开放系统下冻胀引起地表隆起变形预测的解析方法

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0051

摘要/Abstract

摘要：

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。

关键词: 冻胀, 地表隆起变形, 解析方法, 开放系统

Abstract:

Considering the engineering design demand， a simple analytical method for calculating soil frost heave deformation of horizontal field under steady-state condition is established based on the nonlinear elastic mechanical model of soil frost heave. Mathematical expression to determine the frost heave of soil element in semi - infinite space body under dead weight is deduced. Also， the prediction methods of soil lifting displacement， soil stress and strain field under different overburden and displacement conditions of horizontal site are proposed. Furthermore， the step-freezing test of Harbin silty clay in open system is carried out， and the reliability of the analytical method for predicting the surface lifting deformation caused by frost heave is verified. Besides， the analytical method is further applied to the evaluation of the frozen site. It can be concluded that the frost heave amount can be used as a main quantitative index to evaluate the frost heave of the site. However， it is still necessary to consider the frost heave sensitivity， the thickness of the frozen soil layer， the initial overburden pressure and the surface temperature.

Key words: frost heave, uplift deformation of the ground surface, analytical methods, open-system

中图分类号:

P642.14

耿琳. 开放系统下冻胀引起地表隆起变形预测的解析方法[J]. 冰川冻土, 2020, 42(2): 540-549.

Lin GENG. Analytic method for predicting uplift deformation of ground surface induced by frost heave in an open-system[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(2): 540-549.

