凍融循環(huán)下粉質(zhì)砂土力學(xué)性質(zhì)及本構(gòu)模型研究.pdf

1、季節(jié)性凍土區(qū)在我國(guó)分布廣泛，占我國(guó)國(guó)土面積的54％左右。在寒區(qū)工程中，溫度的季節(jié)性變化會(huì)引起路基土體發(fā)生周期性地凍結(jié)和融化。寒冷季節(jié)，當(dāng)土體溫度達(dá)到凍結(jié)溫度時(shí)，土體會(huì)發(fā)生凍結(jié)，體積增大，導(dǎo)致地表發(fā)生不均勻上升，產(chǎn)生凍害;而在暖季，凍結(jié)的土體融化，其體積減小，同時(shí)在外荷載作用下融化的孔隙水排出，產(chǎn)生融化壓縮現(xiàn)象。在反復(fù)凍融之后，路基土體的物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，影響季節(jié)性凍土區(qū)路基的工程特性。在季凍區(qū)路基的變形及穩(wěn)定性分析中，必須考慮土體

2、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)受凍融作用的影響。因此，對(duì)土體在凍融循環(huán)下力學(xué)性質(zhì)的影響因素及變化規(guī)律的研究，在季凍區(qū)的工程建設(shè)中具有重要的意義。
　　本文以青藏粉質(zhì)砂土為研究對(duì)象，在總結(jié)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析以及數(shù)值模擬等手段，考慮了環(huán)境冷卻溫度、凍融循環(huán)次數(shù)以及圍壓等因素的影響，研究了凍融循環(huán)作用下土體的模量、破壞強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度參數(shù)以及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系型式的變化規(guī)律。同時(shí)，基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，分析了粉質(zhì)砂土在凍融作用下屈服

3、面以及強(qiáng)度特性的演化規(guī)律，建立了考慮剪切屈服和體積屈服的雙屈服面本構(gòu)模型，為季凍區(qū)路基土體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)變化規(guī)律的研究提供一定的依據(jù)。主要研究成果包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)對(duì)不同圍壓、不同環(huán)境冷卻溫度、不同凍融循環(huán)次數(shù)下的粉質(zhì)砂土進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)(UU試驗(yàn))，分析了凍融后土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系型式及力學(xué)參數(shù)，如模量、破壞強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明:在不同凍融循環(huán)次數(shù)下，粉質(zhì)砂土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的變化較為明顯，

4、其模量及破壞強(qiáng)度在經(jīng)歷7～9次凍融循環(huán)后達(dá)到極小值。環(huán)境冷卻溫度的影響較弱，且無(wú)一定規(guī)律。同時(shí)，基于顯著性分析理論，研究了圍壓、凍融循環(huán)次數(shù)、冷卻溫度以及各因素間的交互作用對(duì)破壞強(qiáng)度、模量以及抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響的顯著性強(qiáng)弱。得出凍融循環(huán)次數(shù)和圍壓對(duì)力學(xué)參數(shù)有比較顯著性的影響，而環(huán)境冷卻溫度影響的顯著性較弱。當(dāng)考慮交互作用時(shí)，凍融循環(huán)次數(shù)和圍壓以及凍融循環(huán)次數(shù)和環(huán)境冷卻溫度之間的交互作用對(duì)力學(xué)參數(shù)均有較顯著的影響。
　　(2)基于室內(nèi)

5、UU試驗(yàn)結(jié)果，在圍壓較低時(shí)，未凍融及經(jīng)歷較少次凍融循環(huán)的粉質(zhì)砂土表現(xiàn)出一定的軟化性，但軟化程度較弱;而經(jīng)歷一定次數(shù)的凍融循環(huán)后，其逐漸由弱軟化型轉(zhuǎn)化成硬化型;在圍壓較高時(shí)，未凍融及凍融以后的粉質(zhì)砂土都表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特征，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線為典型的雙曲線?；趦鋈谘h(huán)下粉質(zhì)砂土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，建立了考慮不同歸一化因子的歸一化應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并給出了相應(yīng)的歸一化條件。所建立的應(yīng)力-應(yīng)變歸一化方程，能考慮不同圍壓及不同凍融循環(huán)次數(shù)的影響

6、，對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行預(yù)測(cè)，其試驗(yàn)值與擬合值較為接近，預(yù)測(cè)效果較好。
　　(3)進(jìn)行環(huán)境冷卻溫度-5℃、室溫20℃下融化，不同凍融循環(huán)次數(shù)及圍壓下飽和粉質(zhì)砂土的固結(jié)排水三軸剪切試驗(yàn)，研究了凍融循環(huán)下青藏粉質(zhì)砂土屈服及強(qiáng)度特性的變化規(guī)律。結(jié)果表明:粉質(zhì)砂土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均為應(yīng)變硬化型，凍融循環(huán)未改變粉質(zhì)砂土的應(yīng)力-應(yīng)變型式。未凍融及凍融后粉質(zhì)砂土的體積屈服面和剪切屈服面均可分別用橢圓型曲線和過(guò)原點(diǎn)的線性函數(shù)進(jìn)行描述，體積屈服函數(shù)及

7、剪切函數(shù)與塑性應(yīng)變和凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系可用相應(yīng)的函數(shù)形式進(jìn)行表示。其抗剪強(qiáng)度隨著法向應(yīng)力的增大而增大，隨著凍融循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)。根據(jù)不同凍融循環(huán)次數(shù)下粉質(zhì)砂土強(qiáng)度隨法向應(yīng)力的變化規(guī)律，指出可用線性莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則來(lái)描述其強(qiáng)度特性。
　　(4)基于青藏粉質(zhì)砂土在凍融循環(huán)下的常規(guī)三軸固結(jié)剪切試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)引入模量殘余比和凍融循環(huán)次數(shù)，建立了考慮凍融循環(huán)影響的雙屈服面本構(gòu)模型。對(duì)于剪切和體積硬化特性，建立了與塑性應(yīng)變及凍融

8、循環(huán)次數(shù)相關(guān)的硬化參數(shù)，且均采用了非相關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則。所提出的雙屈服面本構(gòu)模型能夠很好地反映土體的應(yīng)力-應(yīng)變特性，模型計(jì)算值與試驗(yàn)值較為吻合，該模型能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同圍壓及不同凍融循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，較好地反映凍融循環(huán)對(duì)粉質(zhì)砂土力學(xué)性質(zhì)的影響。
　　(5)對(duì)基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果所建立的考慮凍融循環(huán)影響的粉質(zhì)砂土雙屈服面本構(gòu)模型進(jìn)行了差分方程的推導(dǎo)，并基于VC++語(yǔ)言進(jìn)行編譯，在FLAC3D中進(jìn)行了模型的二次開(kāi)發(fā)。對(duì)不同應(yīng)