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1、冻融循环作用下素土静力学特性研究本科学生毕业论文论文题目：冻融循环作用下素土静力学特性研究学 院：建筑工程学院年 级：2009级专 业：土木工程专业姓 名：小泽哥学 号：200911198指导教师：赵安平 2013 年 05 月 15 日摘要黑龙江省地处我国最北端高纬度区，区内深季节冻土（冻结深度1m）分布广泛，冬冻春融的冻融循环作用引起的路基冻害问题。在冻土地区进行工程建设，就必须深入研究冻土的力学特性，以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性。本文首先，简要介绍了我国冻土的分布状况、冻土的物理力学性质及其对工程的影响和国内外研究现状。由于冻融作用的存在，道路会发生翻浆、路基冻胀或不均匀冻胀、和路

2、基融沉的现象，伴随季冻区内温度的降低，个别寒区道路由于冻胀灾害严重，致使道路鼓包，而阻碍行车安全，在春季消融阶段，冻结的路基土层融化，但不同位置的土层融化时间不尽相同，造成翻浆破坏，是长期困扰该地区公路建设的一个突出问题。因此在冻土地区进行工程建设，必须深入研究冻土的力学特性，以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性。针对黑龙江省季节冻土在冻融循环条件下的主要物理力学性质，进行土样基本性质测试和力学试验研究。试验结果表明：试样经历 6次冻融后，其含水量、干密度、黏聚力、内摩擦角等物理力学性质趋于稳定。土体冻融最终平衡状态与初始状态相关，其中初始干密度的影响尤为重要。随冻融循环过程增加，土体的黏聚力下

3、降，内摩擦角变化较小。所以冻融作用对素土的物理力学性质有明显影响，在春融期的不利季节，素土含水量大处于不稳定状态，是造成季冻区道路破损的主要原因，研究结果可为季冻区道路设计提供技术参数，为养护管理决策提供技术支持，对提高季冻区道路建设质量具有积极意义。关键词冻土；力学性质；冻融作用；研究现状AbstractHeilongjiang province is located in Chinas northernmost high latitude area, zone of deep seasonal frozen soil (frozen depth of 1 m) are widely dis

4、tributed, winter cold melting in the spring of the freeze-thaw cycle effect caused by subgrade frost damage problem. For engineering construction in permafrost regions, it is necessary to in-depth study the mechanical properties of frozen soil, to ensure that the frozen soil foundation on the stabil

5、ity of engineering building. In this paper, first of all, the distribution of the permafrost in China are briefly introduced, the physical and mechanical properties of frozen soil and influence on engineering and research status at home and abroad. Pumping will happen due to the existence of the fre

6、eze-thaw action, road, roadbed uneven frost heaving and frost heave, and the phenomenon of subgrade thawing settlement, with season of freezing zone temperature, cold and individual road due to frost heaving disaster is serious, the road to bulge, and hinder the driving safety, stage of melting in t

7、he spring, frozen subgrade soil melt, but different location of soil thawing time is not the same, pumping damage, long plagued the region highway construction is an outstanding problem. For engineering construction in permafrost regions, therefore, must study the mechanical properties of frozen soi

8、l, to ensure that the frozen soil foundation on the stability of engineering building. In seasonal frozen soil in heilongjiang province under the condition of freezing and thawing cycle, the main physical and mechanical properties of soil basic properties test and mechanics test research. Experiment

9、al results show that the sample after 6 times freeze-thaw, its water content, dry density, cohesion, internal friction Angle of the physical and mechanical properties such as stable. Soil freezing and thawing final equilibrium state associated with the initial state, including the influence of initi

10、al dry density is especially important. With the increase of freeze-thaw cycle, the cohesion of soil, internal friction Angle is smaller. Therefore freeze-thaw effect to grain had significant effect on the physical and mechanical properties of soil, the spring melt period of season, the soil moistur

11、e in large in a state of flux, is a major cause of damage to season frozen area road, the results can provide technical parameters for season frozen area road design, and provide technical support for maintenance management decision-making, to improve the quality of season frozen area road construct

