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。
由Tommot到Niznhy Bestyakh铁路建设和运行的主要难题是横贯高含冰量冻土区域。自2007年以来,监测研究已经由麦尔尼科夫冻土研究所在该铁路试验段进行。其中一个监测计划的主要目标是评估不同设计的堤防地面热状况。观测巷道中使用高、低和零堤防热管及保温绝缘材料。实地研究表明,每年高路堤的散热效果要小于低路堤。阴影边坡下方的土壤趋于低温,而更多的边坡下方的多年冻土上限是由于地表水的增温效应降低所导致。冬季冻土路堤材料导致其冻胀,其上升的速度使其形成更高的堤防。夏季,零堤的位置处于切除活跃层会导致常年解冻区域的发展,有着较厚的填充和更深层次季节性融化。热虹吸和绝缘材料使得上坡护堤和下坡护堤产生轻微冷却效果。悬雪棚并未证明可以有效地降低地面温度。建议采取额外措施,以降低地面温度,减少巷道的季节性融化。
基于修正拉格朗日(U.L)描述下的大变形固结理论和考虑相变作用的温度场得到大变形融化固结理论,对不同路堤高度下填土路基温度场和融沉变形进行研究.结果表明:高温冻土区合理高度的路堤在5～10 a内使冻土上限略微抬升,但冻土有明显升温.冻土上限在未来的5～10 a后会急剧下降,且路堤高度越小,下降量越大.与小变形融化固结理论相比,大变形融化固结理论预测高含量冻土融沉变形的精度更高.融沉量与路堤高度成正比,且随着时间的增长,融沉变形呈阶梯型发展,路堤越高,阶梯现象越显著.定义融沉量与路堤高度之比为沉降比,研究发现路堤越低,其沉降比越大,且随时间线性增长.沉降比是冻土融深增量的单值函数,与路堤高度无关,通过沉降比函数可以快速而实用的求出融沉变形量.
采用恒温变载和恒载变温两种压缩试验方法研究了青藏高原高温高含冰量冻土(WIFS)的变形特性,得到了不同温度下的压缩指标。试验结果表明:(1)高温高含冰量冻土的压缩性具有很大的量级,压缩指数都在0.15以上。(2)恒温变载(CTSL)实验条件下,压缩系数都在0.2MPa-1以上。恒载变温(CLST)实验条件下,当温度为-1.5℃时,压缩系数为0.04MPa-1,而当温度升高到-0.3℃时,冻土压缩系数变为0.29MPa-1。(3)在分级加载试验中应变最大可达10%,在阶梯型升温条件下应变最大可达8%。通过探讨分析,认为青藏高原高温高含冰量冻土属于中高等压缩性土,青藏铁路在其以后的运营中必须加强必要的维护和密切的动态变形监测。
高温-高含冰量冻土属于塑性冻土,荷载作用下具有较强的压缩性.为了研究高温-高含冰量冻土的压缩变形特性,采用恒温-变载的试验方法得到了不同温度(-0.3、-0.5、-0.7、-1.0、-1.5℃),不同含水量(40%、80%、120%)条件下冻土试样的体积压缩系数.结果表明:1)高温-高含冰量冻土具有极大的压缩性,青藏黏土40%含水量试样在-0.3℃时的体积压缩系数可达0.328 MPa-1,属于高压缩性土;2)高温-高含冰量冻土在压缩过程中存在渗滤变形,且主要发生于加载的初始阶段;3)温度与含冰量是影响高温-高含冰量冻土压缩性的主要因素,它们决定了冻土中体积未冻水的含量,从而控制了冻土的压缩性;4)在试验条件下,高温-高含冰量冻土的压缩性随着温度的升高而增大,随着含水量的增大而减小.高温时含水量对压缩性的影响比较显著,低温时影响较小.
基于目前冻土融化压缩变形计算中较少考虑水分影响的研究现状,充分考虑了温度、水分、应力的影响,通过引入场变量孔隙比e,构建了高含冰量冻土的融化压缩变形理论模型。室内试验与数值计算结果对比发现,理论模型较为准确地反映了高含冰量冻土的变形过程,验证了模型的正确性。试验及计算结果表明,高含冰量冻土的融化压缩变形是复杂的水、热、力多因素共同作用的结果;高含冰量冻土的变形主要是由冻土融化压缩排水所引起,其变形在融化排水过程中基本完成,逐渐趋于稳定,这部分变形是冻土变形的主要构成部分;冻土的融沉特性决定了冻土的变形规律,这也是高含冰量冻土融化压缩变形的本质所在。
为了研究青藏高原多年冻土的蠕变特性,在青藏高原北麓河盆地多年冻土区开展长期蠕变试验,长期蠕变试验采用土工原位测试中的承台静载试验。承载板埋设于多年冻土上限附近,由钻孔资料可知,承载板下多年冻土属高温–高含冰量冻土。综合承载板下岩性及含冰量大小,确定可压缩层厚度并提出冻土加权平均含水量的概念。通过对承台下地温资料分析可知:在年变化深度范围内,承台下不同深度年平均温度逐年降低,说明承台下冻土地基处于放热降温状态。由多年冻土蠕变变形特性分析可知:压缩层温度变化是影响多年冻土蠕变变形的决定性因素,随着温度的升高,蠕变速率增大,反之减小;当压缩层的温度受气温变化影响不大时,可以采用高温–高含冰量冻土的蠕变方程近似预测现场蠕变变形发展。多年冻土长期蠕变变形的发展对寒区工程结构的长期稳定性具有重大影响。
本文在研究高含冰量冻土处理所面临诸多问题的同时,对柴木铁路高温区高含冰量冻土地基处理技术进行了研究,在保证路基稳定的同时,因地制宜,提出了可靠、可行的设计技术,选择了既安全又经济的工程措施,确保了路基稳定。设计中参考了高纬度区铁路的经验与教训,加强了冻土保护措施,提出适合本线特点的设计方案和处理措施。
对青藏高原黏土在温度为-0.5～-6.0℃,含水率为30.0%～80.0%条件下,进行了一系列的三轴抗压强度试验,分析了不同加载条件下高含冰量冻土的强度随围压、温度和初始含水率的变化规律。研究发现,其力学性质与初始含水率和温度有密切关系,在温度低于-1℃时存在最不利含水率。同时发现相同温度下,强度随围压变化不大,故可以用Mises准则作为其强度准则。给出了随温度、含水率变化时,高含冰量冻土的Mises准则的表达式。采用塑性功作为硬化参数,得到了高含冰量冻土的弹塑性本构模型。与试验值对比表明,该模型能够比较准确地反映高含冰量冻土的应力应变规律。
为了研究高温-高含冰量冻土这种极不稳定土体的动力学特性,开展了固结围压为0.3、0.5、1.0、3.0、5.0MPa,控制温度为-0.5、-1.0、-2.0、-4.0℃、初始含水率为50%的高含冰量青藏线重塑冻土的动三轴试验。根据试验结果,提出了用广义的双曲线模型来描述动应力-应变关系,并且给出了模型参数预报关系式;基于动弹性模量和轴向应变之间的非线性关系,提出σ3=0.5MPa为临界围压。当围压大于0.5MPa时,动弹性模量随着动应变的增大呈减小的趋势;当围压小于0.5MPa时,动弹性模量随着动应变先增大后又减小;此外,动阻尼比随应变幅值和围压的增大而增大,随着温度的降低,动阻尼比变小。