冻胀研究

冻胀研究（共7篇）

冻胀研究 篇1

山西省地处我国北方地区,属季节性冻土区,灌区渠道衬砌冻融破坏严重,全省现有骨干建筑的50%、渠系建筑物的40%的和渠道衬砌体的32%受冻融而破坏。渠道衬砌的冻胀破坏不但直接影响渠道的正常使用,而且增加了修复次数和工程费用。山西省最大的自流灌区——汾河灌区,在节水改造工程实施中不断总结经验与教训,推荐改进的混凝土弧底梯形渠具有非常好的适用性和抗冻胀能力。

1 汾河灌区基本情况

汾河灌区位于山西省中部太原盆地,设计灌溉面积9.97万hm2,是山西省最大的自流灌区。灌区的主要水源是汾河水库库水及水库以下至三坝汾河段的区间水,全灌区水资源总量8.68亿m3,灌区可以控制利用的水资源总量5.73亿m3。干渠五条全长192.2 km,支渠20条全长323 km,斗渠420条,全长1 006 km,全灌区现有各类建筑物10 535座,其中:干支渠渠道建筑物1 035座,斗农渠渠道建筑物9 500座。截止2009年底,已防渗干渠35.60 km,支渠12.69 km,仅占干、支渠全长的18.52%和3.93%,节水改造任务任重道远。

2 试验段渠道概况

试验段位于山西省太原市晋源区汾河灌区一坝西干渠野庄段(42+598.9-43+098.9),地处丘陵地区,海拔在764～780 m之间,该区多年平均气温10.43 ℃,极端最高气温39.4 ℃,极端最低气温-28.0 ℃。试验段为南北走向的弧底梯形渠,土壤含水量最小值为14.1%,最大值为27.3%,平均值为20.4%,地下水位实际埋深为0.645 m,低于渠底,但小于临界距离(壤土地下水对冻胀的临界影响深度为1～1.5 m);渠道基土含水量相对较大,冻胀率较高。试验段渠道的水力要素见表1。

3 弧底梯形渠结构形式及试验方案

研究的渠道横断面形式如图1所示。

山西省汾河灌区节水改造中,大部分渠道采用10 cm厚混凝土板,部分采用厚度为20 cm的现浇混凝土防渗板防渗,在运行过程中发现防渗板在1/3水深处裂缝产生的频度均较高。本次试验采用了8、10、12、15、20 cm 5种厚度的衬砌板,以揭示板厚或自重与裂缝间的关系。此外,以不同板厚为基础,又设计了是否配铅丝网、是否铺设土工膜和不同板规格的多种组合处理。对20 cm厚现浇板增加了一种设置纵向缝的方案,共14种衬砌方案,详见表2。

注:方案14设纵缝。

4 试验成果分析

(1)防渗体厚度对板下土壤温度分布、对冻胀位移量分布及裂缝宽度的影响。本次试验共设计了5种板厚的衬砌板作为研究对象,板厚分别为8 cm、10 cm、12 cm、15 cm和20 cm。将15 cm和20 cm厚衬砌板称为厚板,将8 cm、10 cm和12 cm厚衬砌板统称为薄板,试验研究结果见表3。从表3分析,可以看出防渗体厚度对冻胀位移量及裂缝宽度有一定的影响:薄衬砌板冻胀位移量较大,厚衬砌板冻胀位移量稍小;各种厚度类型的衬砌板,其复位能力相差较大,厚度小的衬砌板复位能力较低,厚度大的衬砌板复位能力相对较好;厚度大的防渗板裂缝宽度大于厚度小的防渗板裂缝宽度,设置纵向缝的板没有裂缝。

(2)防渗体类型对板下土壤温度分布、对冻胀位移量及裂缝宽度的影响。本次试验对防渗体是否加钢筋网、是否铺土工膜、混凝土现浇与预制这几种主要类型进行试验研究,试验结果见表4。由表4可以得出,采用现浇混凝土弧底梯形渠,整体结构好,抗变形性能好。在有条件的情况下,增设土工膜,不仅可防渗,而且保温效果也很明显;并在局部经常损坏段增设铅丝网,以减小冻胀位移量及控制裂缝的宽度,提高渠道的防渗、防冻胀能力。

5 方案比较与结论

渠道混凝土衬砌是否配置铅丝网对于冻胀位移量和裂缝宽度有较大影响。不同衬砌处理的板下土壤温度、含水量和冻胀位移量存在差异。针对14种不同衬砌形式的分析与比较,从抗冻胀方面提出衬砌形式宜采用的方案:

(1)20 cm厚混凝土衬砌+土工膜+纵向变形缝,防冻胀效果最理想。该种衬砌形式无论在抗冻胀裂缝效果还是在施工难易程度上都有较大优势。经试验段试验观测及分析研究,该种衬砌在两个越冬期均没有裂缝产生,防冻胀效果很好。

(2)8 cm厚混凝土衬砌+土工膜+铅丝网,防冻胀效果较理想。该种衬砌在抗冻胀及裂缝控制上有明显的优点。试验段观测及分析可知,此种衬砌形式冻胀量很小,冻胀剩余量也很小,另外该衬砌在两个越冬期基本没有裂缝产生,防冻胀性能显著。

(3)12 cm厚混凝土衬砌+土工膜+铅丝网,防冻胀效果较好。

(4)10 cm厚混凝土衬砌+土工膜+铅丝网,冻胀位移量和裂缝宽度在允许范围内。

根据试验成果,得到:

(1)设置纵向缝、增厚衬砌和增加钢筋网对减轻渠道破坏具有明显作用。

(2)厚板保温效果好,复位能力强。在渠坡1/3高处设置纵向缝,应力最均匀。

(3)对于薄板由于自重轻,复位能力差,设置纵向缝的形式和效果有待进一步试验。

6 价值工程评价

(1)弧底梯形渠不同衬砌形式在工程造价经济方面的比较与评价。混凝土衬砌板厚度对冻胀不均匀程度影响较大,随混凝土衬砌板厚度增大而减小,即衬砌板越厚冻胀越均匀,抗冻胀效果越好。但板越厚工程造价越高。为了寻求经济合理的衬砌方案,将试验推荐的方案进行工程造价经济方面的比较。相同的工程项目就不参与比较,仅不同的工程项目按照现行市场价格进行每延米渠道造价指标计算,计算结果见表5。

从表5的计算分析可以看出:4种方案中工程投入最多的为“20 cm厚混凝土衬砌+土工膜+纵向变形缝”方案,其次为“12 cm厚混凝土衬砌+土工膜+铅丝网”方案,该种方案比第一种方案减少工程费用约为20%,而“10 cm厚混凝土衬砌+土工膜+铅丝网”方案和“8 cm厚混凝土衬砌+土工膜+铅丝网”方案由于减少了混凝土厚度,其工程费用比“12 cm厚混凝土衬砌+土工膜+铅丝网”方案更少,因此在工程造价上,“8 cm厚混凝土衬砌+土工膜+铅丝网”方案最为节省费用。

