季冻区路基压实黏土损伤效应及能量演化机制研究

发布时间：2020-04-26 00:14

【摘要】：我国季节性冻土的分布面积为5.137×106 km2,约占全国国土陆地面积的53.5%。随着我国“西部大开发”和“振兴东北老工业基地”战略的继续推进、“一带一路”倡议的稳步实施以及经济社会的快速发展,季冻区交通基础设施的建设规模将不断扩大,建设与运营标准将大幅提升。季冻区路基在冻融、湿度以及行车荷载的综合影响下,将因路基压实土的性能衰减而产生变形和强度变化,以致路基路面结构发生边坡滑塌、裂缝、错台和翻浆等道路病害。而季冻区路基压实土的变形破坏过程实质上是一个损伤不断累积以及能量吸收、积聚、耗散与释放的综合过程,了解和掌握路基压实土在冻融-湿度-荷载作用影响下的损伤效应和能量演化机制,对于分析季冻区路基压实土性能演化规律以及指导路基工程实践和灾变防治具有重要意义。同时,由于土体性质的复杂性以及其他因素的影响,不同地区、不同类型的土体往往表现出不同的工程性质,有些方面的研究成果尚未达成一致结论,开展不同地区、不同类型土体的相关研究很有必要。本文依托国家自然科学基金项目“冻融循环后路基材料力学特性的静动参数转换理论及试验研究”,鉴于黏质土分布的广泛性以及在路基工程中应用的普遍性,以取自京哈高速公路四平至长春段改扩建工程建设项目CP05合同段取土场的低液限黏土作为研究对象,针对季冻区路基工程工作特点,在通过室内冻融循环试验和三轴压缩试验对其力学性质演变规律分析的基础上,利用连续介质损伤力学和应变等价原理建构冻融-湿度-荷载耦合作用下的损伤本构模型,探讨基于弹性波动理论和超声波无损检测技术的土体损伤检测与评价方法,并分析变形破坏过程中的能量特征。本文开展的具体研究工作如下:(1)基于室内试验研究分析了季冻区路基压实黏土的力学性质演化规律。首先在对路基用土进行基本性质试验测试的基础上,成型试验试件并进行冻融循环试验;然后通过三轴压缩试验研究了路基压实黏土的应力-应变关系以及弹性模量、抗剪强度参数和破坏强度等力学性质参数在冻融、湿度与围压影响下的变化规律,得到了应力-应变关系以及弹性模量、抗剪强度指标和破坏强度等力学性质参数与冻融循环次数、湿度、围压的关系;接着利用方差分析探讨了冻融循环次数、湿度和围压及其因素间的交互作用对路基压实黏土力学性质参数指标影响的显著性大小,得到了弹性模量、抗剪强度指标以及破坏强度等力学性质参数影响因素的显著性程度和排序。(2)建立了冻融-湿度-荷载耦合作用下路基压实黏土的损伤变量方程以及损伤本构模型,探讨了季冻区路基压实黏土的损伤演化特性。首先鉴于路基压实黏土材料的非均质性以及损伤扩展的随机性,假定土体微元破坏服从Weibull分布和Mohr-Coulomb准则,借助连续介质损伤力学理论,结合应变等价原理和广义胡克定律构建了三轴压缩下路基压实黏土的损伤本构模型,并根据路基压实黏土在三轴压缩条件下的应力-应变特征提出了损伤模型参数的确定方法;接着利用推广后的应变等价原理对路基压实黏土损伤的冻融-湿度-荷载耦合作用进行分析,提出了一种可综合考虑冻融循环、湿度与荷载效应的损伤变量演化方程,并将其嵌入三轴压缩条件下路基压实黏土的损伤本构模型,从而建立了可考虑冻融-湿度-荷载耦合作用的路基压实黏土损伤本构模型;最后引用路基压实黏土的力学性质参数试验结果验证了损伤本构模型的合理性,并探讨了其损伤扩展特性,得到了路基压实黏土损伤随应变、冻融、湿度以及围压的扩展规律。(3)研究提出了基于超声波技术的土体损伤检测与评价方法,并利用该方法分析了季冻区路基压实黏土的损伤特性。首先以弹性波动理论为基础,综合考虑冻融循环以及湿度变化对路基压实黏土的影响,经过严密的理论推导得出了包含纵波波速、含水率和几何变形参数等3个变量的损伤变量计算表达式,并以此为基础提出了基于超声波技术的季冻区路基压实黏土损伤检测与评价方法;然后对经历冻融循环与湿度变化影响的路基压实黏土进行几何变形与超声波纵波波速测试,利用本文提出的损伤检测与评价方法分析了路基压实黏土的损伤特性,得到了季冻区路基压实黏土在冻融循环与湿度作用影响下的损伤演化特征;接着分别利用基于弹性模量和极限强度定义的损伤评价指标验证了本文所提出的损伤检测与评价方法的可行性和可靠性;最后基于损伤检测与评价数据,建立了考虑冻融与湿度影响的损伤变量预测模型,验证表明拟合效果理想,能够较为准确地反映压实黏土在外界环境因素影响下的损伤演化特征,可为缺乏相关资料的季冻区路基工程损伤预测与评价提供依据与参考。(4)针对季冻区路基压实黏土变形破坏过程中的能量演化行为,基于理论分析和三轴压缩试验数据计算分析了季冻区路基压实黏土变形破坏过程中的能量演化规律以及破坏应变能特征。首先在对路基压实黏土变形破坏过程中能量种类以及能量转化作用分析的基础上,通过数学物理分析方法推导得出了三轴压缩条件下的能量计算公式,并提出了应变能转化率与破坏应变能指标及其相应的确定方法和标准;然后利用路基压实黏土的三轴压缩试验数据计算分析了其应变能、应变能转化率随偏应力及轴向应变的演化规律,并分析了与冻融循环、湿度以及围压的关系,得到了冻融循环、湿度以及围压对路基压实黏土能量演化特征的影响规律;最后分析了季冻区路基压实黏土破坏应变能的演化特征及其影响因素的显著性大小,得到了冻融循环、湿度与围压对路基压实黏土破坏应变能的影响规律以及影响显著性大小和排序。
【图文】：

