分形几何理论在路基土冻胀性分析中的应用
季节冻土区路基土体的冻胀率与热膨胀系数关系分析
季节冻土区路基土体的冻胀率与热膨胀系数关系分析【摘要】在季节冻土地区，路基土体会发生冻胀变形，给寒区工程造成不良的冻害。
因此，对土体冻胀变形的数值模拟显得尤为重要。
而目前采用的数值模拟方法众多，笔者根据土体的冻胀原理与材料的热胀冷缩性质，应用弹性力学里求解温度应力的知识推导土体冻胀率η与热膨胀系数α的数学关系式，并应用有限元软件ANSYS中的结构温度应力模块对此进行验证，计算结果表明二者关系式是可靠的。
给寒区工程路基土体冻胀变形的数值模拟提供了一个直接简便的媒介，可以较好的模拟路基土体冻胀变形。
【关键词】冻土；冻胀率；热膨胀系数；数值模拟1.材料的热胀冷缩与土体的冻胀众所周知材料具有热胀冷缩的性能，在温度发生变化的情况下其体积也会随之发生改变，产生热应变。
在材料的热应变受到约束时不能自由发展就会产生热应力。
而冻土的冻胀变形和材料的热应变有着类似的性质，温度降低的时候，由于水分迁移和原位水的冻结而产生体积膨胀，进而发生冻结应变，当冻结产生的应变受到约束时便会产生冻胀力[1，2]。
只是冻胀应变与材料本身的热胀冷缩应变趋势相反，在季节冻土区，随着温度的降低，土体与周围的水发生热交换，当土体的温度达到土中水的冻结温度时，就会产生冻结。
伴随着孔隙水和迁移水分的结晶成冰，引起土体体积的增大而发生膨胀[3]。
由于冰透镜的形状，进而其体积膨胀一般是各向异性的，不过就目前研究阶段，我们假设冻胀的分布是各向同性的。
则相应的增量形式可以由下式给出：式中dε是dt时间内由冻胀引起的体积膨胀应变。
冻土中的冻胀由两部分组成，一部分是由于原位水冻结而引起的体积膨胀，一部分是由于迁移水冻结而引起的体积膨胀，两部分的体积膨胀可以用下式表示：式中：dw——dt时间内冻土内未冻水含量的减少量。
dwq——dt时间内迁移到冻土内并冻结的迁移量。
温度应力和冻胀力虽然是两种不同形式的应力，各自的机理也不尽相同，但是这两种应力下，均会造成材料结构体积发生膨胀，本文考虑应用这一共性，建立起热膨胀系数α和冻胀率η之间的关系，应用ANSYS中结构温度应力模块模拟土体冻胀。
城市道路路基冻胀破坏预防措施的研究
城市道路路基冻胀破坏预防措施的研究
张健
【期刊名称】《森林工程》
【年(卷),期】2004(020)002
【摘要】通过对冻胀破坏处路基土的取样分析和其他几种土质的冻融实验比较,发现了在寒冷气候条件下城市道路路基冻胀破坏的原因,根据实验确定了相应的预防措施,并应用到实际工程中.
