冻土宏细观力学性质与路基变形细观机理

发布时间：2020-06-08 15:00

【摘要】：在我国冻土区内广泛分布着铁路、公路、输油管线等重大基础设施。具有典型离散特性的冻土作为重大工程地基的主体,其宏观力学性质、细观力学性质以及路基变形细观机理将成为影响冻土区重大基础设施安全建设与正常运营维护的关键问题。鉴于此,本文在充分考虑冻土离散特性的基础上,通过理论分析、室内试验、现场监测、数值模拟相结合的技术手段,研究了冻结颗粒材料细观接触模型、冻结状态下冰对颗粒材料的胶结作用、冻土宏细观力学性质及破坏机理、路基变形细观机理等关键问题。主要研究内容与取得的成果如下:(1)基于颗粒流(Particle Flow Code,PFC)基本理论,结合冻结颗粒材料特点,建立冻结颗粒材料细观接触模型。模型中颗粒接触方式不再采用传统接触模型中常用的点接触,而将线接触作为颗粒接触方式来减小颗粒形状对颗粒滑动的影响。将滚筒单元加入到模型中来限制颗粒滚动,减小颗粒形状对颗粒滚动的影响。考虑到加载过程中,胶结介质(冰)的物理性质及力学性质不断变化,本文建立的模型中胶结力随加载的进行不断变化。同时在胶结破裂之前,颗粒不会发生滑动及滚动。(2)将颗粒材料具化为玻璃珠,开展室内低温静、动三轴试验,研究低围压下冻结玻璃珠宏观静、动力特性,并采用广义双曲线模型、Hardin双曲线模型来描述冻结玻璃珠的应力-应变关系曲线,进而研究温度、围压、加载速率、荷载频率对冻结玻璃珠宏观静、动力特性的影响规律。依据室内静、动三轴试验条件,基于冻结颗粒材料细观接触模型,建立冻结玻璃珠颗粒流模型,模型中法向胶结力随加载的进行不断变化,切向胶结力恒定不变,研究静、动力加载条件下冰对玻璃珠的非线性胶结作用,进而研究法向胶结力、切向胶结力对冻结玻璃珠宏观力学性质、能量演化及裂纹扩展的影响规律。(3)将冻土作为研究对象,基于室内低温静、动三轴试验,研究低围压下冻土宏观静、动力特性及其影响因素。充分考虑冻土的离散特性,基于冻结颗粒材料细观接触模型,建立冻土颗粒流模型,以冰对玻璃珠的胶结作用作为参考,基于“试错法”,确定静、动力加载条件下冰对冻土颗粒的非线性胶结作用,进而研究土颗粒接触特性(接触刚度比、摩擦系数)对冻土宏观力学性质、能量演化及裂纹扩展的影响规律。同时通过接触力链演化规律及裂纹扩展规律研究冻土在加载过程中的破坏机理。(4)基于有限差分-离散元耦合原理,建立冻土路基耦合计算模型,不仅有效解决了计算时间过长的问题,还可以对重点区域土体的细观力学性质及细观变形机理展开深入研究。将模型计算值与现场监测结果进行对比分析,验证了耦合计算模型的有效性。进而研究不同埋深处路基土颗粒间接触力链演化规律以及平均配位数的变化规律,从细观角度揭示了路基的变形机理。
【图文】：

分布图,冻土,高速公路,分布图

1.1.1 研究背景作为世界第三冻土大国，我国冻土分布广泛，主要分布于东北、华北、青藏等地区。其中，多年冻土的分布面积约为 200 万平方公里，约占我国国土面积的21%，季节冻土的分布面积约为 500 万平方公里，约占我国国土面积的 53%。由此可见，冻土与人类生存和发展的关系越来越紧密。近年来，我国基础设施建设进入高速发展轨道，以青藏铁路、青藏公路、哈大高速铁路、齐嫩高速公路为代表的冻土区重大工程日益增多。特别是随着振兴东北老工业基地战略、西部大开发战略、一带一路发展战略的提出与不断推进，在我国冻土区内的各种水利工程、交通工程、工业与民用建筑、国防工程必将得到迅速的发展。以我国高速公路为例，国家统计局的统计数据显示 2016 年我国高速公路总里程为 12.35 万公里，位居世界第一位。根据《国家公路网规划》，到2030 年我国待建高速公路里程为 2.6 万公里，，普通公路需要改造升级里程为 10 万公里。值得注意的是这些已建、待建、待改造升级的高速公路绝大多数位于我国冻土区内，如图 1-1 所示。

颗粒形状,颗粒,集合体,非圆形

图 2-1 颗粒形状对接触力链的影响[147]Fig.2-1 Effect of particle shape on contact force chain[147]颗粒形状对计算结果的影响。由于选用圆形颗粒要求，数学求解相对简单，基于目前计算机的计形颗粒模拟实际工程中的非圆形颗粒[93,101,131]，这计算效率，但是没有考虑颗粒形状对计算精度的圆形颗粒的形状不规则。当颗粒形状不同时，颗扩展规律不尽相同。具体分析如下：状对颗粒集合体应力－应变曲线的影响]的研究成果表明由于非圆形颗粒的形状不规则，触较多（如图 2-2 所示），颗粒集合体内部结构稳粒比圆形颗粒的咬合力强，使得非圆形颗粒不易模型的细观参数较大，颗粒集合体的变形较小。是，颗粒集合体在外荷载作用下产生变形的主要生相对运动。Bolton[150]指出颗粒在加载过程中存
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U416.1

【参考文献】