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高温冻土又称近相变区冻土,通常用来描述温度相对较高的冻土。由于其温度区间处于冰-水剧烈相变区,冻土中冰与未冻水的比例对温度的变化极为敏感。因此,高温冻土的物理力学性质具有强烈的不稳定性,极易在温度变化的影响下发生实质性改变。此时如果冻土中含冰量较大,其流变性将更为明显。即使基础下多年冻土不发生融化,基础的沉降变形仍有可观的量级。进而,如若高含冰量冻土发生融化,对修建于其上的工程建筑物的破坏将是毁灭性的。为了研究高温高含冰冻土的压缩变形特性,本文系统地开展了不同含水量冻土在不同温度下的分级加载压缩试验,在试验中尝试采用合适的不冻液作为传压介质以期测得高温冻土压缩变形过程中孔隙水压力的变化。依据试验结果初步探讨了高温冻土在压缩过程中的变形机理,进而将高温冻土的压缩变形过程按固结考虑。研究了基于移动区间法的融化固结理论,并采用数值计算方法模拟了野外06-1#承台的沉降过程。主要结论如下:
1.对于冻结粘土,相同含冰量时,压缩指数随温度的升高而增大,尤其在近相变区时,压缩指数的变化更为剧烈;在相同温度时,含冰量大的压缩指数一般也较大,在温度相对较高时此现象表现得更为显著,压缩指数与温度的关系可近似采用指数函数描述。同时,高含冰量冻土在高温区间的压缩指数均大于0.15,按常规土的压缩性分类标准可认为是高压缩性土。
2.在温度相对较低时,e-p曲线近似一条直线,而在温度相对较高时,e-p曲线呈现出明显的非线性,其曲线可采用双曲线方程表示。
3.试验结果表明:高温冻土中孔隙水压力变化对加载较为敏感。同时,温度决定了孔隙水压力变化的实效性,温度越高的条件下,孔隙水压力对加载的响应越快。总体而言,高温冻土中孔隙水压力对荷载的响应具有强烈的滞后性,加载后需要较长时间才能达到峰值,而后也需要较长时间来消散,且其峰值占总应力比例较小,最大仅为14%。
4.将移动区间法用于计算融化固结是对移动边界法的改进。这些区间即为剧烈相变区,其中的土层即为高温冻土。高温冻土具有压缩性高、未冻水量大、渗透性相对较高的特点,在融化固结理论中可与融土一起看作固结变形。
5.数值模拟结果表明:历经10年后野外06-1#承台下多年冻土的上限将下降0.5m,更多的高温冻土退化为融土,承台沉降变形可达50mm。超孔隙水压力最大值发生在承载板下0.3m处,并且随着时间而不断消散,历经3年后,超孔隙水压力最大值消散为2.5kPa。
6.量测高温冻土中孔隙水压力的变化对认识高温冻土的变形机理具有重要意义。因此,对孔隙水压力的量测工作仍需进一步深入开展。同时,在明确了高温冻土的固结变形机理后,测定高温冻土渗透系数随温度的变化特点将成为下一步工作的重点。