分布图,分布图,季冻区,季节性冻土

地表层土冬季冻结、夏季全部融化的土称为季节性冻土，其所在地区称为季地区[1]。我国季节性冻土的分布面积为 5.137×106km2，遍布华北、东北、西以及华东等地区的 10 余个省份（见图 1.1），约占全国国土陆地面积的 53.5%我国“西部大开发”和“振兴东北老工业基地”战略的继续推进、“一带一的稳步实施以及经济社会的快速发展，季节性冻土地区（为表述方便并符合，以下将统一简称为季冻区）的国土开发规模和强度将得到大幅提升，而基互联互通作为经济发展和国家战略实施的先行领域和重要基础，加之季冻区气候条件的影响，这一过程必然将给季冻区道路工程的建设及运营带来严峻挑是路面结构的基础，行车荷载通过汽车车轮和路面结构传至路基，，路基土自优劣以及在外界荷载和环境因素作用下的性质表现，对路基路面结构的整体度有重要影响，直接决定着道路的使用品质和使用寿命。因此，针对季冻区特点，开展季冻区路基压实土的相关研究，对于提高季冻区道路建设水平、病害以及降低运维成本等具有重要的现实意义。

路线图,研究技术,路线,路基压实

季冻区路基压实黏土变形破坏过程中的能量演化及破坏应变能特征，并能影响因素及其因素间交互作用的显著性大小。研究方法与技术路线对以上 4 个方面的研究内容，本文拟采用室内试验与理论分析相结合的先在确定研究对象并进行基本性质试验的基础上，成型试验试样并进行和三轴压缩试验，研究季冻区路基压实黏土力学性质的变化规律；然后构建三轴压缩下季冻区路基压实黏土的损伤本构模型，利用三轴压缩试证，并分析季冻区路基压实黏土的损伤扩展特性；接着通过理论分析和基于超声波检测技术的季冻区路基压实黏土损伤检测与评价方法，并利数试验结果进行对比验证及分析；最后基于理论分析和三轴压缩试验数路基压实黏土变形破坏过程中的能量演化机制。具体研究实施方案和技1.2 所示：
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U416.1

【参考文献】