冻融黏土的力学特性及季冻区路基永久变形研究

发布时间：2020-07-04 01:06

【摘要】：冻融和重车荷载是我国季节性冻土地区交通设施建设和运营面临的两大亟待解决的工程危害。围绕这一课题的研究持续数十年,但工程问题依然未彻底解决。本文针对国内外对季节性冻土地区路基稳定性评价方法不完善的事实,密切我国道路建设与维护的需要,运用理论分析、室内试验和数值模拟相结合的手段,在充分认识冻融循环作用对路基土结构演化的影响规律的基础上,研究了路基融土的静、动力特性,提出了路基融土的动力永久变形预估公式,建立并验证了路基水-热-动力耦合有限元模型,研究了季冻区道路路基的工作状态以及动力响应演化规律,提出了路基永久变形计算流程和描述方程,并根据路面的要求确定了季冻区路基的容许变形控制标准。主要研究内容及获取的研究成果如下:基于剪切波速试验和工业CT扫描试验的结果,分别以剪切波速和灰度值为指标研究了冻融循环作用对路基黏土刚度和密度的影响。通过引入各向异性指数的概念,定量地研究了路基黏土的小应变剪切模量各向异性和等效密度各向异性随着冻融循环次数的演化规律,揭示了冻融循环作用的影响机理,认为路基黏土的刚度和密度在冻融循环作用的影响下产生了弱化,经历7次冻融循环次数之后弱化作用不再明显。利用等向压缩-回弹试验、三轴静力蠕变试验、三轴剪切压缩试验以及应变速率试验系统地研究了不同冻融循环次数下路基黏土的压缩回弹特性、蠕变特性、应力~应变关系以及应变速率特性,建立了路基融土的峰值强度、压缩曲线斜率及回弹曲线斜率等参数与冻融循环次数的函数关系,给出了路基融土的三轴蠕变预测模型,研究了路基融土的抗剪强度、割线模量以及抗剪强度指标与应变速率的增减关系,认为广义双曲线模型能够描述不同应变速率下路基融土的应力~应变关系。利用一系列的动态三轴试验研究了融化饱和黏土在长期循环加载过程中动态剪切模量、阻尼比、回弹模量以及累积塑性应变的演化规律,研究了不同影响因素对路基黏土上述特性的影响,验证了Martin-Davidenkov模型和双曲线模型可分别用来预测长期循环荷载作用下路基融土的动态剪切模量和阻尼比的演化规律,建立了可考虑冻融循环次数、动应力幅值、围压、加载频率以及振动次数等五种影响因素的路基融土长期回弹模量经验模型,提出了可考虑冻融循环次数、动应力幅值、含水率、初始应力比以及振动次数等因素的路基黏土累积塑性应变经验模型。利用非饱和路基土水分迁移试验和路基动压应力现场实测数据分别验证了水-热耦合模型和路基-路面动力响应模型,二者按照顺序耦合关系构成了水-热-动力模型。利用水-热-动力模型分析了季节性冻土地区路基在修筑完成后20年内温度场和水分场的演化规律,通过建立路基动态弹性模量在不同工作状态下的计算公式,系统地研究了路基在季节变化和重车荷载作用下的工作状态及其动应力响应。提出了季冻区路基不均匀变形的计算方法,确定了季冻区路基不均匀变形的模式及其函数表达式,认为高斯峰值函数可以合理地描述路基横向不均匀变形曲线。建立了以冻融循环次数、重车荷载以及循环振动次数为变量的路基不均匀变形预估公式。选定了可同时描述不均匀变形曲线宽度和深度的高斯峰值函数的参数作为路基不均匀变形的控制指标,选定底基层层底拉应力作为路面安全性能的研究指标,建立了可考虑路面结构层厚度、路面结构层模量以及路基不均匀变形控制指标的道路底基层层底拉应力的预估公式。以道路设计阶段底基层层底拉应力的容许值作为控制标准,提出了季节性冻土地区路基不均匀变形控制指标的计算式,并给出了确定路基不均匀性变形容许值的算例。
【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】：2019
【分类号】：U416.168

【参考文献】

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本文编号：2740414