图/表 8

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

参考文献 28

1	Wang Xiaogang， Xing Yichuan， Zhao Jianming， et al. Geotechnical engineering problems associated with construction of water resources projects in western China［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2007， 29（8）： 1129 - 1134.
	汪小刚，邢义川，赵剑明，等. 西部水工程中的岩土工程问题［J］. 岩土工程学报， 2007， 29（8）： 1129 - 1134.
2	Li Siqi， Yang Ping， Zhang Ting， et al. Experimental study on frost heave and thaw settlement properties of silty clay cement - improved soil［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2019. .
	李思齐，杨平，张婷，等. 粉质黏土水泥土冻胀融沉特性研究［J］. 冰川冻土， 2019. .
3	Zhang Xiyan， Sheng Yu， Huang Long， et al. Research status and prospect in tangential heave force［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2019. .
	张玺彦，盛煜，黄龙，等. 切向冻胀力的研究现状及展望［J］. 冰川冻土， 2019. .
4	Sun Chao， Shao Yanhong. Simulation studies of effect in foundation pit cantilever pile of horizontal frost heaving force under negative temperature［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2016， 38（4）： 1136 - 1141.
	孙超，邵艳红. 负温对基坑悬臂桩水平冻胀力影响的模拟研究［J］. 冰川冻土， 2016， 38（4）： 1136 - 1141.
5	Ming Feng， Li Dongqing， Chen Shijie. Research on three - dimensional viscoelastic frost heaving force problem of pile foundation［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2016， 38（3）： 671 - 678.
	明锋，李东庆，陈世杰. 水分迁移对冻土细观结构的影响［J］. 冰川冻土， 2016， 38（3）： 671 - 678.
6	Wu Zhonglun. Analysis of track irregularity and dynamic response for the influence of high speed railway subgrade frost heaving［D］. Beijing： Beijing Jiaotong University， 2015.
	吴仲伦. 高速铁路路基冻胀对轨道不平顺的影响分析及动力响应［D］. 北京：北京交通大学， 2015.
7	Wu Zhen. Experimental study on frost heave properties of high-speed railway subgrade fillings in deep seasonal frozen regions［D］. Shijiazhuang： Shijiazhuang Tiedao University， 2013.
	吴镇. 深季节冻土区高速铁路路基填料冻胀特性试验研究［D］. 石家庄：石家庄铁道大学， 2013.
8	Liu Hua， Niu Fujun， Niu Yonghong， et al. Study of design of filling material and setting anti - frost layer for high - speed railway roadbed in seasonally frozen regions［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2011， 30（12）： 2549 - 2557.
	刘华，牛富俊，牛永红，等. 季节性冻土区高速铁路路基填料及防冻层设置研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2011， 30（12）： 2549 - 2557.
9	JinHuijun， Yu Wenbing， Chen Youchang， et al. （Differential） Frost heave and thaw settlement in the engineering design and construction of oil pipelines in permafrost regions： a review［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2005， 27（3）： 444 - 464.
	金会军，喻文兵，陈友昌，等. 多年冻土区输油管道工程中的（差异性）融沉和冻胀问题［J］. 冰川冻土， 2005， 27（3）： 444 - 464.
10	Xu Jian， Niu Fujun， Niu Yonghong， et al. Analysis on the effect of replacing - soil method on inhibiting frost heave of railway roadbed in seasonal frozen soil region［J］. China Railway Science， 2011， 32（5）： 1 - 7.
	许健，牛富俊，牛永红，等. 换填法抑制季节冻土区铁路路基冻胀效果分析［J］. 中国铁道科学， 2011， 32（5）： 1 - 7.
11	Chen Guodong， Yang Chengsong. Mechanics related with frozen ground in construction of Qinghai - Tibet Railway［J］. Mechanics in Engineering， 2006， 28（3）： 1 - 8.
	程国栋，杨成松. 青藏铁路建设中的冻土力学问题［J］. 力学与实践， 2006， 28（3）： 1 - 8.
12	Lai Yuanming， Wu Ziwang， Zhu Yuanlin. CT analysis of frost damage of the surrounding rocks of a tunnel in the Daban Mountain［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2000， 22（3）： 206 - 210.
	赖远明，吴紫汪，朱元林. 大坂山隧道围岩冻融损伤的CT分析［J］. 冰川冻土， 2000， 22（3）： 206 - 210.
13	Liu Hua， Niu Fujun， Niu Yonghong， et al. Finite element analysis on frozen characteristic of roadbed with exchange filling material in high - speed railway in seasonal frozen ground［J］. Journal of Engineering Geology， 2013， 21（4）： 516 - 524.
	刘华，牛富俊，牛永红，等. 季节性冻土区高速铁路换填路基冻结特征的有限元分析［J］. 工程地质学报， 2013， 21（4）： 516 - 524.
14	Shi Gangqiang， Li Yongqiang. Research on the state of subgrade engineering in permafrost region railway during the early operation［J］. Journal of Railway Engineering Society， 2012， 29（5）： 14 - 17.
	石刚强，李永强. 多年冻土区铁路运营初期路基工程状态研究［J］. 铁道工程学报， 2012， 29（5）： 14 - 17.
15	Lu Zuwen. Overall comments on track technology of high - speed railway［J］. Journal of Railway Engineering Society， 2007， 24（1）： 41 - 54.
	卢祖文. 高速铁路轨道技术综述［J］. 铁道工程学报， 2007， 24（1）： 41 - 54.
16	Harlan R L. Analysis of coupled heat - fluid transport in partially frozen soil［J］. Water Resources Research， 1973， 9（5）： 1314 - 1323.
17	He Ping， Cheng Guodong， Yu Qihao， et al. A couple model of heat， water and stress fields of saturated soil during freezing［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2000， 22（2）： 135 - 138.
	何平，程国栋，俞祁浩，等. 饱和正冻土中的水、热、力场耦合模型［J］. 冰川冻土， 2000， 22（2）： 135 - 138.
18	Mu S， Ladanyi B. Modelling of coupled heat， moisture and stress field in freezing soil［J］. Cold Regions Science and Technology， 1987， 14（3）： 237 - 246.
19	Lai Yuanming， Wu Ziwang， Zhu Yuanlin. Nonlinear analyses for the couple problem of temperature， seepage and stress fields in cold region tunnels［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 1999， 21（5）： 529 - 533.
	赖远明，吴紫汪，朱元林，等. 寒区隧道温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析［J］. 岩土工程学报， 1999， 21（5）： 529 - 533.
20	Li Hongsheng， Liu Zengli， Liang Chengji. Mathematical model for coupled moisture， heat and stress field and numerical simulation of frozen siol［J］. Acta Mechanica Sinica， 2001， 33（5）： 621 - 629.
	李洪升，刘增利，梁承姬. 冻土水热力耦合作用的数学模型及数值模拟［J］. 力学学报， 2001， 33（5）： 621 - 629.
21	Xu Qiang， Peng Gongsheng， Li Nansheng， et al. Numerical method of phase - change field of temperature coupled with moisture， stress in frozen soil［J］. Journal of Tongji University （Natural Science）， 2005， 33（10）： 1281 - 1285.
	许强，彭功生，李南生，等. 土冻结过程中的水热力三场耦合数值分析［J］. 同济大学学报（自然科学版）， 2005， 33（10）： 1281 - 1285.
22	Zhu Zhiwu， Ning Jianguo， Ma Wei. Constitutive model and numerical analysis for the coupled problem of water， temperature and stress fields in the process of soil freeze - thaw［J］. Engineering Mechanics， 2007， 24（5）： 138 - 144.
	朱志武，宁建国，马巍. 土体冻融过程中水，热，力三场耦合本构问题及数值分析［J］. 工程力学， 2007， 24（5）： 138 - 144.
23	Li Ning， Xu Bin， Chen Feixiong. Coupling analysis of temperature， deformation and stress field for frozen soil roadbed［J］. China Journal of Highway and Transport， 2006， 19（3）： 1 - 7.
	李宁，徐彬，陈飞熊. 冻土路基温度场，变形场和应力场的耦合分析［J］. 中国公路学报， 2006， 19（3）： 1 - 7.
24	Mao Xuesong， Li Ning， Wang Binggang. Coupling model and numerical simulation of moisture - heat - stress fields in permafrost embankment［J］. Journal of Chang’an University （Natural Science Edition）， 2006， 26（4）： 16 - 19.
	毛雪松，李宁，王秉纲，等. 多年冻土路基水 - 热 - 力耦合理论模型及数值模拟［J］. 长安大学学报：自然科学版， 2006， 26（4）： 16 - 19.
25	Zhang Y， Michalowski R L Thermal - hydro - mechanical analysis of frost heave and thaw settlement［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2015， 141： 1 - 11.
26	Neaupane K M， Yamabe T， Yoshinaka R. Simulation of a fully coupled thermo-hydro-mechanical system in freezing and thawing rock［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 1999， 36（5）： 563 - 580.
27	Geng Lin. Mechanical model and numeircal prediction on deformation of soil under the action of frost heave［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2016.
	耿琳. 土的冻胀力学模型及冻胀变形数值模拟［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2016.
28	Hamberg D J. Simplified method for predicting heave in expansive soils［D］. Denver： Colorado State University， 1985.