12、ion has positive significance. Key wordsFrozen soil; The mechanical properties; Freeze-thaw action; The research status目录摘要 IAbstract II前言 1第一章 绪论 21.1论文的提出及意义 21.1.1冻土 21.1.2冻土的分布 21.1.3冻土的物理力学性质及其对工程的影响 31.1.4研究背景及意义 31.2国内外研究现状 41.2.1冻土的研究现状 41.2.2冻融的研究现状 41.3本文研究的主要内容 4第二章 基本室内试验 52.1 土的颗粒分析试验 5

13、2.1.1实验目的 52.1.2试验方法 62.2界限含水率试验 132.2.1 试验目的 132.2.2试验方法 132.2.3试验原理 132.2.4试验仪器 132.2.5试验步骤 152.2.6成果整理 162.3击实试验 182.3.1实验目的 182.3.2试验方法 192.3.3轻型击实法 192.3.4实验中的几个问题 212.4本章小结 23第三章 冻融循环试验 233.1实验目的 233.2试验方法 243.3冻融循环过程的实现 253.4冻结与融化时间的确定 253.5本章小结 26第四章 直接剪切试验 264.1验实验目的 264.2试验方法 264.3试验原理（快剪法

14、） 264.4 仪器设备 274.5 操作步骤 284.6成果整理 284.7直接剪切试验中的几个问题 364.8本章小结 37结论 38参考文献 41致谢 42前言黑龙江省地处我国最北端高纬度区，区内深季节冻土（冻结深度1m）分布广泛，大量工程实践表明，早期在冻土区修筑的各种构筑物，包括房屋、道路、桥涵等，都遭受到不同程度的破坏，有的开裂，有的倾斜，有的甚至坍塌。冬冻春融的冻融循环作用引起的冻害问题，是长期困扰该地区建设的一个突出问题。 在黑龙江季节性冻土地区，路基的底基层大部分为素土，在建设初期素土的强度较好，但经过几次冻融作用，强度下降明显，在频繁的荷载作用下，使路面破坏，形成纵、横向裂

15、纹等病害，严重影响行车安全和交通顺畅，工程上迫切需要专门有效的方法来解决这一问题。试验主要包括以下几方面的内容：（1）土样基本性质测试：以研究区细粒土为研究对象，测定其粒度成分、初始含水量、密度、最大干密度，最优含水量液限、塑限等基本指标。（2）力学试验：已有研究表明，素土在最佳含水量下的抗压强度最大，因此以素土为对象，在不同冻结温度下进行冻融循环试验，冻融循环一个周期为24h，冻融循环试验次数(0,3,6,9)，然后进行包括抗剪强度测试、无侧限抗压强度测试，具体内容：素土直剪试验、三轴试验和无侧限抗压强度测试；不同冻结温度冻融循环后（-3，-6，-9）素土直剪试验、三轴试验和无侧限抗压强度测

16、试；不同冻融循环次数(0,3,6,9)后，素土、三轴试验和无侧限抗压强度测试；第一章 绪论1.1论文的提出及意义1.1.1冻土冻土，顾名思义是指一种温度低于 0且含有冰的土岩，是由固体矿物颗粒、理想塑性冰包裹体（胶结冰）、未冻水（薄膜结合水和液态水）、气态成份（水蒸汽和空气）组成的典型非均匀多相颗粒材料。由于冻土中千姿百态冷生构造的存在，宏观上反映为其力学性质的复杂性，致使其物理力学性质强烈依赖于温度。根据冻土存在的时间长短，地球上的冻土大致可分为两类：一类称为多年冻土，两年以上处于冻结状态，只有表层处于夏融冬冻的状态；另一类称作季节冻土，只在地表几米范围那冬季冻结、夏季消融、该层也称作季节冻

17、结层或季节活动层。1.1.2冻土的分布地球上多年冻土的分布面积约占陆地面积的23%，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地。我国冻土主要分为多年冻土和季节冻融土壤，我国的多年冻上面积约2.068，约占陆地面积的21.5% 仅次于前苏联和加拿，大约为美国多年冻土面积的1.48倍，主要分布在东北大小兴安岭、西部高山和青藏高原等地，其中，大小兴安岭的多年冻土又称高纬度多年冻土，其余地区的多年冻土又称高山多年冻土。而季节性冻上主要分布于北纬30以北地区，面积为513.7，约占全国面积的53.5%，因此冻土被认为是一种宝贵的地上资源。季节冻土遍布在不连续多年冻土地区的外围，其南界大致从云南的

