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长春地区非饱和季冻土力学特性及冻结变形特征研究

郭浩天  
【摘要】:受季节性温度影响的非饱和季冻土在我国广泛分布,对其力学特性及冻结变形特征进行研究时,除了需要考虑季节性温度影响,还需要考虑土体的非饱和特性。我国国土面积半数以上为季节性冻土区,因国家方针政策及建设规划的需要,如“一带一路”倡议等的实施,其内不可避免的会有大量新建、改建、扩建等工程项目的实施,该区域的土体除了受季节性温度的影响,还普遍处于非饱和状态。实际工程中,土体处于水分场、温度场、应力场等多场耦合的环境中,因此有必要对水-热-力耦合效应下非饱和季冻土的力学特性及冻结变形特征进行研究,以完善非饱和冻土理论研究体系,为季冻区非饱和土体工程的设计施工提供参考与指导。本文以典型季冻区且是“一带一路”建设规划中“中蒙俄经济走廊”节点城市——长春的粉质黏土为研究对象,同时考虑温度及土体非饱和特性,在水-热-力三场耦合条件下,对其力学特性及冻结变形特征进行系统研究。基于宏观物理力学试验,得出土体在不同基质吸力及温度条件下的土水特征曲线、冻结特征曲线、热物理参数、强度参数及冻结变形特性等;基于细观试验对其宏观性质的机理进行探究;基于连续介质力学及热力学等理论,推导得出考虑土体温度及非饱和特性的水-热-力三场耦合数学模型,对非饱和季冻土的力学特性及冻结变形特征进行分析模拟。主要工作包括以下几个方面:(1)基于界面力学、颗粒物质力学等理论,对液-固、液-气界面相互作用的物理、化学及力学过程进行分析,阐明了基质吸力对非饱和土体力学性质贡献的本质。通过土-水特征曲线试验及冻结特征曲线试验,建立了基质吸力与体积水含量、温度与体积未冻水含量的预估模型,进一步建立了温度与基质吸力之间的函数关系。(2)基于温度与基质吸力之间的关系,提出了考虑温度的非饱和土抗剪强度预测公式。通过GDS非饱和土三轴试验,研究了不同温度条件下非饱和粉质黏土的力学特性,指出受季节性温度影响的非饱和粉质黏土中基质吸力、未冻水含量、冰胶结黏聚力为强度与变形的主控因素,同时阐释了总黏聚力与有效内摩擦角的组成特点。利用室内试验所得数据对考虑温度的非饱和土抗剪强度预测公式进行了验证。(3)通过各向等温冻结试验,研究不同负温条件对非饱和土冻结变形的影响,探讨了不同初始基质吸力土样的轴向变形、径向变形随温度的变化规律;指出非饱和冻土在不同负温及初始基质吸力条件下表现出的冻胀、冻缩程度,由土孔隙中水冰相变的体积膨胀程度及基质吸力作用时的体积缩小程度二者共同决定,低温低初始基质吸力时,水冰相变的体积膨胀程度对土体的变形影响较大,土体易发生冻胀,高温高初始基质吸力时,基质吸力作用下体积的缩小程度对土体的变形影响较大,土体易发生冻缩。(4)采用GDS非饱和土三轴测试系统控制原状试样基质吸力,制备不同初始基质吸力的原状试样,通过蔡司LSM700激光共聚焦显微镜在负温条件下获取高、低初始基质吸力时非饱和土冻结后结构图片,明确不同条件下试样中孔隙冰的形态特征,诠释了非饱和土冻结过程中孔隙结构特征变化的相关机理及冰晶体的生长发育特点,及其对土体力学特性和冻结变形特征的影响,并基于此提出临界冻胀饱和度的概念。(5)基于连续介质力学及热力学等理论,推导得出考虑土体温度及非饱和特性的水-热-力三场耦合数学模型,并基于室内试验结果对其可靠性进行了检验。该模型能够较好的反映温度及基质吸力作用时非饱和冻(融)土体的力学特性及冻结变形特征。


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