(2)应用价值工程理论对其技术、经济指标进行分析,全面体现建设工程项目的价值,实现全寿命周期成本最小化。首先是功能分析,混凝土弧底梯形渠的功能应有如下几方面的功能:适用、安全、经济、美观和其他。其中适用功能可以包括防渗效果、美观和其他。就安全功能而言,可以具体分为牢固耐用,防冻胀性强、不沉陷、不开裂等功能。经济功能主要是经济合理性与可行性。其他功能如环境影响、便于施工,施工工期等功能。在功能分析的过程中,业主的需要是第一位,要充分考虑业主的意见,再结合设计、承包商的意见。因此业主、设计和承包商的意见权重分别为0.6、0.3和0.1,各项功能分析见表6。

对试验研究结果推荐的4个备选方案利用价值工程进行技术评价,计算备选各方案的技术指标系数,见表7。

在计算经济指标时,由于只采用每延米造价的一个评价指标,可以直接利用下式各方案的经济指数:

$E{\rm I}{}_i=\frac{C{}_0-C{}_i}{{\displaystyle \sum (}C{}_{\begin{array}{l}0\\ i=1\end{array}}^m-C{}_i)}(i=1,2,\cdots ,m)$

式中:EIi为经济系数;C0为各方案中每延米造价最高的限值(本次计算给定了1 200元/m);Ci为第i个方案的每延米造价。

经计算各方案的经济系数分别为:

$E{\rm I}{}_1=0.1922；E{\rm I}{}_2=0.2928；E{\rm I}{}_3=0.2693；E{\rm I}{}_4=0.2457$

对于4个备选方案按照技术与经济的不同权重,从技术和经济上综合确定最优方案。计算结果见表8。

从表8可以看出,如果投资不受限制,仅从工程技术、经久耐用、抗冻胀性等方面考虑,方案1最优;从重点考虑技术,也适当结合经济合理性,方案4最优;如果受投资限制,也能满足技术方面的要求,方案3最优;如果投资紧张,技术方面基本能满足的情况下,方案2最优。

7 结 语

通过工程试验,并且应用价值工程理论进行多方案优选,推荐的方案,即重点考虑技术,适当结合经济合理性,在灌区得到推广,取得了良好的效果。

参考文献

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[5]尹贻林.建设工程项目价值管理[M].天津:天津人民出版社,2006.

冻胀研究 篇2

关键词：东北富水冻胀地区,石方路基填筑,施工工艺研究

1 工艺原理

富水冻胀地区填石路基使用符合要求的级配材料, 在地基表层腐殖土清除后直接进行强填施工, 利用石渣透水性良好的特点, 对软弱地基起到排水固结作用, 使地基承载力提高, 达到加固基础的效果。合理的设置石渣填筑高度可以有效的达到固结软弱地基的目的, 同时隔绝毛细水作用对路基的侵蚀, 防止路基冻胀等病害的发生, 保证了路基的质量和稳定性。通过试验段总结, 由现场观测路基下沉值来确定碾压遍数, 为填石路堤提供一个合理的控制参数, 进行指导施工。对于水位长期高于地表, 如水田区, 可视地表水对路基的浸泡情况在路基两侧增设暗排工程, 疏导地下水。

2 施工工艺流程及操作要点

2.1 施工工艺流程

施工工艺流程见图1。

2.2 操作要点

(1) 测量放样:用全站仪每20m测设路基中桩、边桩, 测量路基基底高程, 并将路基边桩用石灰撒出边线, 经监理工程师检验合格后准备进行路基填筑施工。

(2) 填前清表:清除地基表层腐殖土, 根据现场实际情况水田区按照25cm处理, 使用推土机清表后将清表土整理堆码整齐, 清表土可用于绿化土填筑。

(3) 因富水地区软弱地基较多, 路基填筑时, 应安排好石料运输路线, 专人指挥协调, 按水平分层先低后高的原则。自卸车上料时, 填石料直接堆放在粗平石料表面上, 自卸车倒退卸料;用大功率推土机向前推平, 有利于石料间的初步密实。

(4) 对于石料级配较差、粒径较大时, 应先铺大粒径块石料, 应人工摆平, 石块大面向下, 小面向上, 分开摆平放稳, 摆放过程中应尽量贴近底层, 再用小石块找平, 每层表面嵌缝隙用碎石土和石屑用推土机摊平;在同一位置大粒径块石不应重叠摆放, 随时检查填料的均匀性, 避免石块特别是大石块的过度集中, 确保内部密实没有空洞。

(5) 对粒径不满足设计要求的超粒径石料用镐头机或人工配合进行二次破解, 或者用挖掘机将形状规则的大粒径石块捡出;对于表面细料明显偏少的段落, 铺撒一层细石料, 人工嵌缝保证填满大粒料间的缝隙;对于有明显空洞空隙的地方, 应补充细料, 铺设细料时摊铺层面相对平顺。

(6) 经过人工和推土机初平后, 强填段石料摊铺厚度控制在不超过40 cm, 现场测量出每层路基顶面标高, 平整度满足规范要求, 同时有利于压路机的碾压夯实。

(7) 碾压, 碾压时应由两侧开始向中间, 然后再由中间向两侧压, 超高地段, 先从较低的一侧开始, 然后逐渐向另一侧碾压, 压实路线纵向应互相平行;碾压速度先慢后快, 碾压速度控制在2.0~4.0km/h, 频率30Hz, 横向重叠40~50cm, 纵向重叠100~150cm;在碾压过程中, 开始第一遍和最后一遍为静压, 其余为强振动碾压, 碾压过程中要随时检查做到无漏压, 无死角。

(8) 压实度检测, 由于石渣属透水性材料是无粘结的透水性颗粒材料, 其压实度受含水量变化影响较小, 可压实性强, 在合适的含水量情况下用20~25t大吨位振动压路机进行碾压, 测定最后2次振压后的标高, 控制在3mm以内, 且外观密实无明显轮迹, 达不到要求时继续复压, 使表面密实。

测点布设选取全幅路基每20m设一断面, 在每断面上由路中心开始, 设左、中、右三个测点, 布点应避免在突出的大石上和压路机压不到的地方布点, 在布好的点位上用油漆做醒目标记, 测量时为减少误差, 准备钢板垫块, 测量时将垫块放置在测点位置上, 然后用压路机振动碾压作压沉值检测。用水准仪检测各选定测点的高程, 各测点在碾压前后的高差就是测点的压实沉降差。计算出每碾压一遍后的压沉值填入表格中。当沉降差平均值应在0~3mm之内变化时, 确定此时的碾压遍数, 再结合观察法进行密实度判定。

(9) 弯沉值检测, 当透水性材料分层填筑至规定标高时, 必须进行弯沉值检测, 其检测频率按每条车道20m一点进行。由于透水性材料系松散性材料, 在初始阶段, 其弯沉值离散性大, 且受基底强度影响较大, 后期由于天然透水性材料层形成了一个排水垫层的作用, 加快基底排水固结, 弯沉值将进一步提高。为从严控制, 透水性材料在施工期的弯沉代表值应不小于路基的设计规定, 对个别弯沉值较大的点要找出其范围, 进行返工处理。