18、挖苦河向东北方向沿着横断山脉和喀拉山脉的坡脚，经大巴山南麓向东南绕过四川盆地后，又从湖南的咱果附近向东北方向延伸，直至江苏省连云港附近。此外，在大别山、莱阳山和玉山顶部分也有零星分布。瞬时冻土的南界致与北回归线相一致，此界线以南,除山地外，一般无冻土。1.1.3冻土的物理力学性质及其对工程的影响冻土在冻结状态强度较高、压缩性较低，融化后承载力急剧下降，压缩性提高，地基容易产生融沉而冻土中产生的冻胀对地基不利。一般土颗粒愈细，含水量愈大，土的冻胀和融沉性愈大，反之愈小。在城市道路中土基冻胀量与冻土层厚度成正比不同土质与压实度不均匀也容易发生不均匀沉降。在公路工程建设及运营中，由于冻融作用的存在，

19、道路会发生翻浆、路基冻胀或不均匀冻胀和路基融沉的现象，所以冻融作用对公路建设和运营过程有一定的阻碍作用。个别寒区道路由于冻胀灾害严重，致使道路鼓包，而阻碍行车安全。在春季消融阶段，冻结的路基土层融化，但不同位置的土层融化时间不尽相同，导致融化后的路基土层中过多的水分无法向下渗透，而只能留在该层路基土中，或者向路基路面结构流动，造成翻浆破坏。 图1-11.1.4研究背景及意义 我国有着广泛分布的季节性冻土区域，它的范围遍及长江以北10余省市，大约占全国总土地面积的54%，其冻害给交通运输业及经济建设造成了极大的危害，作为公路工程的重要组成部分，路基强度及稳定性在确保公路的正常使用方面具有重要的意

20、义，在季节性冰冻区，于影响路基稳定的原因更为复杂，路基冻害后造成的损失更为巨大，并且季冻区又缺乏成熟的路基设计和施工经验。试验着手于研究素土经过多次冻融循环后的力学特性变化行为，力求寻找出不同温度下的土在冻融循环后力学特性变化的相同点和不同点，帮助预测季冻区素土的强度变化，这对于季冻区公路的建设具有很强的指导意义，且具备一定的工程可行性。1.2国内外研究现状1.2.1冻土的研究现状冻土是一种特殊土类，一方面它具有一般土的共性，另一方面它又是一种多相复杂体系，并为冰所胶结，具有鲜明的冻土个性。因此冻土区各种工程建筑常常遇到许多由于土中冰的增长或消失而引起的冻胀和融沉现象，导致各种工程建筑的迅速破

21、坏，不但浪费巨额投资，影响建筑物的正常使用，甚至威胁人民生命财产的安全。为此，一些冻土大国，诸如前苏联、加拿大和美国在上世纪纷纷展开了冻土研究工作。前苏联早在上世纪30年代，北美在50年代就已经开始进行冻土力学性质的研究，我国在60年代初也开展了冻土力学的试验研究，并在70年代对冻土的强度和蠕变进行了系统研究。我国已经具备研究解决多年冻土地区不同等级公路建养的关键技术，于2002年7月初立项至2007年2月13日通过鉴定，交通部西部交通建设科技项目“多年冻土地区公路修筑成套技术研究”，为我国季冻区公路建设提供理论和实际地指导，该项目内容涵盖了多年冻土地区公路建设的工程地质、公路病害机理、路基设

22、计与施工技术、路面设计技术、桥涵工程技术、生态环境保护与评价技术、公路养护技术、季节冰冻地区路基路面设计施工技术以及高原职工安全与健康保障技术等。1.2.2冻融的研究现状土的冻融作用是冻土力学与冻土工程中的重要研究课题。在进行冻融作用对土工程性质的影响研究时，则需先对土进行一定方式的冻融，然后对冻融前后的试样进行相应的力学试验分析，以考察土工程性质在冻融前后的变化。虽然目前冻融循环作用改变土物理力学性质这一现象及其重要性已得到了充分重视，但对于其作用机理及其规律性的研究却一直没有关键性的进展，试验成果差异性也较大，这主要是由于不同研究者采用试验方法各不相同，研究成果建立在不同试验条件之上，自然

