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季冻土力学特性及工程测试分析(精) 版权信息
- ISBN：9787030713957
- 条形码：9787030713957 ; 978-7-03-071395-7
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
季冻土力学特性及工程测试分析(精) 本书特色
本书可为从事季冻土研究的科学工作者，以及季冻土工程咨询、设计、施工和维护的工程技术人员提供参考，也可作为土木工程、水利工程、交 通运输工程、地质资源与地质工程等相关专业本科生和研究生的参考书。
季冻土力学特性及工程测试分析(精) 内容简介
本书主要阐述季冻土的力学特性及工程测试分析方法，汇集了作者团队对季冻土工程特性研究的创新成果。全书共7章，内容包括季冻土研究的工程背景，季冻土试验结果离散性分析和制样新标准，季冻土静力特性，季冻土动力特性，季冻土工程现场测试新方法，季冻土路基温度、应力及变形测试新方法应用，季冻土变形数值模拟。光纤光栅、新型传感器、无线数据传输等新技术与岩土工程测试相结合是本书的研究特色。希望本书的研究成果能让更多的专家学者从不同视角了解季冻土，为季冻区工程建设提供技术支撑。 本书可为从事季冻土研究的科学工作者，以及季冻土工程咨询、设计、施工和维护的工程技术人员提供参考，也可作为土木工程、水利工程、交通运输工程、地质资源与地质工程等相关专业本科生和研究生的参考书。
季冻土力学特性及工程测试分析(精) 目录
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 季冻土分布 1
1.2 季冻土工程灾害 2
1.3 季冻区工程建设 4
1.4 季冻土现有测试技术面临的挑战 4
1.5 主要内容 5
参考文献 5
第2章 季冻土试验结果离散性分析和制样新标准 7
2.1 概述 7
2.2 季冻土三轴试验结果离散性问题 7
2.2.1 冻融循环下季冻土三轴试验研究现状 7
2.2.2 冻融循环下试验结果离散性原因剖析 12
2.2.3 常规制样标准下试验结果离散性分析 13
2.3 季冻土三轴试验常规制样方法 16
2.3.1 压样法 16
2.3.2 分层击实法 18
2.4 季冻土三轴试验制样新标准 19
2.4.1 冻融循环下土试样离散性 19
2.4.2 提高季冻土三轴试验结果稳定性的途径 20
2.4.3 基于抗剪强度指标的季冻土三轴试验制样新标准 22
2.4.4 新标准检验 24
2.5 本章小结 27
参考文献 27
第3章 季冻土静力特性 29
3.1 概述 29
3.2 试验方法及常见问题 29
3.2.1 试验方法 29
3.2.2 试验常见问题及解决方法 31
3.3 冻融循环下季冻土强度 33
3.3.1 冻融循环下季冻土应力-应变关系 33
3.3.2 冻融循环下季冻土破坏强度 39
3.3.3 冻融循环下季冻土抗剪强度指标变化模式 41
3.3.4 不同土类抗剪强度指标变化模式对比分析 44
3.3.5 冻融循环下季冻土抗剪强度计算 45
3.4 负温下季冻土强度 47
3.4.1 负温下季冻土应力-应变关系 48
3.4.2 负温下季冻土三轴破坏强度 50
3.4.3 负温下季冻土破坏强度计算公式 52
3.5 本章小结 53
参考文献 54
第4章 季冻土动力特性 55
4.1 概述 55
4.2 循环荷载下季冻土变形 55
4.2.1 季冻土冻结阶段动力试验 55
4.2.2 常温下残余应变增长规律 57
4.2.3 负温下残余应变增长规律 57
4.2.4 负温对残余应变增长规律的影响 58
4.2.5 季冻土振陷模型 60
4.3 冲击型动力荷载 64
4.3.1 冲击型动力荷载概念 64
4.3.2 三轴试验中几种简单的冲击型动力荷载 67
4.4 冲击型动力荷载下季冻土残余应变规律 70
4.4.1 冲击型动应力幅值影响 70
4.4.2 冲击型动应力峰值位置影响 72
4.4.3 冻融循环与冲击型荷载协同作用下季冻土残余应变规律 73
4.5 本章小结 76
参考文献 77
第5章 季冻土工程现场测试新方法 79
5.1 概述 79
5.2 基于蓝牙传感技术的温度测试新方法 79