(10) 暗排水施工, 对于水位长期高于地表且路基填筑较低的地段, 在路基两侧增设雨水暗排水管道工程等排水设施, 疏导地下水及降低水位线。暗排水工程视施工现场实际情况可采取大开挖法、顶管法、井点降水法等方法施工。暗排水工程施工工艺在此不做赘述。

3 材料及机具设备

东北富水冻胀地区填石路基施工使用材料可就地取材, 使用采石场爆破开采的石渣即可, 使用石渣材料最大粒径不能超过15cm, 压碎值小于25%, 石渣中土的含量不能超过5%。石渣中土的含量需严格进行控制, 这是影响路基施工质量的主要影响因素。

填石路基在初平后, 压路机进行初步碾压, 使石料块径之间相对稳定, 有利于压路机的振动碾压。除机械操作人员外, 配现场技术人员1名, 工长1名, 破解石料的普工10人, 辅助测量的人员2名。

4 质量控制

富水冻胀地区填石路基填筑施工应满足填石路基施工的质量标准见表1。

5 效益分析

(1) 经济效益。本工法施工使用材料来源广泛, 就地取材, 可减少远距离调运材料是花费的运输费用;使用本工法进行富水冻胀地区路基施工在达到预期效果的同时可大量的减少施工工期, 减少施工机械使用的直接及间接费用, 经济效果显著。

(2) 环保节能效益。本工法使用材料为当地采石场爆破开采的石渣, 应用于富水地区特别是水田地区施工可有效避免施工过程中对当地水质产生污染;相比其他的软弱地基处理方法, 本工法使用材料来源广, 取材方便, 具有良好的环保节能效益。

(3) 社会效益。东北地区的气候特点导致了该地区施工时间短的特点, 冬季长时间无法施工, 这就使得东北地区工程施工工期尤为的紧张。采用本工法进行富水冻胀地区路基施工可以有效的缩短施工工期, 满足业主对工程工期的要求, 树立企业品牌, 取得良好的社会效益。

参考文献

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[2]温树雨.试论市场经济条件下如何做好公路运输经济管理[J].中国市场, 2014 (22) .

[3]赵宏程, 赖应良.基于通径分析的公路工程造价影响因素研究[J].中国市场, 2015 (16) .

[4]王正刚.高速公路建设项目管理研究[J].中国市场, 2014 (31) .

冻胀研究 篇3

关键词：客运专线,路基,冻胀,变形观测

1 路基冻胀产生的机理及危害

寒冷地区路基冻胀主要原因为路基本体或地下水在冬季受低温影响, 温度较高的水通过土体的孔隙向温度较低的土层方向转移、聚集, 在温差聚水作用下, 水分迅速聚集并逐渐形成聚冰层。路基表层水分不断增加, 结冰后土体膨胀增大, 形成路基冻胀。

客运专线列车行车速度高, 对线路平顺性、旅客舒适度等要求高。路基本体不均匀冻胀后引起轨道几何形态指标超限, 影响旅客乘坐舒适度, 极端情况下危及行车安全。

2 路基冻胀变形观测实施的意义

寒冷地区客运专线路基防冻胀设计主要从控制路基基床填料细颗粒含量、地表水封水、地下水处理等三方面进行。为评估气温、路基填料含水量对路基冻胀的影响, 了解路基本体内水分的迁移、不同深度范围土体冻胀的过程和冻胀量, 从而为东北地区客运专线路基防冻胀设计提供详实的基础资料, 迫切需要对路基冻胀变形的机理、过程进行全面、系统的观测。

3 路基冻胀变形观测实施方案研究

3.1 项目概况

盘锦至营口铁路客运专线地处辽宁省西部, 起自秦沈客专盘锦北站, 止于哈大客专下夹河线路所, 线路全长89.314 km, 设计时速350 km, 采用我国自主研发的Ⅲ型板式无砟轨道。沿线主要城市的主要气象要素如表1所示。

3.2 冻胀变形观测方案

3.2.1 自动观测

自动观测主要包括地温观测、含水量观测、冻胀变形观测。均采用自动观测, 该方法能够全天候、实时、自动化监测及报警, 能够远程控制和数据处理。1) 地温监测。无砟轨道底座板边缘地温元件自路基级配碎石顶面以下0.2 m垂直向下布设至两倍最大冻结深度处;路基护肩下地温元件自护肩底面以下0.2 m垂直向下布设至两倍最大冻结深度处;路基坡脚处设一处地温观测点, 与路基本体范围内测试数据相比较。2) 含水量监测。无砟轨道底座板边缘含水量元件自路基级配碎石顶面以下0.2 m垂直向下布设。路基护肩下含水量元件自护肩底面以下0.2 m垂直向下布设。3) 冻胀变形观测。冻胀变形观测分定点冻胀变形观测和纵向连续冻胀变形观测两部分。a.定点冻胀变形监测。无砟轨道底座板边缘冻胀计自路基级配碎石顶面以下0.2 m布设。锚头埋深:一般路堤地段2 m, 低路堤地段混凝土板顶面深度。b.纵向连续冻胀变形监测。在不同换填深度及路涵过渡段上布设连续位移元件, 监测路基面的冻胀变形。上述自动观测方案中观测元器件埋设方法见图1。4) 自动变形观测元器件主要性能指标。经过对国内外仪器设备公司进行的大量调研工作, 通过指标性能、技术参数以及技术服务等方面的调研分析对比, 结合以往科研试验采用的传感器情况, 本项目试验传感器主要技术指标如下:a.地温传感器:精度:0.01度;测量范围:-40℃~+60℃。b.含水量传感器:土壤容积含水量0%~100%;电导率 (ECb) 0~1 200;温度-40℃~+60℃。c.冻胀计:量程100 mm, 分辨率0.01 mm。5) 自动变形观测元器件埋设。为防止传感器在施工过程中被破坏, 无砟轨道底座边缘下的元器件在铺设表层封堵材料前, 在相应位置钻孔成100 mm的孔, 将传感器置于孔中, 用与路基填筑相同的土回填并采用穿心锤夯实, 做好导线的保护工作;在护肩相应位置设置钻孔平台, 钻孔成100 mm的孔, 将传感器置于孔中, 回填夯实, 并做好护肩与边坡的恢复工作。6) 自动变形观测数据采集、传输。远程自动监测系统由数据采集、数据传输、数据处理三大子系统组成, 如图2所示。

3.2.2 人工观测

1) 观测方案。人工观测基准点利用线路上铺设的CPⅢ点。无砟轨道地段每个观测断面布设4个冻胀观测点, 分别位于轨道底座板左右肩上。

2) 观测精度。沉降变形测量按变形测量三等规定执行, 主要变形测量等级及精度如表2, 表3所示。

mm

mm

3.3 冻胀变形观测实施方案

1) 自动观测。所有元器件埋设后必须至少测试5次初始读数, 剔除异常读数后作为初始读数。各测试项目的观测频率如下:2012年6月~9月:1次/d;2012年10月~2013年5月:12次/d。特殊情况下加大观测频率。连续长期观测时间不少于3年。

2) 人工观测。结合本项目沿线历年气象资料及每次观测所需的时间, 人工观测时间计划如下:第一次:2012年11月5日~2012年11月12日;第二次:2012年12月5日~2012年12月10日;第三次:2013年1月18日~2013年1月23日;第四次:2013年3月1日~2013年3月5日;第五次:2013年3月25日~2013年3月30日;第六次:2013年4月20日~2013年4月25日。

4 结语

本项目第一年路基冻胀变形自动观测及人工观测均已全部完成, 积累了大量的第一手测量数据, 目前正在进行数据分析及整理。为日后寒冷地区客运专线路基冻胀变形整治方案的确定提供了详实的基础依据, 为客运专线安全、可靠运营奠定了坚实的基础。

参考文献

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[2]TB 10035-2006/J 158-2006, 铁路特殊路基设计规范[S].