[1]	王飞, 李国玉, 马巍. 多年冻土区输油管道-管周冻土热力相互作用研究进展[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 217-228.
[2]	彭丽云, 华小宁, 刘德欣, 齐吉琳. 秸秆加筋粉土的冻胀特性研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 241-250.
[3]	周华云, 刘广岳, 杨斌, 邹德富, 赵林, 杜二计, 谭昌海, 陈文, 杨朝磊, 文浪, 旺扎多吉, 张浔浔, 肖瑶, 胡国杰, 李智斌, 谢昌卫, 汪凌霄, 刘世博. 长江上游沱沱河源区多年冻土发育特征[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 69-82.
[4]	金豆豆, 张泽, 冯文杰, 王金国, 岳攀, 杨曙光. 电势梯度对冻结黄土电渗效果影响的试验研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 1083-1091.
[5]	李思齐, 杨平, 张婷, 鲍俊安. 粉质黏土水泥土冻胀融沉特性研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 1102-1110.
[6]	肖泽岸, 朱霖泽, 侯振荣, 董晓强. 含NaCl和Na₂SO₄双组分盐渍土的水盐相变温度研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 1121-1129.
[7]	刘世博, 赵林, 汪凌霄, 邹德富, 周华云, 谢昌卫, 乔永平, 岳广阳, 史健宗. InSAR技术在多年冻土区形变监测的应用[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 964-975.
[8]	刘富荣,马巍,周志伟,张淑娟,穆彦虎,何鹏飞. 渠基土在冻融循环作用下的变形和应力变化特征[J]. 冰川冻土, 2021, 43(2): 523-534.
[9]	黄旭斌, 盛煜, 黄龙, 何彬彬, 张玺彦. 季节冻土区扩底单桩受力性能研究进展与展望[J]. 冰川冻土, 2020, 42(4): 1220-1228.
[10]	王铁行, 赵再昆, 金鑫, 郭静静, 梁谊. 考虑荷载影响的黄土冻胀特性研究[J]. 冰川冻土, 2020, 42(4): 1249-1255.
[11]	张玺彦, 盛煜, 黄龙, 黄旭斌, 何彬彬. 切向冻胀力的研究现状及展望[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 865-877.
[12]	杨青, 荣传新. 深部膨胀性黏土层冻结温度场的分布与冻胀力形成规律[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 878-888.
[13]	陈士远, 郑荣跃, 刘干斌, 陈德升. 饱和软黏土中埋地管道冻结模型试验研究[J]. 冰川冻土, 2020, 42(2): 467-478.
[14]	马伟, 谭贤君, 陈卫忠, 周云. 基于扩展有限元方法的裂隙岩体冻胀力理论与数值研究[J]. 冰川冻土, 2020, 42(2): 532-539.
[15]	刘宇航, 李东庆, 明锋. 冰透镜体形成过程中的土体破裂驱动力研究综述[J]. 冰川冻土, 2019, 41(3): 657-668.