凍融循環(huán)下粉質砂土力學性質及本構模型研究.pdf

1、季節(jié)性凍土區(qū)在我國分布廣泛，占我國國土面積的54％左右。在寒區(qū)工程中，溫度的季節(jié)性變化會引起路基土體發(fā)生周期性地凍結和融化。寒冷季節(jié)，當土體溫度達到凍結溫度時，土體會發(fā)生凍結，體積增大，導致地表發(fā)生不均勻上升，產(chǎn)生凍害;而在暖季，凍結的土體融化，其體積減小，同時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。在反復凍融之后，路基土體的物理力學性質會發(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、力學性質指標受凍融作用的影響。因此，對土體在凍融循環(huán)下力學性質的影響因素及變化規(guī)律的研究，在季凍區(qū)的工程建設中具有重要的意義。
　　本文以青藏粉質砂土為研究對象，在總結國內外相關研究現(xiàn)狀的基礎上，通過室內試驗、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、破壞強度、抗剪強度參數(shù)以及應力-應變關系型式的變化規(guī)律。同時，基于室內試驗結果，分析了粉質砂土在凍融作用下屈服

3、面以及強度特性的演化規(guī)律，建立了考慮剪切屈服和體積屈服的雙屈服面本構模型，為季凍區(qū)路基土體力學性質指標變化規(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方面:
　　(1)對不同圍壓、不同環(huán)境冷卻溫度、不同凍融循環(huán)次數(shù)下的粉質砂土進行不固結不排水三軸剪切試驗(UU試驗)，分析了凍融后土體的應力-應變關系型式及力學參數(shù)，如模量、破壞強度、抗剪強度參數(shù)的變化規(guī)律。結果表明:在不同凍融循環(huán)次數(shù)下，粉質砂土的力學性質指標的變化較為明顯，

4、其模量及破壞強度在經(jīng)歷7～9次凍融循環(huán)后達到極小值。環(huán)境冷卻溫度的影響較弱，且無一定規(guī)律。同時，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破壞強度、模量以及抗剪強度參數(shù)影響的顯著性強弱。得出凍融循環(huán)次數(shù)和圍壓對力學參數(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。當考慮交互作用時，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力學參數(shù)均有較顯著的影響。
　　(2)基于室內

5、UU試驗結果，在圍壓較低時，未凍融及經(jīng)歷較少次凍融循環(huán)的粉質砂土表現(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化成硬化型;在圍壓較高時，未凍融及凍融以后的粉質砂土都表現(xiàn)出應變硬化的特征，其應力-應變關系曲線為典型的雙曲線?；趦鋈谘h(huán)下粉質砂土的應力-應變關系，建立了考慮不同歸一化因子的歸一化應力-應變關系，并給出了相應的歸一化條件。所建立的應力-應變歸一化方程，能考慮不同圍壓及不同凍融循環(huán)次數(shù)的影響

6、，對應力-應變曲線進行預測，其試驗值與擬合值較為接近，預測效果較好。
　　(3)進行環(huán)境冷卻溫度-5℃、室溫20℃下融化，不同凍融循環(huán)次數(shù)及圍壓下飽和粉質砂土的固結排水三軸剪切試驗，研究了凍融循環(huán)下青藏粉質砂土屈服及強度特性的變化規(guī)律。結果表明:粉質砂土的應力-應變關系均為應變硬化型，凍融循環(huán)未改變粉質砂土的應力-應變型式。未凍融及凍融后粉質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原點的線性函數(shù)進行描述，體積屈服函數(shù)及

7、剪切函數(shù)與塑性應變和凍融循環(huán)次數(shù)的關系可用相應的函數(shù)形式進行表示。其抗剪強度隨著法向應力的增大而增大，隨著凍融循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。根據(jù)不同凍融循環(huán)次數(shù)下粉質砂土強度隨法向應力的變化規(guī)律，指出可用線性莫爾-庫侖準則來描述其強度特性。
　　(4)基于青藏粉質砂土在凍融循環(huán)下的常規(guī)三軸固結剪切試驗結果，通過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模型。對于剪切和體積硬化特性，建立了與塑性應變及凍融

8、循環(huán)次數(shù)相關的硬化參數(shù)，且均采用了非相關聯(lián)的流動法則。所提出的雙屈服面本構模型能夠很好地反映土體的應力-應變特性，模型計算值與試驗值較為吻合，該模型能較為準確地預測不同圍壓及不同凍融循環(huán)次數(shù)下的應力-應變關系曲線，較好地反映凍融循環(huán)對粉質砂土力學性質的影響。
　　(5)對基于室內試驗結果所建立的考慮凍融循環(huán)影響的粉質砂土雙屈服面本構模型進行了差分方程的推導，并基于VC++語言進行編譯，在FLAC3D中進行了模型的二次開發(fā)。對不同應