The transversely isotropic (TISO) constitutive and frost heave models for the freezing of fine-grained soils are more accurate than the isotropic model and simpler than the orthotropic models. First, in combination with the mesoscopic composition of freezing soils, a mechanical model for the interaction between the equivalent ice lens and the soil in frozen soils is established based on the series and parallel models in the theory of composite mechanics. Second, the TISO constitutive model together with the analytic expression of five elastic constants is provided for analysis of the freezing soils. Third, a preliminary elastoplastic model for TISO freezing soil is established based on the Hill plastic model. Fourth, the heat–moisture–deformation coupling TISO model and the hydrodynamic frost heave model are derived according to a thermodynamics equation, a soil water motion equation, and generalized Hooke’s law. Synchronization and uniformity of the TISO constitutive model and the TISO frost heave model are realized for analyzing the interaction between permafrost soils and buildings. Finally, an indoor standard frost heave test and the frost heave of a prototype canal are simulated based on the above models. The numerical results indicated that the models presented in this paper accurately described the frost heave and revealed the interaction between permafrost and buildings.
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深厚冲积层冻结压力取值大小是冻结法凿井外层井壁设计计算的重要依据。为此,基于符合深井冻土蠕变特性的改进西原模型,利用ABAQUS软件的用户子程序接口,实现该模型的UMAT开发。考虑土体冻结过程中的热-力耦合作用获得井筒开挖前土体冻胀应力分布规律,在此基础上,计算分析了深部冻结井的掘砌过程,获得了作用于外层井壁的冻结压力发展变化规律。计算结果表明：土体埋深、冻结壁温度、土体冻胀率等因素均影响冻结压力的大小。在其他条件不变的情况下,当埋深由400 m增加到500 m时,冻结压力增加21%;当冻结壁平均温度由-16 ℃降低至-18 ℃时,冻结压力减小10%;当土体冻胀率由2%增加到3%时,冻结压力增加3.8%。冻结压力随层位深度及土体冻胀率的增加而增加,而降低冻结壁温度则有利于冻结壁的稳定。数值计算结果与实测值的误差小于15%,比理论计算更有利于实际工程中深井冻结压力的计算预测。 相似文献
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隧道水平冻结施工引起地表冻胀的历时预测模型 总被引：1，自引：0，他引：1
隧道水平冻结施工过程中,土体冻结引起体积膨胀,进而会在地表产生冻胀现象。实际工程一般采用多根冻结管形成冻结壁。冻结壁交圈前,地表冻胀由多个冻土柱的叠加膨胀变形引起;冻结壁交圈后,地表冻胀则由整个冻结壁的膨胀变形引起。鉴于此,考虑冻结壁的形成过程,基于随机介质理论,建立了隧道水平冻结施工引起地表冻胀位移的历时预测模型。同时对冻结外锋面半径和冻胀区域外半径这2个关键参数的取值方法进行了相关探讨。最后针对两个工程案例,采用该计算模型对地表冻胀位移进行分析,得到地表冻胀位移随时间的变化规律,并与现场实测结果相比较,验证了模型的可靠性。该模型应用于隧道水平冻结施工前、冻结期内任意时刻的地表冻胀位移预测,可为工程冻结实施方案的合理确定提供有效依据。 相似文献
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通过大量的人工冻结黏土蠕变试验研究,获得在高偏应力下人工冻结黏土具有显著的蠕变特性：当应力水平较低时,人工冻土发生黏弹性蠕变变性;当应力水平较高时,人工冻土发生黏塑性蠕变变性。因此,以西原模型为基础,增加一个黏弹性元件项和用抛物线屈服函数代替塑性屈服项,构建了高应力下抛物线型黏弹塑性蠕变本构模型。改进的西原模型可以较好描述人工冻土剪切蠕变特性。基于小生境技术的遗传算法和人工冻土黏弹塑性模型有限元理论,在FEPG（有限元程序生成器）自动生成平台上研发了位移反分析程序。利用现场实测数据对深井冻结井筒开挖过程进行了位移反分析,获得了与试验相一致的冻土本构力学模型参数,数值分析结果与实测数据之间的误差在6%以内,反演结果验证了模型的可行性。冻结井筒开挖过程的位移反分析获得的人工冻土本构模型参数,能反映冻结壁施工过程和有效冻结范围内冻土本构参数平均值,因而具有广泛的代表性,对冻结壁应力场、位移场和稳定性预测具有重要工程意义。 相似文献
4.