23、也就导致了研究成果巨大差别。1.3本文研究的主要内容取哈尔滨市有代表性的土样,对其进行不同冻融条件下的冻融循环试验,通过室内实验仪器,测试土样在冻融作用下其物理力学性质变化规律主要研究内容如下： （1）土样基本性质测试：以研究区细粒土为研究对象，测定其粒度成分、初始含水量、密度、最大干密度，最优含水量液限、塑限等基本指标。（2）力学试验：已有研究表明，素土在最佳含水量下的抗压强度最大，因此以素土为对象，在不同冻结温度下进行冻融循环试验，冻融循环一个周期为24h，冻融循环试验次数(0,3,6,9)，然后进行包括抗剪强度测试、无侧限抗压强度测试，具体内容：素土直剪试验、三轴试验和无侧限抗压强度测试

24、；不同冻结温度冻融循环后（-3，-6，-9）素土直剪试验、三轴试验和无侧限抗压强度测试；不同冻融循环次数(0,3,6,9)后，素土、三轴试验和无侧限抗压强度测试；第二章 基本室内试验土样基本性质测试：以研究区细粒土为研究对象，测定其粒度成分、最大干密度，最优含水量液限、塑限等基本指标。2.1 土的颗粒分析试验 颗粒分析就是用试验的方法求出土中小于某种粒径的颗粒所占总土质量的百分数或确定土中各粒组的相对含量。 在施工现场所进的砂、碎石等施工建筑材料，都必须按规定取样送到实验室进行颗粒分析实验，通过试验得以证明所用材料级配是否良好。及级配良好者可以使用；若级配不良，工程就不能使用此材料。这实验项目

25、在工程中是很重要的。2.1.1实验目的 土是由各种大小和形状不同的颗粒所组成，根据颗粒大小划分为若干组，称为颗粒粒组。所谓颗粒组成即颗粒级配，就是土中各种粒径范围的粒组在土中的相对比例，通常用占总质量的百分数来表示。土的粒组组成在一定程度上反映了土的性质，工程上常依据粒组组成对土进行分类，粗粒土主要是依据粒组组成进行分类；细粒土由于矿物成分、颗粒形状及胶体含量等因素，则不能单以粒组组成进行分类，而要借助于塑性图或塑性指数进行分类。颗粒分析实验是测定土中各粒组所占该土总质量的百分数的方法，借以明了颗粒大小分布情况，供土的分类及概略判断土的工程性质。 本试验目的为检测被测区土样的颗粒级配2.1.2

26、试验方法 颗粒分析试验的方法主要有两大类：一是机械分析法，如筛析法；二是物理分析法，如密度计法、虹吸管法（移液管法）等。 筛分法适用于粒径大于0.075mm、小于等于60mm的土、密度计法、虹吸管法（移液管法）适用于粒径小于0。075mm的土。若土中粗细颗粒兼有，则联合采用筛析法和密度计法或移液管法。筛析法 1.试验原理 筛析法是将土样通过各种不同孔径的标准筛，并按筛孔的大小由上至下依次叠好，对颗粒加以筛析，然后再称量筛上土质量，并计算出各个粒组占土总质量的百分数。 2.仪器设备 标准筛：10、5、2、1、0.5、0.25、0.1、0.075mm；天平（称量500g，感量1g）、筛析机、烘干箱

27、、调土皿、瓷盘、毛刷、铁匙等。 3.操作步骤（1）调平天平，左托盘放被称量物，右托盘放砝码。然后称调土皿质量，做好记录。（在天平的右托盘放300g砝码，就可以直接称得试样的质量）（2）从风干松散的土样中，用四分对角取样法按规定数量取试样（如表所示） 四分对角取样法：把试样拌均匀，铺成矩形，用两条对角线把试样分成四份，合并相对角的两部分，根据需要的数量，多次重复进行取样。（3）将取好的试样倒入依次叠好的标准筛最上层（最大孔径）筛内，进行筛析。 注意：盖好筛盖，两手上下托住，直立水平摇晃，或用筛析机进行筛析。（4）筛析10min（土工试验规程规定1015min）后，再按由上而下的顺序将各筛取下，在

