【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、“一帶一路”倡議的穩(wěn)步實施以及經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,季凍區(qū)交通基礎設施的建設規(guī)模將不斷擴大,建設與運營標準將大幅提升。季凍區(qū)路基在凍融、濕度以及行車荷載的綜合影響下,將因路基壓實土的性能衰減而產(chǎn)生變形和強度變化,以致路基路面結(jié)構(gòu)發(fā)生邊坡滑塌、裂縫、錯臺和翻漿等道路病害。而季凍區(qū)路基壓實土的變形破壞過程實質(zhì)上是一個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土在凍融-濕度-荷載作用影響下的損傷效應和能量演化機制,對于分析季凍區(qū)路基壓實土性能演化規(guī)律以及指導路基工程實踐和災變防治具有重要意義。同時,由于土體性質(zhì)的復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成一致結(jié)論,開展不同地區(qū)、不同類型土體的相關研究很有必要。本文依托國家自然科學基金項目“凍融循環(huán)后路基材料力學特性的靜動參數(shù)轉(zhuǎn)換理論及試驗研究”,鑒于黏質(zhì)土分布的廣泛性以及在路基工程中應用的普遍性,以取自京哈高速公路四平至長春段改擴建工程建設項目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,在通過室內(nèi)凍融循環(huán)試驗和三軸壓縮試驗對其力學性質(zhì)演變規(guī)律分析的基礎上,利用連續(xù)介質(zhì)損傷力學和應變等價原理建構(gòu)凍融-濕度-荷載耦合作用下的損傷本構(gòu)模型,探討基于彈性波動理論和超聲波無損檢測技術的土體損傷檢測與評價方法,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)試驗研究分析了季凍區(qū)路基壓實黏土的力學性質(zhì)演化規(guī)律。首先在對路基用土進行基本性質(zhì)試驗測試的基礎上,成型試驗試件并進行凍融循環(huán)試驗;然后通過三軸壓縮試驗研究了路基壓實黏土的應力-應變關系以及彈性模量、抗剪強度參數(shù)和破壞強度等力學性質(zhì)參數(shù)在凍融、濕度與圍壓影響下的變化規(guī)律,得到了應力-應變關系以及彈性模量、抗剪強度指標和破壞強度等力學性質(zhì)參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)、濕度、圍壓的關系;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黏土力學性質(zhì)參數(shù)指標影響的顯著性大小,得到了彈性模量、抗剪強度指標以及破壞強度等力學性質(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)路基壓實黏土的損傷演化特性。首先鑒于路基壓實黏土材料的非均質(zhì)性以及損傷擴展的隨機性,假定土體微元破壞服從Weibull分布和Mohr-Coulomb準則,借助連續(xù)介質(zhì)損傷力學理論,結(jié)合應變等價原理和廣義胡克定律構(gòu)建了三軸壓縮下路基壓實黏土的損傷本構(gòu)模型,并根據(jù)路基壓實黏土在三軸壓縮條件下的應力-應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變等價原理對路基壓實黏土損傷的凍融-濕度-荷載耦合作用進行分析,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黏土損傷本構(gòu)模型;最后引用路基壓實黏土的力學性質(zhì)參數(shù)試驗結(jié)果驗證了損傷本構(gòu)模型的合理性,并探討了其損傷擴展特性,得到了路基壓實黏土損傷隨應變、凍融、濕度以及圍壓的擴展規(guī)律。(3)研究提出了基于超聲波技術的土體損傷檢測與評價方法,并利用該方法分析了季凍區(qū)路基壓實黏土的損傷特性。首先以彈性波動理論為基礎,綜合考慮凍融循環(huán)以及濕度變化對路基壓實黏土的影響,經(jīng)過嚴密的理論推導得出了包含縱波波速、含水率和幾何變形參數(shù)等3個變量的損傷變量計算表達式,并以此為基礎提出了基于超聲波技術的季凍區(qū)路基壓實黏土損傷檢測與評價方法;然后對經(jīng)歷凍融循環(huán)與濕度變化影響的路基壓實黏土進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方法分析了路基壓實黏土的損傷特性,得到了季凍區(qū)路基壓實黏土在凍融循環(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度定義的損傷評價指標驗證了本文所提出的損傷檢測與評價方法的可行性和可靠性;最后基于損傷檢測與評價數(shù)據(jù),建立了考慮凍融與濕度影響的損傷變量預測模型,驗證表明擬合效果理想,能夠較為準確地反映壓實黏土在外界環(huán)境因素影響下的損傷演化特征,可為缺乏相關資料的季凍區(qū)路基工程損傷預測與評價提供依據(jù)與參考。(4)針對季凍區(qū)路基壓實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數(shù)據(jù)計算分析了季凍區(qū)路基壓實黏土變形破壞過程中的能量演化規(guī)律以及破壞應變能特征。首先在對路基壓實黏土變形破壞過程中能量種類以及能量轉(zhuǎn)化作用分析的基礎上,通過數(shù)學物理分析方法推導得出了三軸壓縮條件下的能量計算公式,并提出了應變能轉(zhuǎn)化率與破壞應變能指標及其相應的確定方法和標準;然后利用路基壓實黏土的三軸壓縮試驗數(shù)據(jù)計算分析了其應變能、應變能轉(zhuǎn)化率隨偏應力及軸向應變的演化規(guī)律,并分析了與凍融循環(huán)、濕度以及圍壓的關系,得到了凍融循環(huán)、濕度以及圍壓對路基壓實黏土能量演化特征的影響規(guī)律;最后分析了季凍區(qū)路基壓實黏土破壞應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黏土破壞應變能的影響規(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、“一帶一的穩(wěn)步實施以及經(jīng)濟社會的快速發(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)模和強度將得到大幅提升，而基互聯(lián)互通作為經(jīng)濟發(fā)展和國家戰(zhàn)略實施的先行領域和重要基礎，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)道路工程的建設及運營帶來嚴峻挑是路面結(jié)構(gòu)的基礎，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，開展季凍區(qū)路基壓實土的相關研究，對于提高季凍區(qū)道路建設水平、病害以及降低運維成本等具有重要的現(xiàn)實意義。

季凍區(qū)路基壓實黏土變形破壞過程中的能量演化及破壞應變能特征，并能影響因素及其因素間交互作用的顯著性大小。 研究方法與技術路線對以上 4 個方面的研究內(nèi)容，本文擬采用室內(nèi)試驗與理論分析相結(jié)合的先在確定研究對象并進行基本性質(zhì)試驗的基礎上，成型試驗試樣并進行和三軸壓縮試驗，研究季凍區(qū)路基壓實黏土力學性質(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)路基壓實黏土的損傷擴展特性；接著通過理論分析和基于超聲波檢測技術的季凍區(qū)路基壓實黏土損傷檢測與評價方法，并利數(shù)試驗結(jié)果進行對比驗證及分析；最后基于理論分析和三軸壓縮試驗數(shù)路基壓實黏土變形破壞過程中的能量演化機制。具體研究實施方案和技1.2 所示：
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U416.1

【參考文獻】

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本文編號：2640857