基于老化理论的冻土蠕变模型研究

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随着冻土工程的逐渐增多,对冻土的蠕变本构模型的研究在寒区工程变形和稳定性分析中越来越重要。本文综合国内外已有的本构模型,并将其归为四类:经验型本构模型、微观损伤力学模型、亚塑性本构模型、黏弹塑性本构模型。通过分类研究发现,每一类冻土本构模型都继承了原始理论的优缺点,在实际应用中存在各类问题。为了构建一个结构简单、物理意义明确、模型参数易获取、模拟准确性较高的冻土蠕变本构模型,本文在前人研究的基础上综合分析分析了冻土的蠕变性质与长期强度。同时,本研究完成了粉质粘土的K0蠕变试验与冻结标准砂的三轴蠕变试验,并分析不同受力条件下冻土的蠕变特性。基于试验结果分析了一维和三维软土蠕变模型适用性,并在此基础上对其改进用以研究三轴状态下冻土的蠕变特性研究。在本项研究主要包括以下四个方面的内容:  (1)在大量研究的基础上,总结分析了冻土的强度特性与冻土蠕变特性,并系统地分析了含水量、温度、受力条件以及含盐量对其影响。通过分析表明,强度衰减是影响冻土蠕变行为的一个重要因素,可以通过不同应力条件下的三轴蠕变曲线获得。通过综合分析冻土强度衰减与蠕变变形之间的内部联系,为建立考虑冻土力学特性的本构模型奠定基础。  (2)通过分析冻结粉质粘土的K0压缩试验发现,受力历史是影响冻土力学行为的关键因素。引入融土中考虑应力历史的一维蠕变模型并进行了相应修正,使其能够反应温度对冻土蠕变特性的影响。对比试验和模型计算结果表明:修正后得到的冻土一维蠕变模型在预测不同温度条件下土体的蠕变发展规律时具有较好的预测精度。同时随着施加压力的增大,该模型能够准确描述当外压力超过其历史上所受最大压力时所产生的应变急剧增长现象。  (3)应用冻土单轴蠕变数据,验证基于老化理论的软土蠕变模型、元件模型与亚塑性本构模型的模拟准确性以及适用范围。冻土亚塑性蠕变模型能够全面地模拟冻土蠕变三个阶段,然而模型的参数不能通过常规的土力学试验获得,限制了模型的推广。冻土元件蠕变模型公式结构的缺陷,导致了模型较低的预测精度。软土蠕变模型能准确的模拟低应力条件下冻土蠕变与蠕变速率,然而在高应力条件下,模型的预测出现较大偏差。考虑软土蠕变模型在低应力水平的预测精度较高,并具有结构简单参数易获取的优势,可以考虑结合冻土强度衰减特性对模型进行改进。  (4)通过三轴试验得到冻结标准砂在三轴条件下蠕变与时间关系曲线,并分析得到冻结标准砂强度衰减公式。通过公式推导,将获得的长期强度表达式带入三维软土蠕变模型对模型进行改进。运用改进后的三维冻土蠕变模型模拟三轴受力条件下冻结标准砂的蠕变情况,结果表明:改进软土蠕变模型克服了原始模型的缺点,能完整的模拟冻土非衰减型蠕变的三个过程,模型的模拟准确度得到了大幅的提高。改进后的软土蠕变模型适用于冻土蠕变的模拟,可作为冻土工程建设的理论依据。
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