5.2.1 路基温度测试概述 79
5.2.2 蓝牙温度传感器系统设计 81
5.2.3 传感器抗低温测试 86
5.2.4 温度数据的采集 87
5.3 基于FBG的路基变形测试新方法 87
5.3.1 FBG传感原理 88
5.3.2 路基变形求解公式 89
5.3.3 温度变化影响及温度补偿方法 92
5.3.4 路基变形测试梁设计 98
5.3.5 测试梁标定 100
5.3.6 测试梁在工程现场的应用 101
5.4 本章小结 103
参考文献 103
第6章 季冻土路基温度、应力及变形测试新方法应用 104
6.1 概述 104
6.2 路基温度测试 104
6.2.1 路基中传感器的安装与调试 104
6.2.2 基于两级节点的深层路基温度测试 105
6.2.3 冻融循环下季冻土路基温度分布规律 109
6.3 路基应力、变形测试及分析 112
6.3.1 测试概况 112
6.3.2 路基变形特征 115
6.3.3 考虑冻融循环的季冻土路基变形特征 116
6.3.4 车辆荷载对路基应力及变形的影响规律 124
6.4 本章小结 130
参考文献 130
第7章 季冻土变形数值模拟 131
7.1 概述 131
7.2 三轴试验数值模拟 131
7.2.1 三轴试验数值模拟参数选取 132
7.2.2 网格剖分 132
7.2.3 三轴试验与模拟结果对比分析 133
7.3 冻胀试验数值模拟 137
7.3.1 不同土类的冻胀特性 137
7.3.2 冻胀模拟基本理论 140
7.3.3 冻胀系数选取 143
7.3.4 冻胀系数修正与模拟分析 148
7.4 路基变形数值模拟 151
7.4.1 路基变形数值模拟参数选取 151
7.4.2 路基变形数值模型建立 151
7.4.3 可靠性检验 156
7.4.4 车辆荷载下路基变形模拟分析 157
7.5 路基冻胀数值模拟 160
7.5.1 路基冻胀模型建立 160
7.5.2 冻结温度对路基冻胀的影响 164
7.5.3 全冻结期内的路基冻胀分析 170
7.6 本章小结 177
参考文献 177
彩图
前言
第1章 绪论 1
1.1 季冻土分布 1
1.2 季冻土工程灾害 2
1.3 季冻区工程建设 4
1.4 季冻土现有测试技术面临的挑战 4
1.5 主要内容 5
参考文献 5
第2章 季冻土试验结果离散性分析和制样新标准 7
2.1 概述 7
2.2 季冻土三轴试验结果离散性问题 7
2.2.1 冻融循环下季冻土三轴试验研究现状 7
2.2.2 冻融循环下试验结果离散性原因剖析 12
2.2.3 常规制样标准下试验结果离散性分析 13
2.3 季冻土三轴试验常规制样方法 16
2.3.1 压样法 16
2.3.2 分层击实法 18
2.4 季冻土三轴试验制样新标准 19
2.4.1 冻融循环下土试样离散性 19
2.4.2 提高季冻土三轴试验结果稳定性的途径 20
2.4.3 基于抗剪强度指标的季冻土三轴试验制样新标准 22
2.4.4 新标准检验 24
2.5 本章小结 27
参考文献 27
第3章 季冻土静力特性 29
3.1 概述 29
3.2 试验方法及常见问题 29
3.2.1 试验方法 29
3.2.2 试验常见问题及解决方法 31
3.3 冻融循环下季冻土强度 33
3.3.1 冻融循环下季冻土应力-应变关系 33
3.3.2 冻融循环下季冻土破坏强度 39
3.3.3 冻融循环下季冻土抗剪强度指标变化模式 41
3.3.4 不同土类抗剪强度指标变化模式对比分析 44
3.3.5 冻融循环下季冻土抗剪强度计算 45
3.4 负温下季冻土强度 47
3.4.1 负温下季冻土应力-应变关系 48
3.4.2 负温下季冻土三轴破坏强度 50
3.4.3 负温下季冻土破坏强度计算公式 52
3.5 本章小结 53
参考文献 54
第4章 季冻土动力特性 55
4.1 概述 55
4.2 循环荷载下季冻土变形 55
4.2.1 季冻土冻结阶段动力试验 55
4.2.2 常温下残余应变增长规律 57
4.2.3 负温下残余应变增长规律 57
4.2.4 负温对残余应变增长规律的影响 58
4.2.5 季冻土振陷模型 60
4.3 冲击型动力荷载 64
4.3.1 冲击型动力荷载概念 64
