復雜條件下凍土力學特性研究及凍土基礎離心模型試驗

通過本項目研究，在我國首次分別建立了一套可測體變的低溫高壓蠕變儀和一套寒區(qū)工程離心模擬試驗裝置/系統(tǒng)。大量試驗數據表明，人工凍土瞬時抗壓強度與粘土的基本物性參數的密切關系。多數人工凍土瞬時三軸剪切強度在圍壓增高時，三軸剪切強度準則須用曲線型如拋物線型描述。建立了溫度、時間等變量分離的人工凍結粘土的本構關系。建立了以凍結壁/凍結管允許變形為準則的深凍結壁時空設計理論和公式。進行了凍土地基模型模擬試驗數據吻合，說明熱傳遞比例因素正確;無荷或不同荷載級別下凍土地基重復離心模擬試驗、有荷下凍土地基凍脹融沉離心模擬試驗數據間比較接近；不同荷載級別下的凍土地基沉降曲線表明既有蠕變產生又有應力非線性的影響。 2100433B

氣體、礦物顆粒、未凍水、冰是組成凍土的四種物質成分，氣體、未凍水和冰的含量隨溫度變化。變形特性將凍土地基分為松散、塑性與堅硬凍土含有機物與鹽類的不同將凍土分為凍結泥炭化土與鹽漬化凍土根據持續(xù)時間可分為多年與季節(jié)凍土根據凍土的融沉性與土的凍脹性又可分成若干亞類。

凍結狀態(tài)連續(xù)保持三年以上者，物理力學性質隨溫度變化而改變，伴隨發(fā)生融陷、熱融滑塌、凍脹等現(xiàn)象的視為多年凍土地面表層冬季凍結，夏季全部融化，每年交替凍融一次的土層為季節(jié)性凍土。

在凍結狀態(tài)下，具有較低的壓縮性或不具壓縮性和較高的強度屬凍土地基的工程特性。如果凍土融化后則承載力大大降低，壓縮性變化較大，使地基產生融陷凍脹對地基的承載力和安全性極為不利。

土的顆粒大小及含水量可以影響凍脹和融陷，一般土顆粒愈粗，含水量愈小，土的凍脹和融陷性愈小反之愈大。不同土質、平均凍脹率、凍前天然含水量、凍結期間地下水位距凍結面的最小距離可以劃分季節(jié)性凍土多年凍土根據融化下沉系數的大小，可分為不融沉、弱融沉、融沉、強融沉和融陷五級。

深土凍土力學的基本研究內容應當包括:1）在研究深土的力學參數與深度（即圍壓）間關系的基礎上，實驗研究深土凍土力學物理參數、力學特性及數值與深度的關系;2）深土凍土（即有圍壓條件下形成的凍土）力學性能參數的實驗方法和數值的確定;3）研究有圍壓條件下形成的凍土試件，在卸載或變載試驗條件下的本構關系、破壞準則和強度理論;4）深土中凍土試件強度與凍結壁強度間關系（包括幾何效應和均質效應等）的實驗研究;5）深土中土、凍結壁、工程結構物間力學、熱學及其耦合作用研究;6）深土中凍結壁形成和解凍過程與土性和地下結構物間的力學關系;7）其它深土中人工凍結工程中力學問題研究;8）深土凍土力學的試驗方法、原理及測試技術。對深土凍土力學的研究方法有些可以借鑒淺土凍土力學的方法和成果。但許多內容是從實驗開始。首先要明確深土凍土力學的學術思想和特點，并在其指導下開展深土中凍土力學的力學特性、本構關系、破壞準則和強度理論的實驗研究，并逐步上升到規(guī)律和理論。 2100433B

（1）力學參數是深度的函數。天然凍土基本不受有外載，即使深10～20 m的土所受外載也很小，可以認為是在無外載條件下，一維（大面積）傳熱形成的凍土。而深土凍土是人工制冷在有外載（也稱“高圍壓”）條件下形成的。這個外載是土賦存深度的函數。所以深土凍土的力學參數是深度的函數，甚至其物理參數也與深度有關。這些關系和規(guī)律有待試驗研究。

（2）特殊的荷載歷史。深土凍土力學的特點之一是以人工制冷形成的凍結壁，在形成中和形成后都受外載。然后在凍結壁內側一維或二維突然減載至另一結構物建成阻止其變形后，凍結壁內側又存在一維或二維的增載過程。所以深土凍土和淺土凍土的應力——變形關系（本構關系）、力學行為、破壞準則和強度理論有何不同有待研究確定。因此將淺土凍土力學的成果外延應用到深土凍土時，常常造成計算結果或設計結果的較大誤差，甚至錯誤，給工程造成嚴重后果。

（3）深土凍土力學性質的實驗方法和數值確定方法有待建立。淺土凍土力學多用在一維承載或凍脹對結構物影響的研究，故用常規(guī)的材料力學試驗方法，即加載過程試驗，求得試件力學參數并應用于工程是可行的，它已被工程實踐所證實。而深土凍土力學應用在已受載條件下形成的凍土，且在一維或二維卸載后變形受阻轉為加載的荷載歷史。故需用有載荷條件下制造試件，用卸載和變載試驗求得其力學特性參數。所以從試驗方法、設備都要改變。重新建立深土凍土力學參數的實驗方法、設備和規(guī)范就成為急迫而必要的了。

（4）要研究試件力學參數與結構強度的關系。在材料力學中研究固體材料（特別是金屬材料）在均質的、彈性的、小變形的前提下建立的彈性力學可以求出簡單結構物的應力分布，再與加載過程的試件力學參數值結合，來確定結構物安全的整體強度和穩(wěn)定性的方法是成功的。但對于非均質、非彈性的凍土仍用上述方法，無論是應力分布和材料力學參數，以及力學參數與結構形式和幾何尺寸的關系有待研究?；炷敛牧喜恢蛔髟嚰姸?，而且作原型結構試驗進行對比后得出試件強度（標號）與不同構件條件下可取用的材料強度值的關系。它可作為深土凍土力學參數與凍結壁結構強度關系研究的借鑒。目前只作試件力學參數研究對于深土凍土力學來講，試驗與工程是脫節(jié)的。改變這一局面是一個亟待解決的課題。