渠基土在冻融循环作用下的变形和应力变化特征 总被引：1，自引：1，他引：0
受季节性气候变化和昼夜交替的影响,处于寒区的地表浅层土体不可避免地会发生冻融循环作用。冻结过程引起土体的膨胀变形,融化过程引起土体的压缩沉降变形。同时冻融交替变化会诱发渠基土的结构与物理力学性质发生显著改变,从而危害工程设施的服役性。土体所处的应力环境是影响冻融过程中土体变形发展的关键因素。为了研究不同上覆荷载条件下冻融循环过程对寒区渠基土变形与冻胀应力发展特性的影响,开展了一系列冻融循环试验。结果表明：在上覆荷载为10 kPa时,冻融循环会使土体产生膨胀变形;当上覆荷载为50 kPa或100 kPa时,冻融循环会使土体产生非常明显的固结沉降,且上覆荷载越大,沉降量也会越大。随着冻融循环次数的增加,土体在其所处的应力环境下逐渐形成相对稳定的固结结构,单次冻融过程中产生的冻胀量与融化固结量趋于相等,即冻融稳定系数趋于1。在不同上覆荷载条件下固结稳定后,保持试样两端约束的位移不变,发现土体冻融过程中产生的最大竖向冻胀应力随冻融循环次数的增加不断衰减,且冻胀应力的发展与孔隙水压力的变化具有一致性。因此,通过对恒定上覆荷载条件下冻融过程中正冻与正融界面附近孔隙水压力分布的研究,可揭示冻融过程中土体变形发展的内应力机理。 相似文献
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开放系统下土体冻胀引起土工结构变形致使其服役特性面临严峻挑战。基于土体冻胀非线性弹性力学模型, 推导了计算半空间无限体中土单元在自重下冻胀的数学表达式, 建立了水平场地土冻胀模拟方法, 提出了考虑上部压载效应与位移边界变化的场地表面隆起位移及土体应力与应变的计算方法。在此基础上, 利用开放系统下粉质黏土逐级降温冻胀室内试验, 验证了冻胀引起地表隆起变形预测解析方法的可靠性。经验证, 该变形预测解析方法可应用于寒区场地冻胀量的评估, 进而为开放系统下土工结构物变形预测提供科学参考。 相似文献
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浅埋隧道对地表冻胀、融沉变形有严格要求。针对珠机城际轨道交通项目联络通道冻结壁设计改进问题,基于热?力耦合理论,利用有限差分数值计算方法对冻结法施工全过程进行模拟,通过比较研究不同厚度冻结壁模型引起的地表冻胀、融沉变形及隧道管片变形规律,实现冻结壁厚度的优化设计。研究表明：（1）该数值模型可有效模拟地表冻胀、融沉变形,利用已查明数值误差对计算结果进行折减可得到较为准确的实际变形预测值;（2）不同模型地表冻胀、融沉规律大致相同,但变形量及影响范围随冻结壁厚度减小呈递减趋势,当冻结壁厚度为2.5 m及以下时变形基本满足规程要求;（3）土体冻胀、融沉变形并非简单的互逆过程,融沉变形通常大于冻胀变形,平均超出量达40%,应特别注意;（4）冻结壁厚度越大相应产生的冻胀力越大,通过优化冻结壁厚度可有效控制隧道管片附加应力及变形的产生,保护已建隧道结构安全;（5）综合选定2.5 m为冻结壁改进厚度,成果直接应用于4#联络通道冻结法施工,经现场监测表明该优化方案有效、可行,对类似工程冻结壁厚度设计具有较好的推广应用价值。 相似文献
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季节冻土区保温隔水路基防冻胀效果研究 总被引：3，自引：2，他引：1
基于冻土路基温度场数值模型,结合室内模型试验,对保温隔水路基进行热-应力耦合计算,并用试验结果验证计算模型,旨在研究普通路基与保温隔水路基在环境温度变化时路基温度场和位移场的变化规律,对比评价保温隔水路基防冻胀效果。结果表明：相比普通路基,保温隔水路基保温效果明显,其冻结时间推迟约22%,冻胀速率减小60%,冻胀量减小35%~60%。此外,保温隔水路基竖向变形相对较小,变形过渡平缓,横向变形显著减小,由变形引起的破坏作用减弱,说明保温隔水路基是一种较好的防冻胀路基结构。 相似文献
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为获得浅覆土下矩形冻结加固体的温度场分布及冻胀变形规律,以广州地铁6号线穿越3号线的冻结工程为原型,根据相似理论,设计进行了水平冻结的模型试验。结果表明,在地表散热的影响下浅埋冻结工程中紧邻地表的冻结区域降温速度较慢,形成的冻结壁是整个加固体的薄弱环节;冻结过程中冻结壁向内发展较快,其平均发展速度是向外发展速度的1.5倍左右;形成封闭的冻结壁前,采用较高的盐水温度进行冻结,可有效地控制土体的冻胀变形,冻结壁封闭后,降低盐水温度,冻胀变形会明显增加;冻胀过程中产生的冻胀力对上部土层有压密作用,使土层的冻胀变形随着埋深的变浅而减小;对于浅埋矩形地下冻结工程,上部覆土和冻结加固体之间相互影响作用明显,上部土层的散热会影响冻结加固体内温度场的分布规律,而下部冻土的冻胀作用也会压密上部土层。 相似文献
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对冻土环境下的输水干渠边坡的雷诺护垫防护工程进行了模型试验,建立比例尺为1：4的模型,进行两次冻融试验,在试验过程中对雷诺护垫结构段面的冻胀量、冻融过程中土体结构内部温度场分布进行实时监测.试验结果表明：雷诺护垫可以增加热阻,减少能量传递,且护垫下卧土体温度场分布均匀,可有效减小冻深及冻胀量,并抑制不均匀冻胀的发生;在有水份充分补给的条件下,最大冻胀量位置发生在渠底固脚处,其次是渠坡1/3处,设计时应充分考虑该位置的冻胀变形;残余变形最大值在渠底固脚位置,渠坡发生融沉变形,说明雷诺护垫结构本身具有自愈的功能,有比较显著地适应冻融变形的效果.设计及施工过程中要考虑固脚的稳定. 相似文献
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