4.3.2 三轴试验中几种简单的冲击型动力荷载 67
4.4 冲击型动力荷载下季冻土残余应变规律 70
4.4.1 冲击型动应力幅值影响 70
4.4.2 冲击型动应力峰值位置影响 72
4.4.3 冻融循环与冲击型荷载协同作用下季冻土残余应变规律 73
4.5 本章小结 76
参考文献 77
第5章 季冻土工程现场测试新方法 79
5.1 概述 79
5.2 基于蓝牙传感技术的温度测试新方法 79
5.2.1 路基温度测试概述 79
5.2.2 蓝牙温度传感器系统设计 81
5.2.3 传感器抗低温测试 86
5.2.4 温度数据的采集 87
5.3 基于FBG的路基变形测试新方法 87
5.3.1 FBG传感原理 88
5.3.2 路基变形求解公式 89
5.3.3 温度变化影响及温度补偿方法 92
5.3.4 路基变形测试梁设计 98
5.3.5 测试梁标定 100
5.3.6 测试梁在工程现场的应用 101
5.4 本章小结 103
参考文献 103
第6章 季冻土路基温度、应力及变形测试新方法应用 104
6.1 概述 104
6.2 路基温度测试 104
6.2.1 路基中传感器的安装与调试 104
6.2.2 基于两级节点的深层路基温度测试 105
6.2.3 冻融循环下季冻土路基温度分布规律 109
6.3 路基应力、变形测试及分析 112
6.3.1 测试概况 112
6.3.2 路基变形特征 115
6.3.3 考虑冻融循环的季冻土路基变形特征 116
6.3.4 车辆荷载对路基应力及变形的影响规律 124
6.4 本章小结 130
参考文献 130
第7章 季冻土变形数值模拟 131
7.1 概述 131
7.2 三轴试验数值模拟 131
7.2.1 三轴试验数值模拟参数选取 132
7.2.2 网格剖分 132
7.2.3 三轴试验与模拟结果对比分析 133
7.3 冻胀试验数值模拟 137
7.3.1 不同土类的冻胀特性 137
7.3.2 冻胀模拟基本理论 140
7.3.3 冻胀系数选取 143
7.3.4 冻胀系数修正与模拟分析 148
7.4 路基变形数值模拟 151
7.4.1 路基变形数值模拟参数选取 151
7.4.2 路基变形数值模型建立 151
7.4.3 可靠性检验 156
7.4.4 车辆荷载下路基变形模拟分析 157
7.5 路基冻胀数值模拟 160
7.5.1 路基冻胀模型建立 160
7.5.2 冻结温度对路基冻胀的影响 164
7.5.3 全冻结期内的路基冻胀分析 170
7.6 本章小结 177
参考文献 177
彩图
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季冻土力学特性及工程测试分析(精) 节选
第1章 绪论 1.1季冻土分布 季冻土一般指冬季冻结、夏季完全融化的土，主要分布于南北半球的高纬度地区，其厚度在北半球从北向南（南半球从南向北）逐渐减小[1， 2]。季冻土早期的定义为“冻结一个季度并保持冻结1～2个夏天的土体、土壤和其他岩石”，认为季节冻结状态是年复一年的定期现象[3]。季冻土在我国分布十分广泛，约占陆地面积的53%，覆盖了黑龙江、吉林、辽宁、北京、天津、河北、山东、河南、山西、陕西、内蒙古、宁夏、甘肃、四川、青海和新疆大部分地区，以及西藏和湖北的部分地区。 受环境影响，季冻土产生周期性的冻结、融化现象，其物理力学性质发生巨大改变，这给工程安全性、稳定性带来了隐患和挑战。冻土和季冻土特殊工程性态的研究一直受到研究者的广泛关注，20世纪30年代，苏联学者崔托维奇发表了世界上**篇关于冻土力学方面的论文，他对冻土力学的发展做出了开创性贡献。1937年，崔托维奇和苏姆金共同撰写了《冻土力学基础》，这是有关冻土力学的**本著作。之后崔托维奇的《冻土力学原理》出版，这一著作被认为奠定了冻土力学的基础。随后，诸多关于冻土的论著相继问世，如《正冻土、正融土和冻土力学原理》《冻土的流变性质及承载能力》《冻土变形研究》《土体蠕变和固结理论问题及其实际应用》《房屋建筑物与永久冻土的热力作用》《冻土研究》《全苏第八届地冰学讨论会资料》等，推动了这一学科的发展。1973 年，《冻土力学》出版，该书全面阐述了冻土力学的基本原理和重要规律，代表了当时国际上的*高水平，也是公认的内容充实、完善的冻土力学著作。