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冻胀研究 篇4

渠道防渗工程利国利民, 利用渠道衬砌与防渗技术, 可减少渗流量高达90%, 是我国应用最普遍的节水措施之一[1], 渠道防渗技术可以防止土壤沼泽化和土壤盐碱化, 大大提高渠道水的利用系数, 确保农业的持续发展;还可以防止渠道淤积、坍塌和冲刷等破坏, 节约维修管理费用成本[2]。刚柔复合衬砌结构具有适应冻融变形、胀而不裂和防渗、减轻冻胀的特性, 能同时有效解决渗漏和冻胀问题。南水北调中线工程S11标段[3], 渠道全部采用刚性混凝土板衬砌下增设柔性复合土工膜的加强防渗结构形式, 对设计冻胀量小于1cm的渠段, 复合土工膜直接铺在渠道内坡面土基上, 设计冻胀量大于1cm的渠段, 先在土坡基面上铺设聚苯乙烯泡沫保温板, 复合土工膜铺于保温板上。这样的刚性混凝土板加柔性复合土工膜的复合防渗衬砌结构形式, 经济地解决了原来15~20cm厚混凝土板都不宜抵抗住的冻害问题。与梯形渠道相比, U形断面渠道具有水力条件好, 整体性好, 输沙能力强, 防渗效果优, 减少衬砌工程量等优点[4,5]。因此得到了广泛的应用。

但是在我国冻土区, 衬砌渠道冻胀破坏现象严重, 文献[6-9]指出, U形渠道由于各部位的日照强度、走向不相同以及土质等存在差异, 则各部位的负温和水分状况不同, 冻结状态也不同, 上部比下部冻深大, 阴坡比阳坡冻深大, 且冻胀分布不均匀。渠基土的冻胀是热力学水、热、力三场耦合作用下的破坏[10,11]。U形渠道往往发生朝向阳坡的微小偏转和位移, 整体微小的局部上抬, 在阴坡圆弧段与直线段相切附近冻胀力较大的地方比较容易出现冻胀裂缝。文献[12-14]对刚性混凝土U形渠道的冻胀破坏进行了力学分析和内力计算, 而对复合衬砌结构没有涉及。

复合土工膜是一种柔性材料, 本身具有很好的伸缩性, 能抵消一部分变形。加入复合土工膜, 并考虑其与冻土间的摩擦力后, 由于复合土工膜与接触料之间的摩擦系数小于接触料自身的摩擦系数[15,16], 这就使得基土对衬砌体的滑动约束减小, 能释放一部分的切向约束力, 能起到一定的抗冻胀作用, 加之土工膜有很好的防渗作用, 能减少冻胀的水源补给。因此, 复合土工膜与混凝土板相结合的复合衬砌形式有利于渠道的抗冻胀破坏;本文在刚性混凝土U形衬砌渠道的基础上, 通过铺设复合土工膜, 形成土工膜与刚性混凝土相结合的复合衬砌结构, 提出了相应的假设, 进行了相应的简化, 建立了冻胀破坏的力学模型, 并对内力进行了计算和对抗裂条件进行了验算, 探讨了复合土工膜对衬砌体结构破坏的影响, 揭示了复合防渗渠道的冻胀机理, 为土工膜复合防渗衬砌渠道的进一步应用提供参考。

1 力学模型的建立

季节冻土区的土体产生冻胀是因为土体中的水分在负温作用下发生相变, 体积变大, 从而使得土体发生冻结和冻胀, 体积随之增大, 产生冻胀量。在没有外部约束的条件下, 冻胀量能得到自由释放。U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏的根本原因一方面是衬砌结构的刚度相对较小, 抗弯以及抗拉能力较差, 另一方面是由于渠道衬砌体约束了土体的自由冻胀, 反过来土体将会对衬砌体产生冻胀力和冻结力, 当冻胀力和冻结力达到极限状态时, 复合衬砌结构是在冻胀力、冻结力、重力、底板与坡板相互约束力、土工膜与渠基土壤的摩擦力共同作用下发生的破坏, 在建立力学模型时, 需要根据以上冻胀破坏的特征和原因作出相应的假设和简化。

1.1 模型基本假设及简化

(1) 混凝土衬砌板和渠基冻结土壤均为弹性材料, 渠基冻结土壤的弹性模量远小于混凝土板的弹性模量。

(2) 渠基土壤冻结前已经固结完毕, 不计算未冻结土壤的压缩效应。

(3) 渠坡衬砌板顶部基土含水量达到初始冻结含水量。

(4) 渠道衬砌坡板上的法向冻胀力随着渠道坡板轴线线性分布, 在渠道坡板与渠道底板相接处达到最大值, 在渠道顶部为零, 渠道底板的法向冻胀力沿弧长线性分布;渠道衬砌坡板上的切向冻结力随着渠道坡板轴线线性分布, 在渠道坡板与渠道底板相接处达到最大值, 在底板上线性分布, 中心线上的值为零。渠道坡板顶部产生法向冻结力。

(5) 将复合土工膜与混凝土板看成黏结的整体, 与渠基土壤在底板顶推作用下产生摩擦力。摩擦力在坡板均匀分布, 在底板线性分布, 在中心线上的值为0。

1.2 渠道断面图、受力图、底板及坡板的计算简图

U形复合衬砌渠道的断面图如图1所示, 设渠道坡板长为L, 圆弧中心角为2α, 圆弧半径为R, 衬砌板厚为b, 坡脚为β。以下分别给出渠道受力图、坡板和底板的计算简图。

1.2.1 U形复合衬砌渠道受力图

渠道冻结后, 法向冻胀力、冻结力、摩擦力、衬砌板的相互约束里力与重力平衡。渠道坡板阴坡与阳坡的计算简图相同, 只是其上作用荷载数值不同而已, 以后对阳坡的有关外力及反力在符号右上角加撇以示区别[13]。渠道受力图如图2所示。设最大法向冻胀力为q0, 最大切向冻结力为τ0, 摩擦力为τ1。

根据分析和假设:

根据假设, 并由受力图容易建立起静力平衡方程。在冻胀破坏作用下渠道衬砌板达到极限平衡状态时, 切向冻结力的最大值为渠道阴坡衬砌板与渠基冻结土壤之间的最大冻结力, 其大小由土质、负温及渠基土壤含水量等因素决定, 属于已知反力。

因此, 受力图上的未知力只有q0、τ1, F, 根据静力平衡条件, 建立平衡方程如下:

其中:

其中:

由式 (1) ~式 (7) 联立, 求出渠道在冻胀破坏作用下达到极限平衡状态时的q0、τ1、F, 进一步求解各内力。

1.2.2 渠道坡板的计算简图

根据以上分析, 坡板在重力、沿坡板线性分布的法向冻胀力、沿切向线性分布的冻结力、沿切向分布的摩擦力, 底板对坡板的约束力, 在这几种力作用下保持平衡, 如图3所示。

1.2.3 渠道底板的计算简图

工程实际中往往有阴坡阳坡的区别, 因而渠道弧形底板两端的约束反力往往不相等, 选取阴坡底板即中心线以左的部分进行计算, 如图4所示。

2 力学模型的求解

2.1 渠道坡板内力的计算

坐标系如图3所示。

(1) 轴力:

任意截面的轴压力为:

坡底处轴压力为:

(2) 弯矩:

最大弯矩截面:

(3) 剪力:

由以上计算式画出内力分布图如图5所示。

2.2 渠道底板内力的计算

在计算渠道底板内力时, 将坐标原点取在底板中心处。由图4, 根据静力平衡条件, 可得:

(1) 由∑X=0得:与中心线成θ角处的轴压力为:

其中:

(2) 由∑M=0得, 与中心线成θ角处的弯矩为:

其中:

(3) 由∑Y=0得, 与中心线成θ角处的剪力为:

其中:

由以上计算式得到阴坡底板内力图如6所示。

2.3 混凝土衬砌板厚度验算

将坡板和底板视为压弯构件, 混凝土衬砌板是否胀裂, 将由衬砌板最大弯矩处的最大拉应变是否超过其允许拉应变决定;一般情况下剪力不会参与渠道衬砌板的胀裂破坏。

(1) 渠道衬砌坡板:渠道衬砌坡板最大拉应力在最大弯矩所在的部位, 该部位的最大拉应力计算如下:

式中:x0按式 (14) 计算。

抗裂条件验算:

式中:Ec、εt可据相关手册查得。

(2) 渠道衬砌底板:渠道衬砌弧形底板最大弯矩应在渠中心偏阴坡一侧, 具体位置通过计算确定, 最大拉应力计算如下:

抗裂条件同式 (31) 。

3 结语

(1) 本文应用渠道冻胀破坏规律, 通过适当假设和简化处理, 提出了U形复合衬砌渠道的冻胀力学模型, 给出了渠道衬砌坡板及底板的内力计算公式、抗裂计算公式等一系列公式。指出渠道冻结力、冻胀力、摩擦力和相互约束力是相互依存的, 都可以表示为最大切向冻结力的函数, 而最大切向冻结力则是反映土质、负温及水分状况的综合指标, 可根据实验或经验确定, 从而使渠道冻胀破坏这一复杂问题简单化、定量化。

(2) 本文在计算时, 假设渠道整体达到极限状态时U形复合防渗渠道衬砌体不发生局部强度破坏。然而, 由于施工或者结构、尺寸等原因, 有可能渠道衬砌体破坏时渠道整体还未达到极限状态, 所以本文模型求解的内力偏安全。

(3) 与梯形断面渠道相比, U形复合衬砌体具有独特的变形特征及结构受力, 使得渠道衬砌体的控制内力明显减小, 变形恢复能力和抵抗冻胀破坏能力比梯形渠道明显增强, 所以研究U形复合衬砌渠道在不同条件下的结构受力, 对揭示渠道冻胀机理具有十分重要的意义。

冻胀研究 篇5

冻胀是季节冻土区道路路基常见的病害, 也是困扰我国公路建设的一个重要问题。它能引起公路路面拱起、开裂, 严重破坏了路基及路面结构。由于车辆超载与地下水的补给, 更加剧了冻胀病害程度。关于路基土的冻胀特性, 国内外学者进行了大量的研究。徐学祖的研究表明, 土体的冻胀主要由于冻结过程中发生水分迁移与重分布, 形成了冰透镜体所致。冻胀受土质、温度、水分、含盐量、密度及荷载等因素影响[1]。陈肖柏系统的研究了砂砾料的冻胀敏感性, 提出了土的冻胀性分类标准与冻胀机制[2]。冻胀病害的危害大, 影响因素多, 因此, 本文针对109国道典型冻胀地段路基的砂质粉土填料开展了开敞条件下的冻胀试验, 系统的研究砂质粉土的冻胀特性及冷却温度、压实度、荷载对其冻胀特性的影响。

2、试验概况

2.1 试验土样

本试验用土取自109国道青海省境内橡皮山段, 该地区最高点海拔3800米, 高山寒冻风化作用强烈。线路所经地质构造为沿海-海陆交互碎屑构造, 其岩性多为砂砾岩和砂岩、板岩。路基土质为砂质土和粉质土, 土基潮湿类型为中湿, 个别路段为潮湿。

土性分析实验按《土工试验方法标准》 (GB/T 50123-1999) 进行, 具体物理指标与颗粒成分如表1、表2所示, 可以看出, 该土为细颗粒含量较多的低液限砂质粉土, 属冻胀敏感性土[3]。

2.2 试样制备

土样制备:把扰动土风干, 用橡皮棒辗碎后过2mm直径筛, 然后配制成含水率为15.2%的土样。

试样尺寸:试样直径150mm, 高度1 0 0 m m。

试样成型:按预定的压实度计算出所需的土量, 分5层装入有机玻璃圆筒内并进行击实, 每一层控制高度为20mm, 并控制土样总高度为100mm。

3、试验内容及方法

3.1 试验内容

对不同冷端温度、压实度下冻结的土样, 在无荷载、静荷载及动荷载条件下分别进行了开敞条件下冻胀试验。冻前含水量为最优含水量15.2%, 饱和度为58.4%, 试样底部暖端温度设置为恒温1℃, 其它参数如表3所示。

注:动荷载采用正弦波加载, 公式为a+bsint (a表示静态力值, b表示动态力值) , 例如:动荷载幅值为60kPa时, 加载公式为30.5+29.5sint。为了在相同荷载下比较分析, 静荷载值近似选取为30kPa。

3.2 试验方法

在低温恒温室内, 使土样在不同顶端冷却温度、不同压实度、不同动荷载作用下进行单向冻结。首先在试样内每隔20mm安装一个温度传感器, 并用保温材料把试样装置包好。开启马氏补水瓶和底板排水排气阀门, 待排气管内无汽泡且有均匀连续水流流出时关闭。接着把冷端与暖端温度都调节为1℃, 恒温24小时。然后调节试样冷端达到预定的温度, 同时加载, 使试样单向冻结。当连续6小时同一位置的温度变化很小, 且冻胀变形量稳定时结束试验。试验过程中试样内部温度变化值、冻胀变形量由电脑自动采集。

