凍融循環(huán)條件下路基粉質(zhì)粘土力學(xué)特性及本構(gòu)模型研究.pdf

1、路基是公路的重要組成部分，是承受路面荷載的基礎(chǔ)，它除了必須堅(jiān)固、穩(wěn)定以外，還必須具有耐久性，能抵抗各種自然因素的影響。凍土地區(qū)路基常年經(jīng)受冷熱交替和凍融循環(huán)的作用，是導(dǎo)致公路路基填料力學(xué)特性退化、進(jìn)而導(dǎo)致路基破壞的一個(gè)重要原因。因此，路基內(nèi)填土必須具有抗凍融循環(huán)以及抗干濕循環(huán)的能力，以保證運(yùn)營(yíng)期間運(yùn)輸?shù)陌踩c暢通。在我國(guó)寒區(qū)大量公路交通中，因大力修建、改建和擴(kuò)建高等級(jí)公路與通鄉(xiāng)公路，特別是汽車荷載頻率高、荷載重、季節(jié)凍融循環(huán)等多重因素共

2、同影響下路基病害越發(fā)突出。目前，直接針對(duì)季節(jié)凍土區(qū)汽車荷載作用下路基病害機(jī)理的認(rèn)識(shí)尚不明確。本文針對(duì)典型路基填料開展壓實(shí)粉質(zhì)粘土力學(xué)性能測(cè)試，通過理論分析并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，建立能夠體現(xiàn)凍融循環(huán)影響的荷載壓縮特性研究與路基本構(gòu)模型研究，成果有助于深化認(rèn)識(shí)季節(jié)凍土區(qū)路基壓實(shí)粉質(zhì)粘土的力學(xué)性能，為后續(xù)研究工作提供數(shù)據(jù)支持;基于大量動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，明確了季節(jié)凍土區(qū)汽車荷載作用下的路基病害發(fā)生過程與機(jī)理。
　　本文主要研究結(jié)論:
　

3、　(1)通過不同凍結(jié)溫度不同含水量的融沉實(shí)驗(yàn)，分析得出結(jié)論:融沉系數(shù)隨著冷卻溫度的降低而增大，且和冷卻溫度的絕對(duì)值呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系。含水率越大，融沉系數(shù)越大。
　　(2)凍融循環(huán)對(duì)融沉系數(shù)的變化影響很大，凍土融沉的最不利狀態(tài)應(yīng)是凍融循環(huán)第3次到第6次中的某個(gè)循環(huán)，此時(shí)融沉系數(shù)最大，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，融沉系數(shù)會(huì)從最高值減小，到12次凍融循環(huán)之后，融沉趨于穩(wěn)定。因此本文建議在凍土工程勘查時(shí)，所提供設(shè)計(jì)采用的融沉系數(shù)應(yīng)大于一次凍

4、融的數(shù)值。如有條件，應(yīng)將現(xiàn)場(chǎng)取出的原狀土樣在恒溫恒濕箱里凍融3-6次后，再按規(guī)程測(cè)取融沉系數(shù)，則會(huì)使沉降預(yù)估計(jì)算更科學(xué)安全。
　　(3)本文提出的沉降計(jì)算關(guān)系式考慮融土壓縮變化規(guī)律，含水量、凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)壓縮量的影響，給出了計(jì)算融后壓縮土體的變形計(jì)算公式。本公式建立在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，具有很好的實(shí)用意義以及針對(duì)性。
　　(4)提出關(guān)聯(lián)流動(dòng)條件下針對(duì)經(jīng)歷凍融循環(huán)土體的雙屈服面本構(gòu)模型，是建立在大量三軸壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的，并且

5、經(jīng)編程驗(yàn)證所提出的本構(gòu)方程能夠較好的反映凍融循環(huán)對(duì)路基壓實(shí)粉質(zhì)粘土的力學(xué)影響，較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)融土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，因此為進(jìn)一步研究季凍區(qū)路基土體強(qiáng)度變化提供了扎實(shí)的理論依據(jù)。
　　(5)通過動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同破壞振次下路基土的動(dòng)粘聚力動(dòng)內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，因此認(rèn)為經(jīng)歷反復(fù)凍融循環(huán)后，土體內(nèi)部的孔隙增大，土顆粒間的距離隨之增加，隨著破壞振次的增加，土顆粒間的作用力逐漸消散，土體動(dòng)粘聚力減小同時(shí)反復(fù)凍融循環(huán)抑制了

6、土體間的咬合作用，而隨著破壞振次的增加，土體經(jīng)歷的振動(dòng)循環(huán)次數(shù)增加，加大了土顆粒間的相對(duì)移動(dòng)，土體動(dòng)內(nèi)摩擦角減小。
　　(6)凍融與荷載以不同的力學(xué)機(jī)理誘發(fā)損傷，二者相互耦合、相互影響，在季凍區(qū)路基服役期間必將帶來土體力學(xué)特性的變化;凍融與荷載的共同作用可使土體總損傷加劇。本章基于Lemaitre教授創(chuàng)建的應(yīng)變等效性假說，建立了凍融循環(huán)與受載雙重影響下路基土回彈模量的損傷演化模型，其計(jì)算擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有著較好的吻合關(guān)系，說明基