1985年，中国科学院兰州冰川冻土研究所张长庆、朱元林将此著作进行翻译，推动了国内冻土研究的发展[3]。 季冻土作为冻土的一种存在形式，由于其特殊的工程特性一直受到国内外学者关注，有关季冻土的研究可大体分为如下几部分。 （1）季冻土试验技术。季冻土试验技术包括试验仪器研发、试验新方法探索、试验技术改进、试验标准确立等。试验技术的发展决定着人们对季冻土工程性质的认知，目前季冻土室内外测试方法在不断发展，但仍不完善，特别是季冻土试验标准的科学性及规范化仍需探讨。 （2）季冻土强度特性。季冻土强度包括冻结阶段的强度和冻融循环下的强度。冻结阶段的强度由温度变化主导，试验结果的可靠性依赖于温控技术的提高。目前，对冻融循环下季冻土强度特性的认识存在较大争议，尤其是对冻融循环下抗剪强度指标的确定还难以达成一致认识，工程应用也因此受到限制。 （3）季冻土变形特性。季冻土在动荷载下的变形及冻胀变形等一直是研究重点。研究动荷载下季冻土的变形特性，应考虑工程背景（如交通车辆荷载等），一个需要关注的问题是以往用于永久冻土的试验工况和试验方法对季冻土能否继续适用，如试验围压和加载应力的选取等。 （4）季冻土现场测试。季冻土现场测试包括温度、应力和变形测试。面对季冻土复杂的测试环境，现场变形动态测试的数据准确性与现场适应性之间存在着矛盾。随着5G时代到来，互联网 + 现场测试必将发挥巨大作用。 （5）季冻土试验及现场测试数值模拟分析。数值模拟分析需要通过室内试验获取关键参数，并结合现场测试结果，来提供可靠的工程问题解决方案。同时，数值模拟还可大大减少试验工作量、提高工作效率。 以上研究内容中，试验是基础性工作，现场测试是理论分析与工程应用之间的桥梁纽带，这两部分内容是本书阐述的重点。 1.2季冻土工程灾害 季冻土的冻结、融化过程会引发一系列工程病害，包括冻胀、融沉、翻浆、路面开裂、边坡滑塌、疲劳破坏等。受温度控制，土中水发生相变，导致土体密度、体积发生变化，力学性能随之改变。同时，水分迁移和重分布会引发季冻土冻胀灾害。在融化过程中，固结排水会导致融沉灾害。在季冻土冻融全过程中，融化期的土强度较弱，大量工程问题在这一敏感时段出现。以交通工程为背景，在车辆荷载作用下，季冻土路基易在春季融化期发生沉陷，导致路面开裂、翻浆等。 例如，建于内蒙古与黑龙江交界处的牙林铁路和嫩林铁路，两项工程投入使用以来，均出现了典型的冻融工程病害[3]。其中，牙林铁路中线（242～440km，长度为198km）共有路基下沉地段183处，累计长度为27.4km，冰锥、冻胀丘共5处，累计长度为170m；牙林铁路西线（潮乌线）有下沉地段42处，累计长度为6.1km，冻害28处共600m；在冻胀、融沉作用下，牙林铁路部分车站房屋开裂破坏比较严重。嫩林铁路共有路基下沉地段133处，累计长度为49.1km，占多年冻土总长度的45.5%，占线路总长度的10%[4]。由于301国道穿越了季冻区，工程灾害频发，其中以道路融沉灾害*为严重，同时，路面翻浆灾害也不鲜见[5]。 图1.1（a）、（b）所示分别为冻融造成的道路灾害典型形式—冻胀和融沉，图1.1（c）、（d）所示分别为冻融造成的其他两种道路灾害典型形式—沉陷和翻浆，图片是作者收集统计及春融期对哈尔滨市区内各大主干道路灾害调查过程中拍摄的[1]。 图1.1冻融灾害的主要表现形式 在多年冻土区及季节冻土区建设的工程设施中都存在不同程度的工程病害，有些还十分严重，如南疆铁路吐库段、青藏铁路（格尔木—拉萨段和环青海湖段）、中俄原油管道（漠河—加格达奇段）、北黑高速公路、吉图珲铁路客运专线、莫斯科—喀山高速铁路等[6-12]。部分工程甚至陷入“坏了就修、修了再坏”的恶性循环怪圈，不仅后续维护支出费用高，也无法保证道路运营安全性和驾乘舒适性。 1.3季冻区工程建设 大战略带动大工程，大工程呼唤大安全。随着国家“一带一路”倡议、东北振兴战略、西部大开发战略等的实施，季冻区的基础设施建设也迎来了大发展，一大批重大工程和重点项目或已启动实施，或在酝酿规划。 “一带一路”倡议中的“设施联通”指的是以公路、铁路、水运等互联互通为代表的交通基础设施建设，对“一带一路”倡议起着先导和支撑作用。而大规模交通基础设施的建设不可避免要与分布广泛的季冻区相交汇，如巴基斯坦喀喇昆仑公路二期项目、匈塞铁路项目、土耳其高速铁路项目、蒙内铁路项目、京莫高铁项目、敦格铁路等[13-16]，这些均部分或全部位于季冻区。 