28、空瓷盘上用手摇晃轻叩，如有试样漏下，应继续筛析，直至无试样漏下为止。漏下的试样应全部倒入下级筛内，并将筛好的筛上试样称质量，准确至0.1g。注：每级筛上称好的试样，均应做好记录后，再倒回本级筛内，以备试验数据有误时，进行复查之用。（5）各级筛上及盘底内试样质量总和与试样取土质量之差不得大于1%。注：根据土的性质和工程要求可适当增减不同筛径的分析筛。4成果整理（1）小于某粒径的试样质量占总重量的百分比，应按下式计算 X=式中 X小于某粒径的试样占总质量的百分比，%； 小于某粒径试样质量，g； 当细筛分析时或用密度计法分析时所取试样质量（粗筛分析时则为试样总质量），g； 颗粒小于2mm的试样质量占

29、总质量的百分数，在计算粗筛分析时=100%。 （2）绘制颗粒大小级配曲线。以小于某粒径的颗粒质量百分数质量百分数为纵坐标，以粒径（mm）对数为横坐标，绘制颗粒大小级配曲线，求出各粒组的颗粒质量百分比。 （二）密度计法 密度计分为甲种和乙种。甲种密度计读数表示1000mL悬液中的干土重；乙种密度计读数表示悬液比重。两种密度计其制造原理和使用方法并无不用之处。试验原理 密度计法，是将一定量的土样（粒径小于0.075mm）放在量筒中，然后加蒸馏水，经过搅拌使土的大小颗粒在水中均匀分布，当土粒在液体中靠自重下沉时，较大下沉较快，而较小的颗粒下沉则较慢。在土粒沉降过程中，用密度计测出在悬液中对应于不同沉

30、降时间的悬液密度，根据密度计读数和土粒的下沉时间，就可计算出小于某一粒径d（mm）的颗粒占土样的百分数。 2.仪器设备密度计（甲种，如图所示）、细筛、煮沸设备、三角烧瓶500mL、量筒1000mL、搅拌器、六偏磷酸钠（4%）、秒表、温度计等。 3.操作步骤 （1）称质量为30g的风干试样倒入锥形瓶中，勿使土粒丢失，注入200mL的蒸馏水泡过夜。（2）将锥形瓶放在煮沸设备上，连接冷凝管进行煮沸。一般煮沸约1h。（3）将冷却后的悬液倒入瓷杯中，静置1min，将上部悬液倒入筒内。杯底沉淀物用带橡皮头的研杵细心研散，加蒸馏水，经搅拌后静置1min，再将上部悬液倒入量筒。如此反复操作直至杯内悬液澄清为止

31、。当土中大于0.075mm的颗粒估计超过试样总质量的15%时，应将其全部倒至0.075mm筛上冲洗，直至筛上仅留大于0.075mm的颗粒为止。（4）将留在洗筛上的颗粒洗入蒸发皿内，倾去上部的清水，烘干称重量，然后按规程规定进行细筛筛析。（5）将过筛悬液倒入量筒，加4%浓度的六偏磷酸钠约10mL于量筒溶液中，再注入纯水，使筒内悬液达1000mL（对加入六偏磷酸钠后产生凝聚的土，应选用其他分散剂）。（6）用搅拌器在量筒内沿整个悬液深度上下搅拌月1min，往复各约30次，搅拌时勿使悬液溅出筒外，使悬液内土粒均匀分布。（7）取出搅拌器，将密度计放入悬液同时开动秒表。测经1、5、30、120min和1440min时的密度计读数。根据试样情况或实际需要，可增加密度计读数或缩短最后一次读数的时间。（8）每次读数均应在预定时间前1020s将密度计小心放入悬液接近读数的深度，并需注意密度计浮泡保持在量筒中部位置，不得贴近量筒。（9）密度计读数均以弯液面上缘为准。甲种密度计应准确至0.5，乙种密度计应准确至0.0002，每次读数完毕立即取出密度计放入盛有纯水的量筒中，并测定各相应的悬液温度，准确至0.5。放入或取出密度计，应尽量减少对悬液的扰动。（10）如试样在分析前未过0.075mm洗筛，而在密度计第一个读数时，发现下沉的土粒以超过试样总质量的15%时，则应于试验结束后，将量筒中土