通过引入描述冻土活动层饱和程度的参数,改进了等效显热熔法,使其适用于非饱和带。在假设土壤含水量不变,忽略水分对流和热源(汇)的前提下,使用COMSOL Multiphysics模型模拟了黄河源区玛多县冻土活动层的温度状况。结果表明:改进的等效显热熔法是合理、可信的,可以用于高寒地区冻土活动层变化规律与机制的研究。
球形模板压入仪(球模仪)在前苏联和俄罗斯等冻土区土力学性质测试中得到广泛应用。在60多年的工程实践中,试验理论、方法等方面都得到了完善。因其试验简单易行且测试结果能较好地反映冻结土的力学性质,特别是在冻结土黏聚力的长期强度评价及预测方面广泛应用。简要介绍该试验理论、试验方法、试验仪器。以莫斯科郊外冰碛粉质黏土作为研究对象。在恒定-7～20℃温度条件下,在封闭状态下分别进行3、6、20、40次冻融循环试验。对各试验阶段土样进行物理性质测试,之后用球模仪对冻结土样进行强度测试。冻融循环后土样的各物理指标均有不同程度的减小,随着冻融次数的增加,其强度降低。冻融过程中,土样中水体积的变化使其密度减小、孔隙率增大是造成这一结果的原因。
获取寒区工程设计中冻土的物理力学指标及冻土本构模型中的模型参数都离不开冻土的力学试验.随着对冻土力学性质研究的深入,需要考察更多加载路径下冻土的力学行为,这也是检验已有冻土本构模型的有效途径.因此,精确的冻土力学试验是认识冻土力学性质的基本手段.为进一步考察冻土的力学性质,提高冻土力学试验的精度,应用MTS-810低温三轴仪及其配套的控制软件,在该设备上对冻土进行了两种各向等压试验和两种三轴剪切加卸载试验.根据试验结果,分析了这几种试验方法的适用范围,为考察等效剪应力对冻土试样体积变形的影响,提出了在MTS-810低温三轴仪上实现冻土等p试验的具体试验方案.
纬度和高程是决定我国高山/高海拔多年冻土分布的主要宏观因素,也是建立各类高山/高海拔多年冻土分布模型的首要考虑因素.文章旨在建立一个易于区域对比的、综合纬度和高程双重影响的定量化的等效高程评价指标.以高斯曲线模型为基础,通过对其做导数变换,界定了此宏观尺度模型在中小尺度空间上适用的纬度范围.以位于祁连山区西段疏勒河上游流域的冻土钻孔和实测地温数据作为试验数据,从理论和实证两方面阐述了等效高程的算法,以及用于建立高山/高海拔多年冻土分布模型的可行性.该理论方法的提出,便于从海拔的角度讨论高山/高海拔多年冻土的分布,从而使得不同纬度区的高山/高海拔多年冻土特征的比较得以简单实现,也为纬度和高程之外的其他影响因素的评价提供了基础和平台.
冻土帷幕平均温度是人工地层冻结工程设计、施工和安全管理的重要参数.为了确定单排管冻土帷幕的平均温度,进而确定冻土的力学参数和冻土帷幕的承载能力,为冻土帷幕的安全状态作出评价.以单排管冻土帷幕温度场的巴霍尔金解析解为基础,建立了直线形单排管冻土帷幕的平均温度的两种计算模型——等效梯形法和等效三角形法模型,该模型以冻土帷幕某一横截面厚度上的等效梯形法或等效三角形法计算的平均温度来等效整体冻土帷幕的平均温度.在实际工程中可能出现的冻结管平面布置参数变化范围中,全面考察了冻土帷幕平均温度等效梯形法和等效三角形法计算结果与依据巴霍尔金解析解数值积分计算结果的误差.结果表明,等效梯形法和等效三角形法计算的冻土帷幕平均温度误差很小,优于流行的计算方法.