尽管部分冻土工程问题可通过换填、阻断补给水源、冷却地基、改变施工工艺等方式得到适当处置，但季冻土相关工程的系统治理问题仍未得到很好解决。而季冻区工程设计标准问题和施工质量问题是上述工程问题的主因，设计标准问题又与相应技术规范不完备和研究不深入有关，这也是作者对此开展专题研究的初衷。 1.4季冻土现有测试技术面临的挑战 季冻土力学特性的变化受多因素影响，但由温度主导。温度变化可引起土颗粒特性、水的状态发生改变，加之冻融过程中多因素的共同作用，使得整个冻融过程存在许多有待深入研究的工程问题，如负温下土强度的变形特性、冻胀融沉特性、蠕变特性、冻结过程中的水分迁移规律、冻融循环下的强度变化、冻融过程中的静动力特性、现场测试技术等，这些问题的解决依赖于试验技术和方法的发展，也在很大程度上决定了人们对季冻土力学特性的认识。季冻土研究涉及大量的室内、室外试验与测试，其中室内试验包括低温三轴试验、冻融循环三轴试验、动三轴试验、冻胀试验、电阻率试验、计算机断层扫描（computer tomography，CT）试验、压汞试验、超声试验等。室外测试通常为有关季冻土工程地基的温度场、水分迁移场、变形等特性的测试。室内、室外试验可以从不同角度揭示季冻土力学及工程特性，为季冻区工程设计及稳定性分析提供依据。 区别于常规土类，季冻土在冻融循环作用下的特性带来了试验技术上的挑战。在室内试验方面，目前对季冻土力学特性的认识主要依靠三轴试验，而当前季冻土三轴试验无规范可循，只能按常规试验标准进行，制样上的误差导致试验结果离散性较大，工程上难以运用。而进行季冻土三轴试验时，对温控系统、加载系统、围压系统等均有更高的要求。现场测试面临的挑战更大，面对极端温度环境、交通荷载的耦合影响，如何实现季冻土温度、应力和变形的高精度实时测试，也是需要关注和探讨的关键问题。 1.5主要内容 国内在冻土方面的研究已发展了几十年，取得了显著成果并已应用于众多工程。本书总结课题组近年来在季冻土研究方面的阶段性研究成果，以季冻土试验技术改进和现场测试新方法的提出为主要工作思路，在制样标准上实现创新，对季冻土试验技术和试验工况进行必要改进，揭示季冻土静动力特性，提出季冻土温度、变形测试新方法，研发基于无线蓝牙技术的温度传感器、基于光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）的路基变形监测传感器等。同时，结合室内试验获取的季冻土力学相关参数和现场测试结果，模拟季冻土室内三轴试验和冻胀试验，分析实际路基的变形特性和冻胀特性。
季冻土力学特性及工程测试分析(精) 作者简介
孟上九，1971年生，二级教授，博士，博士生导师。现任黑龙江科技大学校长、党委副书记。1994年6月毕业于阜新矿业学院煤田地质专业（本科），1999年6月毕业于中国地震局工程力学研究所岩土工程专业（硕士），2002年6月毕业于中国地震局工程力学研究所岩土工程专业（博士），2003～2005年在河海大学从事岩士工程学科博士后研究工作。之后，一直从事季节冻土力学特性与测试技术、土动力学与岩土地震工程等方向的研究。目前担任教育部土木类专业教学指导委员会委员、中国地震学会工程勘察专业委员会副主任委员、中国煤炭工业协会常务理事、中国岩石力学与工程学会环境岩土工程分会理事、《世界地震工程》期刊副主编等。 先后发表高水平论文50余篇，多数发表在《我国高质量科技期刊分级目录》入选期刊，近20篇论文发表在“2021中国拥有国际影响力学术期刊”（TOP5%）入选期刊。主持国家自然科学基金项目、黑龙江省自然科学基金项目、黑龙江省科技攻关项目等10余项，参与国家高技术研究发展计划（简称863计划）、科技部科研院所社会公益研究专项等项目。2006年获第三届黑龙江省杰出青年科技创新奖，2007年、2009年先后两次获中国地震局防震减灾科技成果奖二等奖，2015年获中国地震局防震减灾科技成果奖一等奖，2016年、2017年先后两次获得黑龙江省科技进步奖三等奖。2009年获黑龙江省高等教育教学成果奖一等奖，2022年获黑龙江省高等教育教学成果奖特等奖。
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