4、冻胀特性分析

4.1 冻结速率对比分析

土的冻结速率是描述冻土性质的重要指标, 它作为温度对土冻胀过程影响的特征指标, 表示冻胀锋面的前进速度。冻结速率应按式 (1) 计算:

式中:Vf为冻结速率 (m m/h) ;Hf为冻结深度 (m m) ;t为冻结时间 (h) 。

图1.a给出了不同冷端温度下 (压实度95%, 动荷载值100k Pa) 冻结速率随时间的变化趋势。从中看出, 在冷端温度不变时, 土样的冻结速率随时间推移呈衰减趋势, 土样冻结速率在快速冻结区最大, 而在冻结过渡区逐渐减小, 以后随时间推移冻结速率越来越小, 最后趋近于0。在土样冻结前20小时内, 温度对冻结速率影响很大, 冷端温度越低, 冻结速率越大。这主要是由于冷端温度较低时, 热量在土颗粒间传递加快, 土样达到冻结的时间越短, 从而引起冻结速率的增大[4]。

图1.b是不同压实度下 (冷端温度-3℃, 动荷载值100k Pa) 冻结速率随时间的变化过程。可以看出, 压实度对冻结速率的影响主要表现在前期的冻结速率上。压实度越大, 冻结速率越大, 这是由于土体压密后, 导热系数增大的缘故[4]。但与冷端温度的影响相比, 压实度的影响较小。

图1.c给出了不同动荷载下 (压实度95%, 冷端温度-15℃) 冻结速率随时间的变化趋势。可以看出, 随着时间的推移冻结速率逐渐减小, 最后趋于稳定。动荷载大小对冻结速率的影响也主要表现在试验初期。随着荷载值增大, 冻结速率也增大。这是因为荷载对土体有压密作用, 使得土体导热系数增大, 冻结时间减小的缘故。

图1.d是不同加载方式下 (冷端温度-1 5℃, 压实度9 5%, 动荷载值6 0 k P a, 静荷载值30k P) 冻结速率随时间的变化过程。可以看出, 加载方式对土样初期冻结速率影响比较大。静载条件下, 在冻胀初期试样被压缩, 使得土样被压密, 故这时的冻结速率较大。

4.2 冻胀率对比分析

土的冻胀率也是描述冻土性质的重要指标, 冻胀率应按式 (2) 计算:

式中:η为冻胀率 (%) ;△h为冻胀量增量 (mm) ;△Hf为冻结深度增量 (m m) 。

图2.a给出了不同冷端温度下 (其它参数与图1.a相同) 土样冻胀率随时间的变化趋势。可以看出, 土样的冻胀率随时间推移不断增大。冻胀率在冻结前期较小, 随着冻结时间延长逐渐增大。通过对比可以看出, 随着冷端温度的升高, 冻胀率逐渐增大。这是由于开敞系统下, 未冻土端下面有充足的水分向冻结锋面处迁移, 从而有大量的水分在冻结锋面处结冰, 冻胀率也急剧增大, 随着冻结时间延长最终在冻结锋面处形成一定厚度的冰透镜体。

图2.b是不同压实度下 (其它参数与图1.b相同) 土样冻胀率随时间的变化趋势。从中看出, 压实度越大, 最终的冻胀率越小。试验证明, 压实度为0.8时路基土冻胀率最大, 达到33.6%。

图2.c给出了不同动荷载下 (其它参数与图1.c相同) 土样冻胀率的变化趋势。可以看出, 随着动荷载值的增大, 土样的冻胀率逐渐减小。这是由于荷载值较大时, 土样产生的压缩变形量也较大, 使得在试验开始初期土样中水分排出较多, 减小了土样的含水量。因此, 在土样冻结初期, 动荷载值较大时土样的冻胀曲线的增长梯度较小[5]。

图2.d是不同加载方式 (其它参数与图1.d相同) 下冻胀率的变化过程。可以看出, 加载方式对土样的冻胀率影响比较大。无荷载条件下最终冻胀率为10.2%, 动荷载条件下最终冻胀率为8.2%, 静荷载条件下最终冻胀率为7.03%。在冻胀开始20小时后, 三者的冻胀率逐渐趋于稳定。

5、结论

(1) 冷端温度对109国道典型冻胀地段砂质粉土填料的冻胀特性影响明显。开敞条件下, 冷端温度为-3℃时的冻胀率为冷端温度-15℃冻胀率的5倍左右。

(2) 开敞条件下, 随着压实度从0.9到0.8逐渐减小, 冻结过程中吸水量增大, 冻胀率也逐渐增大。

(3) 开敞条件下, 随着荷载值的增大, 土样初期的压缩变形量也增大, 但总的冻胀变形量减小。加载方式对冻胀特性影响比较大, 无荷载作用下土的冻胀率最大。

参考文献

[1]徐学祖, 邓友生.冻土中水分迁移的实验研究[M].北京:科学出版社.1991, 35-37

[2]陈肖柏等.砂砾料之冻胀敏感性[J].岩土工程学报.1988, 21 (3) :23-29

[3]陈肖柏, 刘建坤等.土的冻结作用与地基[M].北京:科学出版社.2006, 101-103

[4]李述训, 程国栋.冻融土中的水热输送问题[M].兰州:兰州大学出版社.1995, 78-79

冻胀研究 篇6

关键词：季冻区,路基病害,冻胀,影响因素,防治措施

0 引言

我国季节性冻土区占国土面积的53.5%, 主要分布在黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、甘肃、宁夏、青海、新疆北部等地, 覆盖范围广, 纬度越高地区的冻土层厚度越大[1]。一定深度内的路基土的温度随着冬季大气温度的降低而降低, 当土层温度达到0℃以下时, 土体中水分会随之冻结从而形成冻土。目前, 国内外对于多年冻土研究较多, 而对于季节性冻土研究相对较少。在季节性冻土区, 路基随着季节的变化反复出现冻胀融沉现象及引发各种道路病害, 导致路基高低不平, 严重影响行车安全[2]。

近年来, 随着对冻胀机理的不断分析研究, 发现路基土冻胀是温度、水分、土质这三方面因素共同作用的结果, 它们既是引起冻胀的前提条件, 又起到关键的影响[1]。本文首先对哈尔滨市区道路冻害进行相关调查并对取自哈尔滨市的路基粘土进行闭式冻胀试验, 系统研究冻胀率的变化规律, 并提出防治冻害的一系列措施, 希望对季冻区路基土体冻胀研究工作有所帮助, 并为提高我国季冻区道路工程建设质量和使用性能提供理论参考。

1 调查

哈尔滨市是典型的季节性冻土区, 在冻害特征体现最显著的3月末~4月初, 对哈尔滨市区内的和兴路、学府路、尚志大街3条主干路和新伟街等2条次干路进行了冻害调查, 分析了季冻区路基的主要冻害类型。