【总页数】2页(P56-57)
【作者】张健
【作者单位】北华大学,吉林,吉林市,132013
【正文语种】中文
【中图分类】U416.168
【相关文献】
1.西部季冻区路基土冻胀破坏机理及防治技术 [J], ;
2.严寒地区路基CFG桩冻胀破坏机理研究 [J], 刘庆军
3.关于城市道路桥梁过渡段路基路面施工要点的研究 [J], 陈天福
4.空地融合的城市道路基础设施数字化技术研究 [J], 王升钊;陈雨人;杨元弢
5.阿拉尔盐渍土路基盐-冻胀破坏机理的研究 [J], 张灵通;李寿宁;罗雪宁;王猛因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
季冻区高速铁路路基基床表层冻胀机理及冻胀控制研究
季冻区高速铁路路基基床表层冻胀机理及冻胀控制研究季冻区高速铁路路基基床表层冻胀机理及冻胀控制研究随着现代交通运输的快速发展，季冻区高速铁路的建设成为各国政府和企业的重点关注领域之一。
然而，在季冻区高速铁路的建设过程中，路基基床表层冻胀问题成为制约工程稳定性和安全性的重要因素。
冻胀是指高含水量土层在低温季节内由于水分的冻结膨胀引起的变形现象。
在季冻区高速铁路建设中，路基基床表层是最容易受到冻胀影响的部位。
因此，研究路基基床表层的冻胀机理及冻胀控制具有重要的工程意义。
首先，了解季冻区高速铁路路基基床表层的冻胀机理是有效控制冻胀的前提。
而冻胀机理主要涉及土壤自身的物理性质和水分的变化。
季冻区高速铁路路基基床表层中的土质通常具有较高的含水量，当水分遇到低温时，就会发生冻结，从而引起土质的膨胀。
膨胀引起的应力和变形会对基床表层造成不可逆损伤，进而影响铁路的稳定性和使用寿命。
因此，准确理解土质的物理性质以及不同含水量和温度条件下的膨胀规律是冻胀控制的关键。
其次，针对季冻区高速铁路路基基床表层冻胀问题，需要进行有效的冻胀控制研究。
其中，可以采取一系列措施来降低冻胀带来的影响。
例如，可以在路基基床表层增加排水系统，以提高土壤的排水性能，减少含水量，并通过预处理措施，如混合填料等，改善土壤的抗冻胀性能。
另外，通过合理设计路基基床的厚度和施工工艺，使得路基基床在受到冻胀作用时能够承受较大的应力，并通过合理的预压措施来减小冻胀带来的变形。
此外，科学监测和预测季冻区高速铁路路基基床表层的冻胀情况也是十分重要的。
可以通过在工程实践中布设监测系统，对路基基床表层的温度和含水量等参数进行实时监测，并通过数学模型和数据分析技术，预测冻胀行为的变化趋势，以便及时采取相应的控制措施。
总之，季冻区高速铁路路基基床表层冻胀机理及冻胀控制研究是一项复杂而重要的工作，对于确保工程的稳定性和安全性具有重要的指导意义。
通过深入研究土质的物理性质和冻胀机理，结合有效的控制措施和科学的监测预测手段，可以有效地降低冻胀带来的不利影响，并为季冻区高速铁路的建设提供技术支持和保障综上所述，冻胀控制是季冻区高速铁路路基基床表层设计与施工中的关键问题。
分形理论及其在混凝土材料研究中的应用
分形理论及其在混凝土材料研究中的应用摘要：改革后，我国的科学技术水平不断进步。
其中，混凝土在其形成和服役过程中表现出了一系列分形的特征。
因而，研究人员将分形理论科学地引入混凝土研究之中。
介绍了分形理论，综合评述了分形理论评价混凝土材料的胶凝材料颗粒特征、集料的表面特征、混凝土孔隙的分形特征、混凝土断裂韧性和断裂能的分形效应、分形理论在混凝土材料声发射中的应用，并提出分形理论在混凝土研究中的应用前景。
关键词：混凝土结构；裂缝；分形理论引言随着对混凝土结构方面技术和认识的进步与提高，人们对裂缝所造成的损伤也更加重视。
由于混凝土塑性收缩及沉降、荷载、钢筋腐蚀等原因，混凝土构件很容易产生裂缝，裂缝的出现不仅使混凝土刚度、强度降低，还会影响其美观性和耐久性。
混凝土是多相复合材料，具有不规则性、非线性等特征，导致混凝土裂缝扩展具有随机性，利用传统损伤力学知识并不能恰当地解决这个问题。
而研究表明混凝土材料各相分布以及裂纹演化均具有自相似性，这是分形理论应用于混凝土结构的基础。
运用分形理论，计算混凝土表面裂纹演化的分形维数，分析分形维数与分级荷载、挠度、最大裂缝宽度、损伤变量、断裂能等之间的关系，可以将其作为一种工程应用的参考依据。
1分形理论简介什么是分形呢?事实上,目前对分形还没有严格的数学定义,只能给出描述性的定义。
粗略地说,分形是对没有特征长度(所谓特征长度,是指所考虑的集合对象所含有的各种长度的代表者,例如一个球,可用它的半径作为它的特征长度。
)但具有一定意义下的自相似图形和结构的总称。
曼德尔布罗特最先引入分形(fractal)一词,意为破碎的,不规则的,并且曾建议将分形定义为整体与局部在某种意义下的对称性的集合,或者具有某种意义下的自相似集合;他也曾给出一个尝试性的定量刻画,说分形是豪斯道夫维数严格大于其拓扑维数的集合。
但是所有这些定义都不够精确、不够全面。
英国数学家Falconer在其著作《分形几何的数学基础及应用》一书中认为,分形的定义应该以生物学家给出的“生命”的定义的类似方法给出,即不寻求分形的确切简明的定义,而是寻求分形的特性,将分形看作是具有如下所列性质的集合F:1)F具有精细结构,即在任意小的比例尺度内包含整体;2)F是不规则的,以至于不能用传统的几何语言来描述;3)F常具有某种自相似性,或许是近似的或许是统计意义下的;4)F在某种方式下定义的“分维数”通常大于F的拓扑维数;5)F的定义常常是非常简单的或许是递归的。
膨胀土的工程特性胀缩性超固结裂隙.
