正凍飽和路基土的結構損傷彈塑性模型與凍脹變形研究

本項目瞄準寒區(qū)路基在抗凍設計和凍害防治方面的理論需求和技術欠缺，著眼于凍結過程中飽和路基土凍脹變形的發(fā)生與發(fā)展機制，特別關注正凍土的應力、溫度和水分的三場耦合效應。以東北地區(qū)常見的粉質黏土為研究對象，采用室內試驗、理論分析和數值模擬相結合的手段，深入研究季節(jié)性凍土凍脹變形機理。首先，總結并分析了國內外學者關于凍脹試驗系統的研制進展，設計并研制了側限條件下土體凍脹試驗系統和復雜應力（三軸應力）狀態(tài)下的土體凍脹試驗系統，并提出了相應的試驗方法。其次，以粉質黏土為研究對象，考慮應力水平、壓實度、溫度梯度等因素的影響，分別進行了側限與復雜應力條件下飽和土的凍脹試驗，分析了飽和粉質黏土的在凍結過程中的溫度、水分分布規(guī)律，以及凍脹發(fā)展規(guī)律。再次，研究了正凍粉質黏土的凍結速率、凍脹速率、凍脹率的發(fā)生與發(fā)展機制，并考慮應力水平、壓實度、溫度梯度的綜合影響，建立了凍脹率的經驗預估模型。進而，以熱傳導、相變潛熱、水分擴散等理論為基礎，建立了飽和-非飽和壓實粉質黏土水-熱全耦合數值模型；基于COMSOL多物理場仿真軟件，實現了飽和-非飽和壓實粉質黏土的水-熱全耦合數值模擬，并結合室內模型試驗驗證了模型的可靠性。最后，建立并驗證了飽和-非飽和壓實粉質黏土的凍脹預估模型。通過本項目的研究，有利于深入理解路基凍脹的發(fā)生機制和變形規(guī)律，為凍土路基的抗凍設計和穩(wěn)定性評價提供理論支撐，并推動寒區(qū)交通基礎設施的建設和凍土力學的發(fā)展。 基于以上成果，項目組發(fā)表了學術論文18篇，其中SCI檢索8篇，EI檢索7篇；申請專利3項，授權1項；培養(yǎng)副教授1人，碩士生4名，博士生2名；完成專著2本；部分成果納入我國行業(yè)標準《季節(jié)性凍土地區(qū)公路設計與施工技術規(guī)范》（JTG/TD31-06-2017）和遼寧省地方標準《公路路基彎沉驗收標準》（DB21/T 2764-2017）。獲得國家科技進步二等獎1項、中國公路學會科學技術一等獎1項、陜西省科技進步一等獎1項。 2100433B

隨著哈爾濱-大連高速鐵路與漠河-北極村高速公路等重大交通基礎設施的建設與運營，我國在高寒季凍區(qū)的交通建設中取得了重大進展。然而路基的凍脹依然制約著工程的耐久性和行車安全。本課題瞄準寒區(qū)路基在抗凍設計和凍害防治方面的理論需求與技術欠缺，特別關注正凍土的應力、溫度和水分的耦合效應，采用室內試驗、理論分析和數值模擬相結合的方法，深入研究季節(jié)性凍土凍脹變形的發(fā)生與發(fā)展機制。首先，在應力－溫度耦合作用下飽和土凍脹試驗基礎上，以孔隙冰比作為損傷變量，提出正凍土的結構損傷演化方程；據此，在臨界狀態(tài)土力學框架下，通過建立合理的屈服函數和硬化準則，構建正凍土的結構損傷彈塑性模型；基于此，改進孔隙冰發(fā)展函數，建立正凍土的水-熱-力耦合凍脹模型，并驗證該模型。本項目的研究，有利于深入理解路基凍脹的發(fā)生機制和變形規(guī)律，為凍土基礎的穩(wěn)定性評價提供理論支撐，促進寒區(qū)交通基礎設施的建設和凍土力學的發(fā)展。

《季凍區(qū)路基土凍脹的微觀機理研究》以吉林省季凍區(qū)路基土為研究對象，利用SEM提取路基土凍脹過程中不同凍結狀態(tài)下微觀結構圖片，并用WD一5專業(yè)分析軟件對圖片進行定量分析，比較不同條件下一個凍融循環(huán)過程中微觀結構所發(fā)生的變化，揭示季凍土產生凍脹的微觀本質。將微觀結構參數與凍脹率聯系起來，建立基于灰色關聯分析和粗糙集理論的評價模型，探討微觀結構對凍脹的影響大小，利用評價結果選擇對凍脹影響最有意義的微觀結構參數。

在考慮宏觀條件的基礎上，充分考慮微觀結構參數，建立包含對凍脹最有意義微觀結構參數BP神經網絡凍脹模型，并對模型進行了驗證。為建立包含微觀結構參數的凍脹模型及耦合模型提供了選參依據。

符合實際和便于工程應用的桿恢復力模型是結構彈塑性分析的關鍵。作為一種新型桿恢復力模型，桿內時模型的研究剛剛起步，考慮到它所具有的鮮明特色和優(yōu)點，深入探討它對各種材料桿本構特性描述的合理性、完善其理論基礎很有必要。桿內時模型通過截面內時本構方程描述桿截面處內力與變形之間的關系，并利用桿有限元方法反映彈塑性沿桿長的分布特性，從而最終反映桿端力與桿端位移的關系。主要研究內容：深入探討桿在各種復合受力條件下截面綜合內時模型的合理形式；研究桿內時模型關于彈塑性沿桿長分布的合理描述；探討桿內時模型對幾種常用工程材料桿的適用性；提出適用于結構分析的桿內時模型數值計算方法；進行鋼筋混凝土和型鋼混凝土桿的復合受力試驗；將本模型與通用程序分析結果和試驗結果進行對比，驗證本模型的合理性和可靠性。本項目研究的目的是完善桿內時模型的理論基礎、給出建立模型的可靠方法，使桿內時模型成為合理可行的桿恢復力模型。 2100433B

第一章 緒論

1．1 研究意義

1．2 國內外凍土研究概況

1．3 土微觀結構的國內外研究現狀

1．4 不確定性信息處理的研究方法

1．5 本書的主要研究內容、技術路線

第二章 研究區(qū)路基土的物質成分及物化性質．

2．1 土的物質組成

2．2 研究區(qū)土樣的化學性質

2．3 季節(jié)凍土的熱交換參數

2．4 季節(jié)凍土的水力參數

2．5 本章小結

第三章 研究區(qū)土樣室內凍脹試驗

3．1 研究區(qū)路基土季節(jié)凍脹的概況

3．2 室內凍脹試驗概況

3．3 室內凍脹試驗結果

3．4 試驗結果分析

3．5 本章小結

第四章 路基土微觀結構的研究方法

4．1 引言

4．2 微觀結構研究對象、內容及微觀結構參數的選取

4．3 微觀結構的研究方法

4．4 試驗儀器及微觀結構樣品制備

4．5 本章小結

第五章 路基土凍融過程中微觀結構變化研究

5．1 微觀結構的定性分析

5．2 微觀結構特征的定量分析

5．3 本章小結

第六章 基于灰關聯度法及粗糙集理論評價微觀結構對凍脹的影響

6．1 引言

6．2 基于灰關聯度法評價微觀結構對凍脹的影響

6．3 粗糙集理論主要概念

6．4 運用粗糙集理論進行微觀結構參數對凍脹的影響評價

6．5 本章小結

第七章 基于BP神經網絡建立包含微觀結構參數的凍脹模型

第八章 結語

參考文獻2100433B