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非饱和冻土力学特性及微观机理研究

刘振亚  
【摘要】:寒区冻土随温度变化而产生的力学性质改变,如体积变化,强度降低是路基等线性构筑物基础的常见病害。由于以往对变形的控制较为粗放,且非饱和土冻结后力学性质的改变也不是以往工程构筑物破坏的主要原因,因此研究主要集中在饱和土方面。随着寒区工程的发展,特别是高速铁路和高速公路等线性构筑物对平顺性和稳定性要求越来越高,而实际路基本体多处于非饱和状态,如果只从饱和状态进行相应的研究,忽视非饱和状态下冻结土体的强度和变形特性,往往会导致模型精确性不足,已不能很好的解决实际工程对精准变形的控制问题。本文以国家自然科学基金为依托,以非饱和粉质黏土为重点研究对象,在总结国内外研究现状的基础上,通过室内试验、微观试验及数值分析,系统研究了非饱和冻土的力学特性及微观机理。本文的研究能够为冻土地区路基的冻害防治提供指导;为冻土的三场耦合研究提供借鉴;丰富非饱和冻土力学相关内容的研究。文章主要结论包括以下几个方面:1、通过室内试验研究了非饱和冻结粉质黏土的力学特性,指出非饱和冻结粉质黏土力学特性中体积含冰量、冰水相变体变与冰胶结粘聚力为其主控因素。2、分析了非饱和粉质黏土的体缩机理,建立了相应的体缩预估模型。指出基质吸力增加导致的体缩效应与冰胶结导致的体缩是冻土体缩的主要原因,且详细分析了在不同条件下二者对体缩的贡献,并用膨润土进行了验证。3、通过光学显微镜和低温冷台分析了非饱和土冻结过程中的冰结晶过程,阐释了非饱和土冻结过程中孔隙变化的相关机理和冰晶体的生长和发育机理。4、自主开发了冻土PIV试验系统,分析了其在非饱和冻土中应用的具体方法,并指出和分析了冰水相变产生的灰度误差。在此基础上基于PIV技术分析了非饱和粉质黏土的分层冻胀特性。阐释了非饱和土冻结过程中的类冻结缘现象和其初步分层冻胀与水分迁移关系。5、利用试验得到的半经验模型提出了非饱和土的水热力耦合准三场模型,并利用土柱试验进行了验证。


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