1、膨胀土的定义膨胀土是在自然地质过程中形成的一种具有多裂隙和显著胀缩特性的特殊性粘土。
膨胀土是一种对于环境变化，特别是对于湿热变化非常敏感的土，其反映是发生膨胀和收缩，产生膨胀压力。
2、膨胀土的主要物理力学特征⑴粒度组成中，通常黏粒（d＜2μm ）含量不大于30%.⑵粘土矿物成分中，伊利石和蒙脱石等亲水性矿物占主导地位。
⑶土体湿度增高时，体积膨胀并形成膨胀压力；土体干燥失水时，体积收缩并形成收缩裂缝，反复的干缩湿胀，使土中的裂隙发育，不仅破坏土体的连续性和完整性，而且也形成了地表水浸入的通道，同时水的浸入又加速了土体的软化及裂隙生成。
（裂隙性）⑷膨胀、收缩变形可随环境变化往复发生，导致土的强度衰减。
（强度衰减性）⑸多数属于液限大于50%的高液限土。
⑹超固结性：膨胀土在沉积过程中，在重力作用下逐渐堆积，土体将随着堆积物的加厚而产生固结压密。
由于自然环境的变化和地质作用的复杂性，土在自然界的沉积作用并不一定都处于持续的堆积加载过程，而是常常因地质作用而发生卸载作用。
膨胀土在反复胀缩变形过程中，由于上部荷载（土层自重）和侧向约束作用，土体在膨胀压力作用下反复压密，土体表现出较强的超固结特性。
这种超固结与通常的剥蚀作用产生的超固结机理完全不同，是膨胀土由于含水率变化引起的膨胀压力变化产生的，是膨胀土特有的性质。
3、工程建设中的膨胀土问题⑴在天然状态下，膨胀土通常强度高，压缩性低，在地面以下一定深度取样时难以发现宏观裂纹。
但一旦在大气中暴露，含水率发生变化时，很快出现大大小小的裂纹，土体结构迅速崩解，透水性不断增加，强度迅速减小直至为零。
膨胀土边坡在极缓的情况下发生滑动。
“逢堑必滑，无堤不塌”。
“晴天一把刀，雨天一团糟”、“天晴张大嘴，雨后吐黄水”是膨胀土强度特性和胀缩性规律的高度写照。
⑵膨胀土素土作为堤坝回填土时，因其干密度与含水率关系非常密切，很难压实，压实质量难以控制。
若碾压质量不好，在运行过程中，填土含水率增加时土体极易产生膨胀变形，含水率降低也会在土体中产生干缩裂隙，使土体渗透性变化，外界水分极易进入。
路面材料中分形理论的应用
路面材料中分形理论的应用近年来，分形几何理论对于研究者探索自然界中不稳定、不规则的未知现象逐渐成为重要的突破途径，其应用的范围也由复杂的理论研究渗透到各个不同学科领域，如物理、化学、生物与医学、地质与地理学、计算机科学、材料科学甚至经济学、人文社科学。
而作为路面材料工程科学研究者们已经开始关注分形几何理论在揭示材料常见的粗糙、凹凸、破碎等无序系统的本质的优越性。
传统的欧式几何无法准确的阐述固体材料复杂无序事物的本质，而目前分形几何理论已经对沥青混合料中的微观结构分析、集料颗粒表面均匀性分析、集料级配曲线分析以及体积特性分析等方面发挥了很大作用。
1分形理论1.1定义分形作为非线性科学的一个分支，没有严格的定义，但它具有非线性领域的主要特征，即随机性和复杂性。
客观的某种规律支撑起复杂的现象，分形理论作为一种科学而前沿的技术手段，使我们从另一个角度探究出隐藏在复杂现象背后的某种规律，概念新颖，深入透彻的揭示局部与整体之间内在的关系。
1.2分形理论的两大重要原则（1）自相似原则通常指不同时间或空间中某些结构或者过程都是相似的，也可以表征某些系统或者过程的局部与整体性质的相似，甚至完全相同。
[1]自相似分形通常分为有规分形和无规分形，其中有规分形要求局部与整体之间相似性非常严格，类似无穷迭代而成的结构形式，是一种标准的自相似；而无规分形是满足近似相似或统计意义上的自相似，自然界中无规分形是普遍存在的。
