凍土地基廣義強(qiáng)度破壞理論及其應(yīng)用研究

基于斷裂力學(xué)理論和方法，研究凍土地基的破壞行為和特征，研究凍脹力與凍土斷裂韌度—廣義凍土強(qiáng)度的關(guān)系。提出了廣義強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，這是個(gè)全新的概念?？梢詮男碌慕嵌冉沂緝鐾恋鼗钠茐臋C(jī)理，探索新的學(xué)科領(lǐng)域和研究內(nèi)容。具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。為寒區(qū)工程基礎(chǔ)抗凍害破壞的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，可對工程凍害進(jìn)行定量評價(jià)及凍害預(yù)報(bào)。 2100433B

隨著煤炭資源開采不斷向深部發(fā)展，凍結(jié)法鑿井穿越表土層厚度不斷加大，傳統(tǒng)凍土力學(xué)理論已不適用于深層凍結(jié)壁穩(wěn)定性評價(jià)。為揭示深厚表土凍結(jié)壁變形破壞的力學(xué)機(jī)制，發(fā)展和完善深部凍土力學(xué)基礎(chǔ)理論，本項(xiàng)目采用了宏、細(xì)微觀相結(jié)合的方法，開展了有關(guān)凍土的強(qiáng)度與本構(gòu)模型方面的研究工作，進(jìn)行了低溫三軸靜力試驗(yàn)與流變試驗(yàn)，研究了凍土的強(qiáng)度、彈塑性變形、流變及損傷演化等力學(xué)特征，并開展了凍結(jié)壁數(shù)值模擬優(yōu)化分析，取得了以下結(jié)論： （1）在低圍壓下，凍土的應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，與此對應(yīng)的體積變形則總是隨著軸向應(yīng)變的增加先縮后脹；而對于高圍壓下凍土的應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型，與此對應(yīng)的體積變形則為壓縮型，即體積隨軸向應(yīng)變的增加只是減小，不出現(xiàn)體脹現(xiàn)象。 （2）凍土的強(qiáng)度先是隨著圍壓的增大而增大，而當(dāng)圍壓增大到一定值，凍土的強(qiáng)度隨圍壓的進(jìn)一步增大而減小。為了描述高圍壓作用下凍土強(qiáng)度隨著圍壓增大而呈現(xiàn)非線性減小的特征，建立了凍土的非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則。 （3）采用考慮受靜水壓力影響的偏平面上的破壞形狀函數(shù)，構(gòu)建了復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下凍土的強(qiáng)度準(zhǔn)則，并給出了該強(qiáng)度準(zhǔn)則的應(yīng)力空間破壞曲面。 （4）構(gòu)建了凍土的廣義力學(xué)本構(gòu)關(guān)系。體積屈服面采用橢圓的形式，以塑性體積應(yīng)變?yōu)橛不瘏?shù)；剪切屈服面選用拋物線的形式，以塑性剪應(yīng)變?yōu)橛不瘏?shù)；引入以塑性體積應(yīng)變?yōu)橛不瘏?shù)能夠反映凍土剪脹性質(zhì)的拋物線剪脹屈服面。 （5）研究了凍土的宏觀變形與微觀損傷演化之間的聯(lián)系。通過對凍土進(jìn)行CT掃描試驗(yàn)，研究了凍土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷演化過程，探討了溫度對凍土的宏觀力學(xué)性能及微觀損傷演化過程的影響。 （6）開展了凍土的流變力學(xué)特征。結(jié)合損傷力學(xué)理論，從凍土內(nèi)部存在裂隙、空洞等缺陷特征出發(fā)，建立了凍土的粘彈塑性損傷本構(gòu)模型。 （7）建立了深部鑿井凍結(jié)壁穩(wěn)定性分析數(shù)值計(jì)算模型，研究了采用不同凍結(jié)壁厚度下凍結(jié)壁開挖卸荷凍結(jié)壁的變形特征、應(yīng)力分布等。 2100433B

隨著煤炭資源開采不斷向深部發(fā)展，凍結(jié)法鑿井穿越表土層厚度不斷加大，傳統(tǒng)凍土力學(xué)理論已不適用于深層凍結(jié)壁穩(wěn)定性評價(jià)。為揭示深厚表土凍結(jié)壁變形破壞的力學(xué)機(jī)制，發(fā)展和完善深部凍土力學(xué)基礎(chǔ)理論，本項(xiàng)目擬采用宏、細(xì)微觀相結(jié)合的方法，研究開挖卸荷作用下深部凍土的黏彈塑性損傷本構(gòu)模型及其工程應(yīng)用。具體內(nèi)容包括：開展卸載過程及卸載后蠕變階段深部凍土的細(xì)觀損傷CT實(shí)時(shí)試驗(yàn)，定量研究深部凍土細(xì)微觀損傷演化與宏觀力學(xué)行為之間的聯(lián)系, 建立符合實(shí)際的損傷演化方程；研究深部凍土的卸載屈服特征與黏塑性流動(dòng)軌跡，基于損傷能量等效性假設(shè)，構(gòu)建卸荷條件下凍土的廣義黏彈塑性損傷本構(gòu)關(guān)系；采用應(yīng)力空間變換的方法將本構(gòu)關(guān)系拓展到復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，建立深部凍結(jié)壁穩(wěn)定性分析力學(xué)模型。通過開展本研究，對于揭示深部凍結(jié)壁的變形破壞機(jī)理具有重要意義，并為凍結(jié)壁的優(yōu)化設(shè)計(jì)與支護(hù)方式的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

中文名稱

凍土強(qiáng)度

英文名稱

strength of frozen soil

定　　義

凍土抵抗破壞的能力。指在一定受力狀態(tài)和工作條件下，凍土所能承受的最大應(yīng)力。

應(yīng)用學(xué)科

地理學(xué)（一級學(xué)科），凍土學(xué)（二級學(xué)科）