摘要：为测试土体内部一点的三维应力状态,基于常规应力状态与主应力之间的关系,给出了一类三维土压力盒的设计原理和制作方法。与普通土压力盒相比,该类三维土压力盒能测试空间一点完整的应力状态,即3个正应力和3个剪应力。该类装置均由1个特定基座和6个镶嵌于基座上的微型土压力盒组成。基座的形式可以多种多样,但根据6个土压力盒法线的方向余弦得到的转换矩阵必需是满秩的。考虑工程应用方面的要求,分别阐述3种三维土压力盒的制作方法和数据处理方法,并进行了误差和适用性分析。在一个模型槽内对某重塑土进行了压缩试验,分别用给出的3种三维土压力盒测试土中不同深度处的三维应力状态。研究结果表明:土体在一维侧限压力作用下,2个水平方向的正应力均小于竖向应力且与之具有线性关系;随着土体固结度的增加,外荷载引起的土体应力状态变化偏于平缓;采用分层密实方法制备的模型土体仍具备明显的各向异性,外荷载作用下土中的各向应力增量仍存在一定差异;侧限形式和外荷载大小是引起土体应力状态不同的主要因素,分层密实导致的土体初始各向异性在加载-卸载作用后趋于缓和;测得的竖向应力随深度增加逐渐减小,反映出随深度增加附加应力的扩散效应,从而初步证实该类测试装置是科学和可靠的。

摘要：由于冰的比热和导热系数与水的比热和导热系数具有显著的差异性,因此土的比热和导热系数在冻结过程中是不断变化的。依据常热参数建立起来的温度场相似准则,难以准确反映土体在冻结过程中由热参数非线性引起的温度场演变。该文基于考虑热参数非线性变化的热传导微分方程,采用相似变换法导出了冻土模型试验中温度场的相似准则,并给出了采用原土进行模型试验时原型与模型应满足的相似关系。同时,在考虑第三类边界条件对相似准则影响的基础上,导出了模型土应满足的热物性相似条件。在此基础上,分别利用ABAQUS有限元软件对线性、非线性以及考虑第三类边界条件的原型和模型温度场进行了数值模拟,并对冻结过程中特征点的温度演变过程进行了分析。计算结果表明:建立的非线性导热相似准则能够正确反映原型冻土温度场的演变过程,说明模型土热参数的计算方法是合理的。同时表明,满足第三类边界条件的土体非线性冻结相似准则具有明确的物理意义和更高的实用价值。该研究成果为冻土模型试验中模型土的配制提供了切实合理的参数计算方法,为冻土水-热-力三场耦合模型试验的设计和实施提供了理论基础和技术支持。

摘要：针对现有正冻黏土瞬态温度场计算方法存在的问题,指出正冻黏土中未冻水含量随温度的变化是导致瞬态温度场计算误差较大的原因.在引入未冻水含量计算模型和水/冰相变潜热动态关系的基础上,建立了适用于正冻黏土的热质扩散方程,对其瞬态温度场进行了计算分析.采用现有的3种计算方法和提出的正冻黏土瞬态温度场计算方法,通过ABAQUS软件模拟了模型槽人工冻结试验的瞬态温度场,对比了模拟结果和试验结果.研究表明,与现有的计算方式相比,所提正冻黏土瞬态温度场计算方法计算精度更高.研究可提高冻土-水热力耦合问题的求解精度,服务于人工冻结法的设计和实践.

摘要：应力状态是评价土体变形和强度的基础,最大主应力及其方向是确定边坡、基坑等结构体滑裂面产生与发展过程的重要依据。为研究土体内部一点的真实三维应力状态,基于正应力与应力状态之间的计算关系,考虑测试过程中装置旋转引起的测试误差,设计了一种能够测定土中6个方向正应力和3个绕轴角度的三维土压力测试装置,即三维真土压力盒。该三维真土压力盒由1个高强度基座、6个微型土压力盒、1个孔压计和1个倾角传感器构成,可用于测定待测点6个方向的总应力和有效应力,进而确定该测点的三维总应力状态和有效应力状态。将研制的三维真土压力盒用于了某粉煤灰的一维加—卸载循环试验,并将测试结果与Boussinesq解的计算值进行了比较。同时,依据获取的三维应力状态计算了测点的主应力及其方向、毕肖普常数b、应力罗德角θ,并对各加载过程中应力状态的竖向力分量与竖向应变之间的关系进行了分析。结果表明:测试装置埋设和测试过程的角度旋转误差,会引起测试结果的误差,且这种误差随测试数值的变大而变大;一维加—卸载过程中土中的最大主应力方向与加载方向并不重合;随着加卸载循环次数的增加,各主应力大小及其方向逐渐稳定在一定范围,土的应力-应变关系也逐渐趋于稳定;采用三维真土压力盒的测试值确定的力学参数与土力学理论相符合,该装置对于土的强度问题研究具有技术基础作用。

摘要：为评估热参数取值对冻土温度场的影响,将导热系数、比热、潜热作为冻土温度场的影响因素进行试验设计。通过室内试验测定了饱和粉质粘土在不同负温下的导热系数、比热及潜热值,并基于Johansen法提出了考虑冻土未冻水含量的热参数修正算法,按照变参数和常参数形式代入数值分析软件ABAQUS,获取了不同的温度场计算值。将不同负温下的热参数和某负温阶段的平均热参数代入数值分析软件,分析热参数变化对冻土温度场的影响。依据冻结试验获取了冻结150 h的模型箱温度场实测值,并将计算值与实测值进行了比较。结果表明:不同的热参数对冻结初期影响较大,随着冻结的深入各计算值间的差值逐渐缩小。采用一定负温阶段的平均热参数作为恒定热参数进行数值计算,从微观上不能满足精度要求。潜热是影响冻结温度场计算精度的主要因素,考虑不同负温土体导热系数、比热、潜热的计算更接近于实测值。研究成果为寒区水利工程设计和施工提供参考。