因此，相对于有规分形，无规分形只是一种近似相似或者在统计范畴内相似。
（2）无标度原则无标度原则又称伸缩对称性，指对象的形状不随着观察尺度的变化而变化，也就是说无论图形分形到何种程度，表现出来的都是相同的复杂程度，使得从任何尺度都可以观察出图形的细节。
同时，无标度区是分形尺度关系成立的范围，所以超出这个无标度区就不再是分形结构。
1.3分形维数整数维是用来描述欧式几何中的对象，分形维数则是描述分形的重要指标。
分形维数与欧使几何的整数维之间有一定关系，并不是独立的，对于传统整数维尺度测量无果的对象，需要采用非整数维的尺度才能准确描述其复杂程度的分形维数。
分形理论在工程地质中的应用
分形理论在滑坡预测预报中的应用1967年，法裔美国科学家 Mandelbrot 研究海岸线的长度后指出海岸线不能用常规尺度来度量，提出了分维数的概念。
经过众多学者不断修正，认为分形是具有下列性质的集： (l)具有精细结构；(2)传统的几何语言不能描述其整体与局部上的不规则性；(3)具有统计意义上的某种自相似的形式。
(4)一般而言，分形维严格大于拓扑维；(5)该集常可由较为简单的方法来定义，可由迭代产生。
(6)分形不能用通常的测度来量度，如长度、面积、体积等。
分形测量的基本方法是改变粗视化程度的方法。
应用不同的尺度去度量目标，对目标描述的粗细程度就不同。
常用的尺度有圆和球、线段和正方形、立方体等具有特征长度的基本图形。
以最简单的曲线为例（图1左侧），以线段ε作为基准尺度，把曲线的一端作为起点，以该点为中心做一个半径为ε的圆，圆与曲线相交于至少一点上。
取其中一点做为起点，重复画圆的操作，反复进行直到圆将曲线全部包含在内。
最后计算圆的总数并记为)(εN 。
若基准长度ε变小，则)(εN 增加。
将不同长度所对应的双对数)(ln εN 、εln 分别作为X 、Y 坐标上的点，对其中的直线部分进行线性拟合，所求得的斜率就是该曲线的分形维数。
图1首先必须确定研究对象在什么尺度范围内具有分形性质。
从定义而言，分形维恒大于拓扑维。
即点、线等一维对象，其分形维大于1，面积的分形维大于2，而体积的分形维必大于3。
在实际计算过程中，有时出现分形维小于拓扑维的情况，这是因为量测尺度超出了范围，而只有在这特定的范围内研究对象才具有分形性质。
此时必须调整量测尺度，使同类研究对象在相同的尺度范围内均具有分形性质，才可以进行对比分析。
应用分形理论对滑坡进行预测预报，在群体滑坡与单体滑坡两方面应当区别应用。
由于研究对象不同，其系统所具有的规律相异，所对应的分维值的变化趋势也大相径庭。
（1）群体滑坡分形理论的根本出发点是局部与整体的相似性。
分形几何学在公路网规划中的应用
般的几何体 ， 都可 以用线 、 、 面 体来描述 ， 乃至
突破 ， 形成了较为完善的理论体系 ， 比较有代表性的
是 借鉴 国内外 的“ 四阶段 法 ”“ 量控 制法 ” 、总 以及 “ 交 通 区位 法 ” 。 是这 些 理论 方法 仍然 在进 一 步发 展 等 但 完 善 中 ，很 多从 事公 路规 划 的专 家和 学者 正在 为之
【 关键词 】 公路 网 分形几何 学 规划 应用
网规 划 的论 证 分析 ， 以推 进 “ 分形 几 何 学 ” 路 网规 在
划 中的应 用 。 ２ 分 形基础 简 介
一
１ 前 言
