季冻区渠道土质边坡冻融损伤试验研究

发布时间：2020-07-14 08:52

【摘要】：本文以哈尔滨新仁灌区渠基土为试验材料,在哈尔滨地区2010~2012年度三年的实际气温资料基础之上,通过室内模型试验提出并确定出冻结指数相似比C_I为1:135,实验室修正系数K为1.13,对不同初始状态试样进行0~11次冻融循环,冻融过程采用“单向冻结,双向融化”的似自然状态冻融,在试样经历预定的冻融循环次数后,将试样取出测定其物理指标和力学指标,得到以下结论:随着冻融循环的增加,土体物理性质损伤规律为:非饱和试样在封闭系统下渗透系数逐渐升高,但总体升高的速率逐渐降低,渗透系数值大约在7次时趋近于稳定,且在相同的冻融循环次数下,渗透系数随着干密度和含水率的增大而增大。非饱和试样在封闭系统下导热系数线性降低,在冻融循环系数相同的情况下,导热系数随干密度和含水率增加而升高。封闭系统下饱和试样呈指数形式降低,用修正后的Chung和Horton模型对不同冻融循环次数下的导热系数值进行预测,预测值和真实值差距较小,不同次冻融下预测值和实际值误差为5.15%,2.89%,2.21%,0.52%,0.31%,0.55%,0.33%。对于开敞系统下试样而言,导热系数在首次冻融后增加较为明显。非饱和试样在封闭系统下冻融后,纵向含水率由于冻结锋面的形成发生重分布现象。结合不同初始含水率来看,试样上部含水率降低,在试样中部10 cm上下一定范围内,试样含水率增大,而在其余下部,试样含水率亦降低。封闭系统下饱和试样和开敞系统下试样在反复冻融后,平均干密度降低,平均孔隙率增大。随着冻融循环次数的增加,土体的物理性质规律为:无论试样初始状态和试样在冻融过程中有无外接水源的补给,试样的黏聚力均逐渐降低。当冻融循环次数相同时,土体黏聚力随含水率增大而降低,随干密度增大而升高,不同干密度和含水率下,土体内部黏聚力与冻融循环次数的损伤关系为指数形式。封闭系统下饱和试样黏聚力损伤系数K_c与冻融次数呈指数变化,而开敞系统下试样黏聚力损伤系数K_c与冻融次数近似线性变化。封闭系统下非饱和试样内摩擦角逐渐增高,但每个冻融周期升高的速率并不一致,且无明显规律可循。但对于冻融循环次数相同的试样,内摩擦角的大小受干密度和含水率影响较为明显,其值的大小与干密度成正比,而与含水率成反比。封闭系统下饱和试样的内摩擦角随冻融作用增加逐渐增大,开敞系统下试样的内摩擦角变化规律趋势性不明显。封闭系统下饱和试样内摩擦角损伤系数K_φ与冻融循环次数的关系可用对数函数表示,而开敞系统中的损伤系数K_φ与冻融循环次数的关系则为线性。封闭系统非饱和试样的弹性模量总体呈现逐渐降低趋势。当冻融循环次数一定时,弹性模量的大小同样受干密度和含水率影响显著,表现为随干密度升高而增大,随含水率升高而降低的趋势。当围压为100 kPa时,弹性模量的裂化损伤比受首次冻融影响较大。对于相同初始状态和相同冻融循环次数下的试样,弹性模量随围压的增大而增大。封闭系统下饱和试样和开敞试样而言,二者的平均干密度和平均孔隙率变化具有一致性,随着冻融循环的进行,平均干密度降低,平均孔隙率增大。通过灰色关联分析,结合试验测定的相关物理、力学指标,对封闭系统下饱和试样的物理、力学性质进行分析后发现,冻融作用为土体性质发生改变的外因,而平均孔隙率则为内因。土体性质的变化从本质上是通过内外因共同作用的结果。物理性质对力学性质的影响大小为:平均孔隙率平均干密度渗透系数导热系数。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S277
【图文】：

实例图,冻融作用,黑龙江省,实例

探究土体冻融破坏机理，对寒区工程尤其是渠系输配水工程的建设和相关理论的完善具有十分重要的指导意义。.2 研究背景黑龙江省是我国重要的产粮基地，由于全省纬度较高，冬季气候漫长且气温较低，特殊的气候环境使得农业灌溉渠道面临严重的冻害。由冻融作用造成的渠道基础破坏严重，尤其在春季渠基土融化时，衬砌结构发生破坏的程度更加明显。由冻融造成的渠道破坏的报道屡见不鲜，由冻融作用造成的渠道护砌结构的破坏现象层出不穷，如图 1-1 所示对于输水渠道而言，由于基础均建筑在农田内部或水源附近，较高的含水率使得冻融过程造成的危害更加突出。冻结过程中的水分、盐分迁移和物质运输及融化过程的微裂隙闭合使得渠道护砌出现搭接，翘起的现象鲜有尤为普遍。哈尔滨市素有“冰城”美誉之称，冬季最低气温在-30~-40 ℃之间，是我国典型的季节冻土区所在地，年内冻结期长达 180 余天，由于季节性冻融的存在，对当地农田输配水渠道带来了极大危害。长期以来，为保证粮食安全所需要的用水量，提高农田灌溉用水效率，对于渠道渗漏的相关研究日益加深。然而渠道破坏的主要诱因来源于基础在冻融作用下产生的破坏和失稳，仅仅依靠渠道防渗漏，并不能从根源上解决季节冻土区渠道的破坏问题。因此，对于研究季节冻土区土体在冻融作用下的物理力学性质的变化规律十分必要。

多年冻土,冻土,冰夹层,冰透镜体

岩石圈-土壤-大气圈之间能量交换的产物[3]。其响，但与冻土形成最为密切的即为温度，在冻结冻结成冰，内部水分不断向冻结锋面迁移（主要况下，形成冰透镜体或冰夹层等侵入冰等。在融用下，孔隙水排出，土体发生压缩。冻土的形成高，会引起冻土的加积和退化，而冻土的发育复循环作用，不论是季节冻土区还是多年冻土区力学性质的变化显著影响建筑物的安全性、稳定土和多年冻土两大类。从世界范围来看，多年冻。世界上多年冻土主要分布在欧洲和亚洲的北纬度地区的高山、高原也存在多年冻土。世界加拿大、中国、美国等国家。我国冻土分布面积面积约为 215 万平方公里，占我国国土面积的 1里，占我国国土面积的 53.5 %。多年冻土广泛嫩平原和高山地带，对于季节性冻土而言，其分几个省（自治区、直辖市）。从全国范围来看，示。

冻土类型,垂直层次,冻土

前言表 1-1 冻土分类Tab. 1-1 Basis for the classification of frozen soil冻土类型区域前提冻土存在历时冻融特征多年冻土年平均地面温度≤0 ℃ ≥2 年季节融化季节冻土最低月平均地面温度≤0 ℃ ≥1 月季节冻结、不连续冻结瞬时冻土极端最低地面温度≤0 ℃ ＜1 月不连续冻结或夜间冻结注：表中季节冻结或者季节融化均表示冻结持续时间或融化时间≥1 月，不连续冻结值冻结持续时间＜1。冻土的分布在垂向上的分布层次受年平均气温、纬度及高度分带的影响显著，从我国整体分布趋势上看，主要的存在类型从北向南依次呈过渡分布，如图 1-3。

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