【摘要】：我國季節(jié)性凍土的分布面積為5.137×106 km2,約占全國國土陸地面積的53.5%。隨著我國“西部大開發(fā)”和“振興東北老工業(yè)基地”戰(zhàn)略的繼續(xù)推進(jìn)、“一帶一路”倡議的穩(wěn)步實(shí)施以及經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展,季凍區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)規(guī)模將不斷擴(kuò)大,建設(shè)與運(yùn)營標(biāo)準(zhǔn)將大幅提升。季凍區(qū)路基在凍融、濕度以及行車荷載的綜合影響下,將因路基壓實(shí)土的性能衰減而產(chǎn)生變形和強(qiáng)度變化,以致路基路面結(jié)構(gòu)發(fā)生邊坡滑塌、裂縫、錯(cuò)臺和翻漿等道路病害。而季凍區(qū)路基壓實(shí)土的變形破壞過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)損傷不斷累積以及能量吸收、積聚、耗散與釋放的綜合過程,了解和掌握路基壓實(shí)土在凍融-濕度-荷載作用影響下的損傷效應(yīng)和能量演化機(jī)制,對于分析季凍區(qū)路基壓實(shí)土性能演化規(guī)律以及指導(dǎo)路基工程實(shí)踐和災(zāi)變防治具有重要意義。同時(shí),由于土體性質(zhì)的復(fù)雜性以及其他因素的影響,不同地區(qū)、不同類型的土體往往表現(xiàn)出不同的工程性質(zhì),有些方面的研究成果尚未達(dá)成一致結(jié)論,開展不同地區(qū)、不同類型土體的相關(guān)研究很有必要。本文依托國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“凍融循環(huán)后路基材料力學(xué)特性的靜動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)換理論及試驗(yàn)研究”,鑒于黏質(zhì)土分布的廣泛性以及在路基工程中應(yīng)用的普遍性,以取自京哈高速公路四平至長春段改擴(kuò)建工程建設(shè)項(xiàng)目CP05合同段取土場的低液限黏土作為研究對象,針對季凍區(qū)路基工程工作特點(diǎn),在通過室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)對其力學(xué)性質(zhì)演變規(guī)律分析的基礎(chǔ)上,利用連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)和應(yīng)變等價(jià)原理建構(gòu)凍融-濕度-荷載耦合作用下的損傷本構(gòu)模型,探討基于彈性波動(dòng)理論和超聲波無損檢測技術(shù)的土體損傷檢測與評價(jià)方法,并分析變形破壞過程中的能量特征。本文開展的具體研究工作如下:(1)基于室內(nèi)試驗(yàn)研究分析了季凍區(qū)路基壓實(shí)黏土的力學(xué)性質(zhì)演化規(guī)律。首先在對路基用土進(jìn)行基本性質(zhì)試驗(yàn)測試的基礎(chǔ)上,成型試驗(yàn)試件并進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn);然后通過三軸壓縮試驗(yàn)研究了路基壓實(shí)黏土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及彈性模量、抗剪強(qiáng)度參數(shù)和破壞強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)參數(shù)在凍融、濕度與圍壓影響下的變化規(guī)律,得到了應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及彈性模量、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和破壞強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)、濕度、圍壓的關(guān)系;接著利用方差分析探討了凍融循環(huán)次數(shù)、濕度和圍壓及其因素間的交互作用對路基壓實(shí)黏土力學(xué)性質(zhì)參數(shù)指標(biāo)影響的顯著性大小,得到了彈性模量、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)以及破壞強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)參數(shù)影響因素的顯著性程度和排序。(2)建立了凍融-濕度-荷載耦合作用下路基壓實(shí)黏土的損傷變量方程以及損傷本構(gòu)模型,探討了季凍區(qū)路基壓實(shí)黏土的損傷演化特性。首先鑒于路基壓實(shí)黏土材料的非均質(zhì)性以及損傷擴(kuò)展的隨機(jī)性,假定土體微元破壞服從Weibull分布和Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,借助連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)理論,結(jié)合應(yīng)變等價(jià)原理和廣義胡克定律構(gòu)建了三軸壓縮下路基壓實(shí)黏土的損傷本構(gòu)模型,并根據(jù)路基壓實(shí)黏土在三軸壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變特征提出了損傷模型參數(shù)的確定方法;接著利用推廣后的應(yīng)變等價(jià)原理對路基壓實(shí)黏土損傷的凍融-濕度-荷載耦合作用進(jìn)行分析,提出了一種可綜合考慮凍融循環(huán)、濕度與荷載效應(yīng)的損傷變量演化方程,并將其嵌入三軸壓縮條件下路基壓實(shí)黏土的損傷本構(gòu)模型,從而建立了可考慮凍融-濕度-荷載耦合作用的路基壓實(shí)黏土損傷本構(gòu)模型;最后引用路基壓實(shí)黏土的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了損傷本構(gòu)模型的合理性,并探討了其損傷擴(kuò)展特性,得到了路基壓實(shí)黏土損傷隨應(yīng)變、凍融、濕度以及圍壓的擴(kuò)展規(guī)律。(3)研究提出了基于超聲波技術(shù)的土體損傷檢測與評價(jià)方法,并利用該方法分析了季凍區(qū)路基壓實(shí)黏土的損傷特性。