公路 网规划 作 为公路 建设 前 期工 作 的重要 组成 部 分 ， 过多 年 的实践 、 究 ， 论在 理 论 方 法 上还 经 研 无 是 在 实际 中 的应 用 上都 有较 大 的发 展 ，特 别 是经 过 全国３ ０年路 网规划 的制 定 ， 在理 论上 取得 了较 大 的
究， 但仅限于概念 的提 出， 在具体 的规划工作 中也 没有深人应用 。为此 ， 本文通过对吉林省县域公路
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问题 ， 仍然是一项长期而艰巨的任务 。
（ 收稿 日期 ：０ ００ ． ） ２ １ ．３ ｏ ３
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２ １ 年第 ２ ００ 期
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１ ６
李 海艳等 ： 形几何 理论 在路 基 土冻胀 性分析 中的应 用 分
２１ ０ １午第 １ 期
提供 了有 利 的依据 。
２ 土体 微观 结构 的分 形特 征研 究
的工 程性 质实 际上 是土 微观结 构单 元体 性质 的综合 表现 ，结 构单 元体 的性 质在很 大程 度上 取决 于土 粒 集合 体甚 至于 更小 的单 粒矿 物 的性 质 ，即他 们之 间 存在 着层 次性 和 自相似性 。因而 可 以通 过分 形几何 学 的理论 和方 法分 析和 解决岩 土体 微结 构形 态 的一 些不 确定性 问题 ，在定 量意义 上探 讨其 ］ 程地 质性 二
浑沌体 划分 出 ｎ个分维 数 的结 构层 次 。
可 以看 出 ，分形几 何的功 能在于它 能够用 分维 数来 描述 表面 上杂乱无 章 ，而实际上存 在多层 次 自 相 似性 的分形体 ，它可 将不 同尺度 的结 构层次 划分 出来 ， 给予定量 描述 。这 样 ， 可 以通 过对各层 次 并 就 结构 定量描 述指标 与宏 观力学指标 之 间相关性 的分
的研 究 。
图 １ 中 国 冻 土分 布 图
土 的微 观 结构 是 复杂 自然 环境 的综合 产物 ， 土 的工 程性质实 际上是 土微观结 构单元 体性质在很 大程度 上取决于 土粒 集合体甚 至于更小 的单粒 矿物 的性质 ，即它们 之间
吉林 交通科技 ２ １ 年第 １ ０１ 期
Ｓ Ｉ ＮＣ Ｃ Ｅ Ｅ ＡＮＤ Ｔ Ｃ Ｅ ＨＮＯ ＯＧ ＯＦ ＪＩ Ｎ Ｃ Ｌ Ｙ ＩＪ ＯＭＭＵＮＩ Ｔ ＯＮＳ Ｉ ＣＡ Ｉ
分 形 几何 理论在 路基 土 冻胀性 分 析 中的应 用
李海艳
吉林市城 园设 计 院有限责 任公 司（ 吉林
一
２１ 土体 结构 参数 分维计 算 方法 的研究 ． 土体结 构参 数分 维 的计算 方 法研究 已经 取得 了 定 成果 。胡瑞 林 等利用 土体 微结 构 图像 分 析计算
部分 时 的集合 ， 是一 致 的集合 。 即整 体是 一些 小 型 亦 集合 的 和集合 。所 谓统 计 的 自相 似性 是指 在某 有 限
些 不确定性 问题 ，在定量 意义上 探讨其工 程地质 性 质 的 内在规 律 。 １ 分形几何 理论 简介
由于 Ｍａｄ ｌｒｔ ｎ ｅｂｏ 的创导 和发展 ，分形几 何学 已 经成 为一 门热 门学科 。分形 、分维 的概念 出现在工
