单轴压缩与冻融作用下粉质粘土电阻率特性试验研究

论文摘要

随着我国寒区工程建设项目的增多，冻土的强度与变形问题以及冻胀融沉特性研究成为面临的最重要任务，但是由于冻土的复杂性，现有的冻胀机理相关研究尚不成熟，大多还是研究已冻土和融土物理力学性质差别，缺乏对正冻正融过程的相关研究。本文得到冻土工程国家重点试验室开放基金“冻土冻融过程的细观变形机理和结构性模型研究”的资助，针对青藏铁路北麓河粉质粘土，利用自主研发的电阻率测试设备，结合冻土单轴压缩试验设备和冻融循环试验设备，通过室内单轴压缩试验，系统的研究了单轴载荷下冻土电阻率的变化规律以及电阻率与力学指标间的关系；通过冻融循环过程电阻率试验，对正冻正融土体电阻率特性展开了初步研究。本文所研究内容及获得的结论主要包括以下几个方面：（1）分别用不同电源类型（直流电压、交流电源）、不同电路组成（伏安法、参比电阻法）在不同电压下进行试验，最终确定用10V直流稳压电源伏安法电阻测试方法能满足冻土电阻测试要求，并且通过试验获得了电极与土体间的接触电阻，并提出了真实电阻的修正方法。（2）通过不同干密度、不同含水量、不同温度冻土单轴载荷下电阻率-应力-应变试验研究表明单轴载荷下冻土经历压密、弹性变形、塑性屈服、破裂后四个阶段，诸阶段对应着电阻率变化趋势是减小至最小、电阻率平衡阶段、稳定增加、剧烈增加，并从细观角度上解释了四个阶段的应力应变电阻率机制。研究了冻土温度、干密度及含水量对电阻率的影响规律，建立了电阻率与单轴抗压强度的关系。（3）开展了封闭系统、开放系统下冻融过程电阻率试验，分析了封闭系统与开放系统下电阻率特性的异同性；分别针对冻融循环过程中土体的变形的五个阶段：冷缩、冻结剧增、冻胀稳定发展、融化骤减、完全融化后变形稳定阶段，进行电阻率变化机理研究。（4）通过饱和粉质粘土封闭系统下反复冻融过程电阻率试验表明：每次冻融中冻土电阻率随着冻融次数增加呈指数关系减小，融土电阻率随冻融次数增加呈指数关系增加；每次冻胀量与融沉量随冻融次数的增加而减小，平均干密度随冻融次数增加而增加，并且经过5次冻融循环后冻胀融沉量和干密度均趋于稳定。（5）通过单轴载荷与冻融作用下冻土电阻率特性试验研究表明土体电阻率与应力-应变关系、正冻正融过程以及土体温度的变化具有很好的同步性，说明利用电阻率实时观测的方法研究冻融循环过程、冻融作用对土体结构影响以及载荷作用下土体强度与变形问题是可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 冻土力学性质国内外研究现状
• 1.2.2 冻融作用国内外研究现状
• 1.2.3 岩土介质导电性研究现状
• 1.2.4 冻土导电性及其应用研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 多孔多相介质导电的电学原理
• 2.1 多孔多相介质的概念及其性质
• 2.1.1 多孔多相介质的概念
• 2.1.2 多孔多相介质的性质
• 2.1.3 多孔多相冻土的特性
• 2.2 冻土力场和电场中的电—力比拟
• 2.3 多孔多相介质电阻率模型
• 2.3.1 饱和融土的电阻率模型
• 2.3.2 完全饱和冻土电阻率模型
• 2.4 冻土电阻率影响因素分析
• 2.4.1 土的类型与粘粒含量
• 2.4.2 土体的结构性
• 2.4.3 含水量及孔隙液离子浓度
• 2.4.3 温度
• 2.5 本章小结
• 第三章 冻土电阻率测试系统与测试方法
• 3.1 土的电阻率测试原理与已有测试方法
• 3.2 冻土的电阻率测试装置与测试方法选择
• 3.2.1 电极的选择与制作
• 3.2.2 电源的选择
• 3.2.3 仪器设备
• 3.2.4 接触电阻的修正
• 3.3 本章小结
• 第四章 冻土单轴压缩全过程电阻率及其应力应变特性研究
• 4.1试验土样的物理力学性质
• 4.2试验方案、试验设备与测试方法
• 4.2.1 试验方案设计
• 4.2.2 试验设备
• 4.2.3 测试方法与数据处理
• 4.3 不同温度下冻土单轴压缩应力-应变-电阻率特性分析
• 4.3.1 不同负温下冻土单轴抗压强度特征分析
• 4.3.2 温度对冻土导电性能的影响
• 0与单轴抗压强度关系特征'>4.3.3 初始电阻率ρ₀与单轴抗压强度关系特征
• 4.3.4 基于最大切线模量的冻土温度机敏性能分析
• 4.4 不同干密度冻土单轴压缩应力-应变-电阻率特性
• 4.4.1 干密度对冻土单轴抗压强度影响
• 4.4.2 干密度对冻土导电性能的影响
• 0与单轴抗压强度关系特征'>4.4.3 初始电阻率ρ₀与单轴抗压强度关系特征
• 4.4.4 最大切线模量对于的应力应变随干密度变化关系
• 4.5 不同初始含水量冻土单轴压缩应力-应变-电阻率特性
• 4.5.1 含水量对冻土单轴抗压强度影响
• 4.5.2 含水量对冻土导电性能影响
• 4.5.3 初始电阻率与单轴抗压强度关系特征
• 4.5.4 最大切线模量对应应力应变随含水量变化关系
• 4.6 基于电阻率的冻土单轴受压机敏性能分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 基于电阻率的冻胀融沉特性试验研究
• 5.1 试验设备、试验方案与试验方法
• 5.1.1 试验设备
• 5.1.2 试验方案
• 5.1.3 试验方法
• 5.2 基于电阻率的冻土单次冻融循环试验研究
• 5.2.1 冻融过程电阻率特性
• 5.2.2 冻融过程冻胀融沉变形特性
• 5.2.3 冻融过程土体电阻率与变形量关系
• 5.2.4 冻融过程冻土温度分布及冻融速率特征
• 5.2.5 冻融前后含水量、干密度对比分析
• 5.2.6 基于电阻率的冻结过程土中发生的物理过程分析
• 5.3 基于电阻率的冻土反复冻融试验研究
• 5.3.1 反复冻融过程的电阻率特性
• 5.3.2 反复冻融过程的冻胀融沉变形特性
• 5.3.3 反复冻融前后含水量、干密度对比分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 本文的创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 硕博期间参加的科研项目及发表的论文
• 致谢