【摘要】：在我國(guó)凍土區(qū)內(nèi)廣泛分布著鐵路、公路、輸油管線等重大基礎(chǔ)設(shè)施。具有典型離散特性的凍土作為重大工程地基的主體,其宏觀力學(xué)性質(zhì)、細(xì)觀力學(xué)性質(zhì)以及路基變形細(xì)觀機(jī)理將成為影響凍土區(qū)重大基礎(chǔ)設(shè)施安全建設(shè)與正常運(yùn)營(yíng)維護(hù)的關(guān)鍵問題。鑒于此,本文在充分考慮凍土離散特性的基礎(chǔ)上,通過理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬相結(jié)合的技術(shù)手段,研究了凍結(jié)顆粒材料細(xì)觀接觸模型、凍結(jié)狀態(tài)下冰對(duì)顆粒材料的膠結(jié)作用、凍土宏細(xì)觀力學(xué)性質(zhì)及破壞機(jī)理、路基變形細(xì)觀機(jī)理等關(guān)鍵問題。主要研究?jī)?nèi)容與取得的成果如下:(1)基于顆粒流(Particle Flow Code,PFC)基本理論,結(jié)合凍結(jié)顆粒材料特點(diǎn),建立凍結(jié)顆粒材料細(xì)觀接觸模型。模型中顆粒接觸方式不再采用傳統(tǒng)接觸模型中常用的點(diǎn)接觸,而將線接觸作為顆粒接觸方式來減小顆粒形狀對(duì)顆�；瑒�(dòng)的影響。將滾筒單元加入到模型中來限制顆粒滾動(dòng),減小顆粒形狀對(duì)顆粒滾動(dòng)的影響�？紤]到加載過程中,膠結(jié)介質(zhì)(冰)的物理性質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)不斷變化,本文建立的模型中膠結(jié)力隨加載的進(jìn)行不斷變化。同時(shí)在膠結(jié)破裂之前,顆粒不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)及滾動(dòng)。(2)將顆粒材料具化為玻璃珠,開展室內(nèi)低溫靜、動(dòng)三軸試驗(yàn),研究低圍壓下凍結(jié)玻璃珠宏觀靜、動(dòng)力特性,并采用廣義雙曲線模型、Hardin雙曲線模型來描述凍結(jié)玻璃珠的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,進(jìn)而研究溫度、圍壓、加載速率、荷載頻率對(duì)凍結(jié)玻璃珠宏觀靜、動(dòng)力特性的影響規(guī)律。依據(jù)室內(nèi)靜、動(dòng)三軸試驗(yàn)條件,基于凍結(jié)顆粒材料細(xì)觀接觸模型,建立凍結(jié)玻璃珠顆粒流模型,模型中法向膠結(jié)力隨加載的進(jìn)行不斷變化,切向膠結(jié)力恒定不變,研究靜、動(dòng)力加載條件下冰對(duì)玻璃珠的非線性膠結(jié)作用,進(jìn)而研究法向膠結(jié)力、切向膠結(jié)力對(duì)凍結(jié)玻璃珠宏觀力學(xué)性質(zhì)、能量演化及裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律。(3)將凍土作為研究對(duì)象,基于室內(nèi)低溫靜、動(dòng)三軸試驗(yàn),研究低圍壓下凍土宏觀靜、動(dòng)力特性及其影響因素。充分考慮凍土的離散特性,基于凍結(jié)顆粒材料細(xì)觀接觸模型,建立凍土顆粒流模型,以冰對(duì)玻璃珠的膠結(jié)作用作為參考,基于“試錯(cuò)法”,確定靜、動(dòng)力加載條件下冰對(duì)凍土顆粒的非線性膠結(jié)作用,進(jìn)而研究土顆粒接觸特性(接觸剛度比、摩擦系數(shù))對(duì)凍土宏觀力學(xué)性質(zhì)、能量演化及裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律。同時(shí)通過接觸力鏈演化規(guī)律及裂紋擴(kuò)展規(guī)律研究?jī)鐾猎诩虞d過程中的破壞機(jī)理。(4)基于有限差分-離散元耦合原理,建立凍土路基耦合計(jì)算模型,不僅有效解決了計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)的問題,還可以對(duì)重點(diǎn)區(qū)域土體的細(xì)觀力學(xué)性質(zhì)及細(xì)觀變形機(jī)理展開深入研究。將模型計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證了耦合計(jì)算模型的有效性。進(jìn)而研究不同埋深處路基土顆粒間接觸力鏈演化規(guī)律以及平均配位數(shù)的變化規(guī)律,從細(xì)觀角度揭示了路基的變形機(jī)理。
【圖文】：

1.1.1 研究背景作為世界第三凍土大國(guó)，我國(guó)凍土分布廣泛，主要分布于東北、華北、青藏等地區(qū)。其中，多年凍土的分布面積約為 200 萬平方公里，約占我國(guó)國(guó)土面積的21%，季節(jié)凍土的分布面積約為 500 萬平方公里，約占我國(guó)國(guó)土面積的 53%。由此可見，凍土與人類生存和發(fā)展的關(guān)系越來越緊密。近年來，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展軌道，以青藏鐵路、青藏公路、哈大高速鐵路、齊嫩高速公路為代表的凍土區(qū)重大工程日益增多。特別是隨著振興東北老工業(yè)基地戰(zhàn)略、西部大開發(fā)戰(zhàn)略、一帶一路發(fā)展戰(zhàn)略的提出與不斷推進(jìn)，在我國(guó)凍土區(qū)內(nèi)的各種水利工程、交通工程、工業(yè)與民用建筑、國(guó)防工程必將得到迅速的發(fā)展。以我國(guó)高速公路為例，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示 2016 年我國(guó)高速公路總里程為 12.35 萬公里，位居世界第一位。根據(jù)《國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃》，到2030 年我國(guó)待建高速公路里程為 2.6 萬公里，，普通公路需要改造升級(jí)里程為 10 萬公里。值得注意的是這些已建、待建、待改造升級(jí)的高速公路絕大多數(shù)位于我國(guó)凍土區(qū)內(nèi)，如圖 1-1 所示。

圖 2-1 顆粒形狀對(duì)接觸力鏈的影響[147]Fig.2-1 Effect of particle shape on contact force chain[147]顆粒形狀對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。由于選用圓形顆粒要求，數(shù)學(xué)求解相對(duì)簡(jiǎn)單，基于目前計(jì)算機(jī)的計(jì)形顆粒模擬實(shí)際工程中的非圓形顆粒[93,101,131]，這計(jì)算效率，但是沒有考慮顆粒形狀對(duì)計(jì)算精度的圓形顆粒的形狀不規(guī)則。當(dāng)顆粒形狀不同時(shí)，顆擴(kuò)展規(guī)律不盡相同。具體分析如下：狀對(duì)顆粒集合體應(yīng)力－應(yīng)變曲線的影響]的研究成果表明由于非圓形顆粒的形狀不規(guī)則，觸較多（如圖 2-2 所示），顆粒集合體內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)粒比圓形顆粒的咬合力強(qiáng)，使得非圓形顆粒不易模型的細(xì)觀參數(shù)較大，顆粒集合體的變形較小。是，顆粒集合體在外荷載作用下產(chǎn)生變形的主要生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。Bolton[150]指出顆粒在加載過程中存
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U416.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2703253