未冻土和冻土的力学性质都受孔隙中未冻水含量的影响,因此在处理多年冻土地区的基础工程时,估算未冻水含量至关重要。在5℃和22℃条件下,对含水率为0～10%的土样进行了校准实验,建立了一个测定冻土区粉质粘土中未冻水含量的校准方程。校准方程通过近似于试验土壤的永久冻土的介电常数数据进行验证,结果表明5℃的校准方程为与永久冻土数据符合良好。研究成果可以为冻土区基础工程建设提供理论依据。应进行进一步的实验,以扩大测试含水率的范围,从而扩大校准方程的有效性范围。

研究季节冻土区粉质粘土冻融后的力学指标变化规律,以哈尔滨地区的粉质粘土为研究对象,进行了不同含水率,不同冻结温度,不同冻融循环次数及干密度情况下的剪切试验.试验结果表明:粉质黏土硬度随含水率的上升而增加,并且因循环次数增加而变硬.

改变土体干密度和补水条件,对粉质粘土进行了冻结融化试验,研究其封闭条件和开放条件下冻胀量、冻胀率、融沉量、融沉系数及水分迁移的变化规律。试验结果表明:封闭系统条件下的融沉量小于开放系统的融沉量,融沉系数与干密度呈负相关,且拟合度较好;开放系统条件下的冻胀量总体明显高于封闭系统的冻胀量,冻胀率随干密度的增加而增大;开放系统的水分迁移量较封闭系统迁移量大,土体含水率随高度的增加而降低,干密度愈大水分迁移量愈小。

以黑龙江地区季节冻土区粉质粘土为例,通过单因素和多因素冻胀性试验研究,分析了冻胀率随含水率、冻结温度及干密度的变化规律,应用spss统计分析软件建立了冻胀率与含水率、干密度及冻结温度的多元线性回归模型。试验结果表明,粉质粘土的冻胀率与含水率、干密度及冻结温度呈较好的线性关系,高含水率、低冻结温度及大干密度会使土的冻胀性加剧;含水率对土的冻胀率影响最显著,其次是冻结温度,干密度最小;多元线性回归模型拟合度较好。

为考察不同冻结状态下冻融作用对粉质粘土表面孔隙结构的影响规律,利用氮气吸附法,对黑龙江省哈尔滨市万家地区的粉质粘土冻融前、冻融中和冻融后三种不同状态进行试验研究,分析了不同冻结状态下的孔隙结构变化特征。试验结果表明,冻融前、冻融中以及冻融后土的微观结构特征有一定的变化,表现为土样冻融后孔的比表面积较冻融前增加1.9%,冻融中土孔的比表面积较冻融前减少5.9%;冻融中的微孔孔容最大,冻融前的微孔孔容最小;冻融后的中孔累积孔容增加,冻融中的累积孔容减小,冻融前后孔隙的总体分布趋势无明显的变化。

文章对哈尔滨地区的粉质粘土进行了冻结过程的水分迁移试验,考察了含水率、冻结温度及干密度在封闭系统的条件下对粉质粘土中水分迁移的影响。结果表明,控制含水率和干密度相同,顶板的冻结温度越高,水分迁移量越大,顶板冻结温度为-3℃的水分迁移量较冻结温度为-9℃的水分迁移量大;控制顶板冻结温度和干密度相同,初始含水率大的试样,水分迁移量大;控制顶板冻结温度和含水率相同,水分迁移量随干密度的增加而减小。

针对青藏铁路沿线路基中广泛分布的冻结粉质粘土,采用脉冲核磁共振法测定不同初始含水量、不同温度条件下冻土中未冻水含量;同时,采用稳定态比较法测定冻土的导热系数,采用量热法测定冻土的比热,据此计算冻土的容积热容量和导温系数.结果表明:冻土中未冻水含量随负温和初始含水量降低而降低,在0-2℃与初始含水量接近,在-2-5℃陡降,在-5℃达到突变点,随后又随负温降低而缓慢下降,负温低于-5℃时未冻水含量受初始含水量影响甚微且在13%、18%、23%3种初始含水量条件下的未冻水含量趋于一致;冻土的导热系数随负温降低、初始含水量增大而增大;冻土的容积热容量随负温升高、初始含水量增大而增大;冻土的导温系数随负温升高、初始含水量增大而减小.

用SYC-2型超声波测试仪和20 kHz超声换能器实测了不同温度和不同含水率下冻结粉质粘土的纵波波速,对实验数据进行了分析。结果表明,含水率一定时,总的趋势是,冻结粉质粘土纵波波速随冻结温度的增加而增加,但局部有变化,-7℃是冻结粉质粘土波速增长的拐点,-20℃是冻结粉质粘土波速快速增长的拐点;冻结温度一定时,其纵波波速和冻土强度随含水率的增加有下降的趋势,含水率20%是纵波波速变化的拐点,含水率大于24%时,纵波波速增长趋于平缓。

冻土的动力学参数既是工程设计的依据之一,也是数值模拟时不可缺少的参数。本文分析了取自青藏铁路的两种路基土,即粉质粘土和细砂的动弹性模量和动阻尼比变化特征。试验发现,冻结粉质粘土和冻结细砂的动力学参数随频率、温度和含水量的变化规律相同。冻土的动弹性模量随频率的增加或温度的降低而增加。含水量增加时,冻土的动弹性模量先增加后降低,在饱和含水量附近达到最大。冻土的动阻尼比随频率的增加或温度的降低而减小。含水量增加时冻土的动阻尼比略有增加。