1) 冻胀、翻浆。

冻胀是由于夏秋地面水下渗或下水位升高的基础上, 在冬季负气温的作用下, 发生水分迁移, 使路基上层水分增多, 并冻结成冰而形成, 由于土中水的冻结和冰体 (特别是凸镜状冰体) 的增长而引起土体膨胀, 地表不均匀隆起的现象, 使地面发生变形。到了春季冻土表层首先融化, 而下部没化通, 融化的土壤水渗不下去, 上部土体饱水而呈稀释状态, 在外力作用下 (通车) , 造成道路翻浆毁坏, 而无法通车, 甚至造成车毁人伤。

2) 融沉。

融沉是冻土融化时发生的下沉现象。一种是与外荷载无关的融化沉降, 另一种是与外荷载直接有关的压密沉降[3]。冬季路基土冻胀, 夏季融化导致路基沉陷变形, 每年周而复始地进行, 对路基的稳定性会产生不利的影响。

3) 路基强度衰减。

路基土在反复冻融循环以后, 承载力会有所降低, 其强度主要取决于气候条件、水文地质条件的差异和所采取的排水、抗冻措施的不同。路基强度的下降, 严重影响道路的使用寿命。

2 冻胀试验概况

为了有效研究路基土体冻胀病害, 需要进行相应的闭式单因素冻胀试验, 研究土体冻胀率随冻结温度、含水率、压实度三个因素的变化规律。试验用土为哈尔滨市区的路基粘土, 其物理力学指标见表1。

文献[4]认为土的起始冻胀含水率接近塑限, 但不超过塑限, 考虑到当土中含水率超过塑限值越高时, 即含水率过大不利于制样, 所以选取20%, 21%, 23%这三个含水率水平;参照路基施工技术规范, 选定88%, 90%和95%三个压实度水平;路基土的起始冻结温度在-1℃~0℃之间[4], 一般路基土冻结过程中的最低温度为-18.9℃[4], 因此冻胀试验选取-6℃, -10℃和-19℃三个温度水平。

将风干土过2 mm筛后, 用静压法按预定的含水率和压实度制备直径100 mm、高100 mm的标准体积圆柱形试件。制备前, 先测定其风干含水率, 估算所需风干土料质量, 通过所选含水率计算用水量, 将称量好的土与水搅拌均匀后装入塑料袋, 密封闷料一夜备用。按式 (1) 计算一个试件用土量:

其中, m0为试件需土料质量, g;γ0为最大干密度, g/cm3;V为标准试件体积, cm3;λ为压实度, %;w为含水率, %。

制备试件完成后密封6 h, 以保证含水率, 并静置放置防止由于试件变形影响试验结果。调节低温试验柜温度, 将试件放入, 冻结16 h~20 h, 量测并记录试件冻胀量, 试验数据采用精度为0.01 mm的百分表进行量测。

表2为试验所测得的冻胀量换算为冻胀率的试验结果, 从中可以看出, 当含水率较小, 冻结温度较高、压实度较低时冻胀率会出现负值, 即发生冻缩现象。这种现象产生的原因在于当含水率小、压实度较低时, 土体颗粒排列较为疏松, 而高的冻结温度使孔隙水产生少量冰晶不足以填充土颗粒间较大的空隙, 因此, 当温度刚降低时, 路基土体表现为冻缩, 冻胀率为负值。

%

3 试验结果与分析

整理后得出冻胀率随三种因素的变化曲线如图1~图3所示, 再结合表2中数据进行冻胀单因素分析。

3.1 冻结温度对土体冻胀影响

由图1可知, 随着冻结温度的降低, 冻胀率呈上升趋势。而当含水率一定时, 冻胀率随着压实度的增大和温度的下降而升高;在压实度一定时, 冻胀率随着含水率的升高和温度的下降而升高, 也就是说当冻结温度低、含水率高或压实度大时, 容易导致路基土冻胀;冻结温度高、含水率低或压实度小时, 路基不易产生冻胀。

3.2 含水率对土体冻胀影响

实验表明, 土的温度与压实度一定时, 冻胀率随含水率的升高而升高。也可以看出, 含水率是决定冻胀大小的主要因素之一, 但并非所有含水率下路基土体都会发生冻胀, 而是当含水率达到或超出一定高度后才会出现冻胀现象, 即存在起始冻胀含水率[5]。即含水率过小, 则冻胀不明显, 当路基土含水率达到起始冻胀含水率时, 在负温度条件下, 随着含水率的升高, 水分积聚体积越大, 冻胀也就越严重。

3.3 压实度对土体冻胀影响

当含水率和温度一定时, 土体冻胀率随压实度的升高而升高。说明压实度也就是土体的密实程度, 也是影响冻胀的主要因素之一。当土体含水率一定, 而密实度小时, 土体颗粒间有足够的空隙, 即使随着负温水完全冻结成冰, 体积膨胀, 但由于土颗粒空隙足够大, 水分冻结后不会因体积膨胀影响到土体颗粒间距, 因而不利于冻胀的产生。而当密实度大时, 土体颗粒间距较小, 当水分冻结时为满足体积膨胀导致土体颗粒间距改变, 冻胀明显。

4 冻害防治措施研究

4.1 加强路基排水

鉴于冻胀试验所得结论, 路基土体中的水分对冻胀影响极大, 因而路基排水是冻害防治的关键环节。路基中的水来源于降水、地表水和地下水这三种类型, 它们分别以不同方式进入到路基中。一旦水分进入路基当中就很难蒸发和流失, 在路基这种封闭环境中, 当发生冻融循环时, 就会导致冻胀和翻浆形成。因此, 要避免季冻区路基病害的发生, 一方面是保证内部水分及时排出, 另一方面是防止外部水分渗入, 解决的方法就是完善道路排水设施, 地下排水设施更应时时注意养护维修, 确保路基内部水的排出。地下排水设施是对抗冻胀的有效防治措施, 然而却有维护性差的缺点, 使用一段时间, 会出现淤塞, 导致排水效果不佳, 有时甚至会提前出现问题。因而在施工过程中, 要保证地下排水设施建设质量, 最后在竣工图中准确标注其位置和工作状态, 以便道路养护部门检查和及时养护。

4.2 置换填土法

置换填土法是目前用于解决冻胀问题应用最广泛的方法, 其原理是应用碎石、砂砾、石渣等透水性良好的颗粒土全部或部分换掉路基冻胀土体, 起到隔离层的作用, 控制地下水上升, 有效降低冻胀量。在寒冷冰冻地区即使换填层在冰冻线以上仍可采用此方法来减少路基冻胀土厚度, 从而削弱冻胀的抬升力。对于换填深度的规定, 我国并没有统一的要求, 需根据环境条件、地下水位、当地冻结深度、土质、换填材料的质量等条件综合考虑决定, 但通常不低于路面结构层下80 cm[6]。

4.3 增强路面结构层的强度和刚度

当路面结构层具有较高的强度和刚度时, 在路基发生冻害过程中, 仍能保持正常的工作状态和基本的使用性。大量实践证明, 在铺筑路面结构层后, 由于对底面产生了一种限制力, 在一定程度上有效限制了冻胀量。但这种限制力是不均匀的, 且会随着冻胀的不均匀发展而变大。因而路面的平整度也需要随着刚度的增大而增大, 而路面刚度对冻胀力可以产生有效限制作用。

