冻融循环条件下路基粉质粘土力学特性及本构模型研究

发布时间：2018-01-01 13:28

本文关键词：冻融循环条件下路基粉质粘土力学特性及本构模型研究　出处：《北京交通大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：路基是公路的重要组成部分,是承受路面荷载的基础,它除了必须坚固、稳定以外,还必须具有耐久性,能抵抗各种自然因素的影响。冻土地区路基常年经受冷热交替和冻融循环的作用,是导致公路路基填料力学特性退化、进而导致路基破坏的一个重要原因。因此,路基内填土必须具有抗冻融循环以及抗干湿循环的能力,以保证运营期间运输的安全与畅通。在我国寒区大量公路交通中,因大力修建、改建和扩建高等级公路与通乡公路,特别是汽车荷载频率高、荷载重、季节冻融循环等多重因素共同影响下路基病害越发突出。目前,直接针对季节冻土区汽车荷载作用下路基病害机理的认识尚不明确。本文针对典型路基填料开展压实粉质粘土力学性能测试,通过理论分析并结合室内试验结果,建立能够体现冻融循环影响的荷载压缩特性研究与路基本构模型研究,成果有助于深化认识季节冻土区路基压实粉质粘土的力学性能,为后续研究工作提供数据支持;基于大量动三轴实验数据,明确了季节冻土区汽车荷载作用下的路基病害发生过程与机理。本文主要研究结论:(1)通过不同冻结温度不同含水量的融沉实验,分析得出结论:融沉系数随着冷却温度的降低而增大,且和冷却温度的绝对值呈现很好的线性关系。含水率越大,融沉系数越大。(2)冻融循环对融沉系数的变化影响很大,冻土融沉的最不利状态应是冻融循环第3次到第6次中的某个循环,此时融沉系数最大,随着冻融循环次数的增加,融沉系数会从最高值减小,到12次冻融循环之后,融沉趋于稳定。因此本文建议在冻土工程勘查时,所提供设计采用的融沉系数应大于一次冻融的数值。如有条件,应将现场取出的原状土样在恒温恒湿箱里冻融3-6次后,再按规程测取融沉系数,则会使沉降预估计算更科学安全。(3)本文提出的沉降计算关系式考虑融土压缩变化规律,含水量、冻融循环次数对压缩量的影响,给出了计算融后压缩土体的变形计算公式。本公式建立在室内试验的基础上,具有很好的实用意义以及针对性。(4)提出关联流动条件下针对经历冻融循环土体的双屈服面本构模型,是建立在大量三轴压缩实验数据基础上的,并且经编程验证所提出的本构方程能够较好的反映冻融循环对路基压实粉质粘土的力学影响,较为准确的预测融土应力应变关系,因此为进一步研究季冻区路基土体强度变化提供了扎实的理论依据。(5)通过动三轴实验,随着冻融循环次数的增加,不同破坏振次下路基土的动粘聚力动内摩擦角均呈现下降趋势,因此认为经历反复冻融循环后,土体内部的孔隙增大,土颗粒间的距离随之增加,随着破坏振次的增加,土颗粒间的作用力逐渐消散,土体动粘聚力减小同时反复冻融循环抑制了土体间的咬合作用,而随着破坏振次的增加,土体经历的振动循环次数增加,加大了土颗粒间的相对移动,土体动内摩擦角减小。(6)冻融与荷载以不同的力学机理诱发损伤,二者相互耦合、相互影响,在季冻区路基服役期间必将带来土体力学特性的变化;冻融与荷载的共同作用可使土体总损伤加剧。本章基于Lemaitre教授创建的应变等效性假说,建立了冻融循环与受载双重影响下路基土回弹模量的损伤演化模型,其计算拟合结果与实验数据有着较好的吻合关系,说明基于损伤的回弹模量预估准确合理可行。此本构模型简单,概念清晰,无需任何假设,有很好的实用价值。
[Abstract]:The results of this paper are as follows : ( 1 ) In order to improve the mechanical properties of subgrade compacted silty clay under the action of cold - heat alternation and freeze - thaw cycles , it is concluded that the thaw settlement coefficient is higher than that of one - time freeze - thaw cycles . ( 3 ) The calculation formula of settlement calculation in this paper takes into account the influence of the change rule , the moisture content and the number of freeze - thaw cycles on the compression quantity .

【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U416.1

【参考文献】