首先以彈性波動(dòng)理論為基礎(chǔ),綜合考慮凍融循環(huán)以及濕度變化對路基壓實(shí)黏土的影響,經(jīng)過嚴(yán)密的理論推導(dǎo)得出了包含縱波波速、含水率和幾何變形參數(shù)等3個(gè)變量的損傷變量計(jì)算表達(dá)式,并以此為基礎(chǔ)提出了基于超聲波技術(shù)的季凍區(qū)路基壓實(shí)黏土損傷檢測與評價(jià)方法;然后對經(jīng)歷凍融循環(huán)與濕度變化影響的路基壓實(shí)黏土進(jìn)行幾何變形與超聲波縱波波速測試,利用本文提出的損傷檢測與評價(jià)方法分析了路基壓實(shí)黏土的損傷特性,得到了季凍區(qū)路基壓實(shí)黏土在凍融循環(huán)與濕度作用影響下的損傷演化特征;接著分別利用基于彈性模量和極限強(qiáng)度定義的損傷評價(jià)指標(biāo)驗(yàn)證了本文所提出的損傷檢測與評價(jià)方法的可行性和可靠性;最后基于損傷檢測與評價(jià)數(shù)據(jù),建立了考慮凍融與濕度影響的損傷變量預(yù)測模型,驗(yàn)證表明擬合效果理想,能夠較為準(zhǔn)確地反映壓實(shí)黏土在外界環(huán)境因素影響下的損傷演化特征,可為缺乏相關(guān)資料的季凍區(qū)路基工程損傷預(yù)測與評價(jià)提供依據(jù)與參考。(4)針對季凍區(qū)路基壓實(shí)黏土變形破壞過程中的能量演化行為,基于理論分析和三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算分析了季凍區(qū)路基壓實(shí)黏土變形破壞過程中的能量演化規(guī)律以及破壞應(yīng)變能特征。首先在對路基壓實(shí)黏土變形破壞過程中能量種類以及能量轉(zhuǎn)化作用分析的基礎(chǔ)上,通過數(shù)學(xué)物理分析方法推導(dǎo)得出了三軸壓縮條件下的能量計(jì)算公式,并提出了應(yīng)變能轉(zhuǎn)化率與破壞應(yīng)變能指標(biāo)及其相應(yīng)的確定方法和標(biāo)準(zhǔn);然后利用路基壓實(shí)黏土的三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算分析了其應(yīng)變能、應(yīng)變能轉(zhuǎn)化率隨偏應(yīng)力及軸向應(yīng)變的演化規(guī)律,并分析了與凍融循環(huán)、濕度以及圍壓的關(guān)系,得到了凍融循環(huán)、濕度以及圍壓對路基壓實(shí)黏土能量演化特征的影響規(guī)律;最后分析了季凍區(qū)路基壓實(shí)黏土破壞應(yīng)變能的演化特征及其影響因素的顯著性大小,得到了凍融循環(huán)、濕度與圍壓對路基壓實(shí)黏土破壞應(yīng)變能的影響規(guī)律以及影響顯著性大小和排序。
【圖文】：

地表層土冬季凍結(jié)、夏季全部融化的土稱為季節(jié)性凍土，其所在地區(qū)稱為季地區(qū)[1]。我國季節(jié)性凍土的分布面積為 5.137×106km2，遍布華北、東北、西以及華東等地區(qū)的 10 余個(gè)省份（見圖 1.1），約占全國國土陸地面積的 53.5%我國“西部大開發(fā)”和“振興東北老工業(yè)基地”戰(zhàn)略的繼續(xù)推進(jìn)、“一帶一的穩(wěn)步實(shí)施以及經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，季節(jié)性凍土地區(qū)（為表述方便并符合，以下將統(tǒng)一簡稱為季凍區(qū)）的國土開發(fā)規(guī)模和強(qiáng)度將得到大幅提升，而基互聯(lián)互通作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家戰(zhàn)略實(shí)施的先行領(lǐng)域和重要基礎(chǔ)，加之季凍區(qū)氣候條件的影響，這一過程必然將給季凍區(qū)道路工程的建設(shè)及運(yùn)營帶來嚴(yán)峻挑是路面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，行車荷載通過汽車車輪和路面結(jié)構(gòu)傳至路基，，路基土自優(yōu)劣以及在外界荷載和環(huán)境因素作用下的性質(zhì)表現(xiàn)，對路基路面結(jié)構(gòu)的整體度有重要影響，直接決定著道路的使用品質(zhì)和使用壽命。因此，針對季凍區(qū)特點(diǎn)，開展季凍區(qū)路基壓實(shí)土的相關(guān)研究，對于提高季凍區(qū)道路建設(shè)水平、病害以及降低運(yùn)維成本等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

季凍區(qū)路基壓實(shí)黏土變形破壞過程中的能量演化及破壞應(yīng)變能特征，并能影響因素及其因素間交互作用的顯著性大小。 研究方法與技術(shù)路線對以上 4 個(gè)方面的研究內(nèi)容，本文擬采用室內(nèi)試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的先在確定研究對象并進(jìn)行基本性質(zhì)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，成型試驗(yàn)試樣并進(jìn)行和三軸壓縮試驗(yàn)，研究季凍區(qū)路基壓實(shí)黏土力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律；然后構(gòu)建三軸壓縮下季凍區(qū)路基壓實(shí)黏土的損傷本構(gòu)模型，利用三軸壓縮試證，并分析季凍區(qū)路基壓實(shí)黏土的損傷擴(kuò)展特性；接著通過理論分析和基于超聲波檢測技術(shù)的季凍區(qū)路基壓實(shí)黏土損傷檢測與評價(jià)方法，并利數(shù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證及分析；最后基于理論分析和三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)路基壓實(shí)黏土變形破壞過程中的能量演化機(jī)制。具體研究實(shí)施方案和技1.2 所示：
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U416.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2640857