5 结语

1) 季冻区路基病害主要有冻胀翻浆、融沉和强度衰减。病害的发生对季冻区道路的使用状况及寿命造成严重影响。

2) 闭式冻胀单因素条件下, 季冻区路基土冻胀率随含水率的增大而增大, 随压实度的提高而上升, 随冻结温度的降低而提高。说明高的含水率, 高的压实度及低的冻结温度会加剧土体冻胀。

3) 排水系统设置、置换填土法和提高路面整体强度和刚度这三种方法更适合于季冻区路基冻胀病害防治。

参考文献

浅谈冻胀模型分析发展 篇7

人类大规模开发地下空间、利用深部能源必然要建设大量的地下工程, 这一地下工程所遇到的大多为含水、软弱、破碎、强度低、稳定性差的岩土地层。采用常规工法施工难度大, 时有事故发生, 基坑事故发生率高达20%~30%, 而且随着工程规模和深度的加大, 问题更加突出。因此, 在特别复杂的地层及环境条件下, 隧道、城市地铁、超深基坑等工程需要可靠的施工方法。

2 冻胀理论研究现状

国内外对冻土冻胀问题的研究起源于寒区资源开发, 研究方向集中于冻胀的影响因素、冻结过程中水热迁移规律、冻土的冻胀规律以及冻胀模型的建立和冻胀预测等方面。其中, 冻胀的发育机理及其控制对策始终是土壤冻结研究中的一个核心问题。近50年来, 国内外对冻土冻胀问题的研究, 揭示了大量冻结及冰分凝、冻胀过程中的现象, 基于理论和试验研究, 提出了经验公式、第一冻胀理论 (毛细理论) 、水动力模型、第二冻胀理论 (冻结缘理论) 、刚性冰模型、分凝势模型、热力学模型等大量冻胀机理解释理论和模型, 研究方向朝着微观、细观探索水分迁移机理和成冰机制方向发展, 并且引入了能量、质量和动量平衡观点, 取得了大量的研究成果。

冻胀模型是科研人员基于对冻胀的认识水平, 提出的定量描述和解释冻胀现象主要特征的各种变量之间的关系式。根据所依据的冻胀理论的不同, 可以将冻胀预测模型分为四大类:第一冻胀理论模型, 第二冻胀理论模型, 热力学模型和水动力模型。

第一冻胀理论认为土体中发生的所有冻结均引起冻胀量的发展, 并认为冰透镜体生长于冻结锋面处, 把认为冰透镜体形成于冻结锋面处的模型称之为第一冻胀模型, 该模型自提出后, 曾一度被广泛接受, 但它不能解释冻土中不连续冰透镜体的形成。

人们认识到其不足, 提出了第二冻胀理论。该理论是Miller观察到新的冰透镜体形成于冻结锋面之后的某个地方而不是在冻结锋面处后提出的, 他认为在已形成的冰透镜体和冻结锋面之间存在一个冰水共存的区域, 并称之为“冻结缘”。20世纪80年代, 随着试验技术的进步, 研究人员证实了冻结缘的存在, 第二冻胀理论逐渐为广大冻土界学者认同。随后, 关于冻胀机理的研究主要集中于冻结缘以及与其紧密联系的冰透镜体的试验和理论研究。尽管目前关于冻结缘的形成和变化规律仍旧说法不一, 但是一些冻结缘的主要特征参数及其之间的联系已日渐明朗, 如冻结缘内的冰、水含量分布、导水率、温度的分布以及冰、水相压力的变化及其相互关系和关于冰透镜体形成条件的描述等, 得出了一些重要的且为普遍接受的结论, 如未冻水含量与负温的动态平衡关系以及Clausius-Clapeyron方程在描述冻结缘特征时的有效性等等。认为冰透镜体形成于冻结锋面之后即冻结缘内的某个地方的模型被称之为第二冻胀模型, 事实上, 凡用到冻结缘概念的模型均可以认为属于该类模型。此类模型是目前应用最为广泛的模型, 其中比较有代表性的有M iller的刚性冰模型、Konrad的分凝势模型和Nixon的不连续冰透镜冻胀模型。除去刚性冰的假设, 刚性冰模型被认为是描述冻胀特征最完备的模型。该模型是根据无冰土的干结过程和无气饱和土的冻结过程中气-水相之间和冰-水相之间压力差与两相所占土体孔隙体积含量的相似关系而提出的, 模型假设冻结缘中的孔隙冰与正生长的冰透镜体刚性连接在一起, 当冻胀发生时, 这种连接由于受有外部压力不会断开, 而是会通过微观的复冰过程移动, 因此冻胀的速度与刚性冰体的移动速度相等。模型假设冻胀过程为准静态过程, 已冻土内温度呈线性分布, 并假设新冰透镜形成的标准是冻结缘内存在足以抬起上部荷载的有效应力, 以冰透镜体最暖端和土体端为上下边界建立了非线性的热质迁移耦合方程。但是该模型的求解需要大量物理意义不甚明确的参数, 而且需要复杂的求解技术, 因此很难推广应用。后来相继有一系列的文章改进或简化刚性冰模型, 其中盛戴超的模型操作简单, 便于工程应用。

20世纪90年代以来, 热力学模型 (Thermo M echanical M odel) 开始提出, Fremondetal将模型建立在质量、动量和能量及熵增平衡定律的基础上, 利用局部平衡状态和为自由能和耗散势选适当的表达式来求导多孔介质的基本方程, 该模型能描述由于孔隙水冻结、孔隙水和热量迁移及冻胀引起的吸力。它从微观出发描述冻胀, 不能像刚冰模型那样从微观出发, 最后描述了宏观量之间的关系, 可以解决实际问题。

水动力模型是R.L.Harlan基于土体即使在冰点以下数十度依然有未冻水存在的认识于1973年提出的, 直到上世纪末关于水动力学模型的研究依然在进行。该模型认为土壤冻结过程主要发生三种物理过程:热量的传递、水分的迁移和水分的液-固相变。这三个过程同土壤中的水分场和温度场相互作用、相互制约、相互影响。模型不考虑冰透镜体的形成与冻结缘的发展, 亦不考虑上覆荷载的影响, 假设冻胀形成的标志为孔隙冰含量超过一个不超出土体孔隙度的临界值。该模型能很好地模拟土壤中的水热状况。

3 展望

冻土作为一门学科毕竟还年轻, 而它所研究的对象是极其复杂且多变, 让科研工作者面对巨大挑战, 给冻土力学研究提出了一系列亟待解决的新课题。冻土力学必须在处理问题条件上提高它的实用性, 以面对不同因素、不同环境、不同要求的工程作出可靠的分析模型。在其计算方面应该与计算机仿真分析相结合, 利用有限元分析方法提高计算精度。

参考文献

[1]陈瑞杰, 程国栋等.人工地层冻结应用研究进展和展望.岩土工程学报, 2000.

[2]翁家杰等.冻结技术在城市地下工程中的应用, 煤炭科学技术.