不规则 的分形 体 （ 浑沌 体 ）分 维数存 在分 段 区间 ， ， 在 每个 区间 内（ 尺度 范 围 ） 自相 似 性 ， 个 区 间 ， 具 Ｉ １ 可将
质 的内在 规律 。
２１ 土体 结构 的 自相似性 ． 确定 土体 微观结 构 单元 体及 孑 隙是否 具有分 形 Ｌ
特征 ，即 自相 似性 是进 行土体 微 观结 构分 形研究 的
前提 。
自然界 的 自相 似现 象 主要有 两类 ：即普遍 的 自 相 似和统 计 的 自相 似 。所谓 普遍 的 自相似 是指 在某 有 限的集 合 中 ，观 察小 的部 分 的集合 和观 察较 大 的
冻 区填筑 土微 观 结构 中， 算土体 微观 结构状 态的 分维指 标 ， 出样 品深度 与 分维数 有较 好 的线性 关 系， 计 得 并 与定 向分维数 呈 负相 关性 ， 此路段 不 易发 生公 路 冻胀 现 象。 故
【 关键词】 分形几何 微观结构
分维
前 言
我 国季冻 区分 布面积 为 ５ ３ ｘ Ｏｋ Ａ ７ ｌ６ｍ ，约 占全 国国土面积 的 ５ ％（ 图 １ 。 而 ， 冻 区的公 路路 ４ 如 ）然 季 基 常 出现冻 胀 、 浆 、 翻 融沉 等 破 坏现 象 ， 与填 筑土 这 的基本性 质有 直接联 系 。国内外对季冻 区填筑 土 的
的随机集 合 中 ，小 比例 尺集合 的分布 和大 比例 尺集
机系 统对 土 的微观结 构 图像进 行处 理分 析 ，得 到粒
度分 维（ 、 Ｄ 颗粒 分布 分维 （ｐ 、 面起伏 分 维 （ 、 Ｄｄ 表 ） Ｄ）
孑 径 分 维 （ 、 隙分 布分 维 （ 、 触 带 分 布 分维 Ｌ Ｄ ）孔 Ｄ 接 （ 以及 颗粒 定 向分维 （ Ｄ Ｄ ） 结 构参数 的分 维 。这 ７种 几种 结构参 数分 维算 法 见表 １ 。
存在着层 次性 和 自相似性 。因而可 以通过分形 几何
学 的理论 和方法分 析和解 决岩 土体微结构 形态 的一
所 谓 自相 似 性 ， 简单地 说 就是 局 部 （ 部分 ） 与整 体在形 态 、功能 和信 息等方 面具有 统计 意义上 的相
似性 。 于规 则 的分形体 ， 对 其分维数 Ｄ 是 一常数 ， ｒ 对
程学 、 生理学 、 济学 等许 多领 域 中 。Ｍａ ｄ ｌ ｏ 给 经 ｎ ｅ ｒｔ ｂ 出 了分维 的定义 ： 于某 一 图形 （ 对 或现 象 ）按某 种尺 ，
度 ｓ可分 为 Ｎ（） 各 自相 似 ， 与 整个 图形 相 似 的 ｓ个 且
部分 ， 这个 图形 的分维 为 ：
析 ， 判断在 具 多重尺度 的浑沌体 中 ， 层次结构 对 来 各 宏观力 学性质 的相对 影 响程度 ，为宏 观力 学的分 析
温度 、 梯度及 其变 化 、 温度 地下水 位 以及 压力等 的研 究较多 ， 利用分 形几何 理论对该 土 的分 析较少 。 但 本 文对 分 形几 何理 论做 以介 绍 ，然 后 以 长春 一 四平某 路 段的路 基填筑 土做研究对 象 ，从 土体微 观理论 的
角度 出发 ，应 用分形 几何对 季冻 区填 筑土进 行相应
上 宫 云龙
长春 １２ １ ） 吉林省交 通科学 研究 所（ ３ ０ ３ １０ １ ） ３０２
【 内容摘要 】 近年来， 季冻区路基冻害一直困扰着东北地区的道路建设 ， 而随着分形几何理论的飞速 发展 ， 为土体微结构研究开拓 了新的思路 。本文对分形几何理论做 了简要的介绍， 将分形几何理论应用到季