正凍飽和路基土的結(jié)構(gòu)損傷彈塑性模型與凍脹變形研究項(xiàng)目摘要

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(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)，我國(guó)在高寒季凍區(qū)的交通建設(shè)中取得了重大進(jìn)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(zhǔn)寒區(qū)路基在抗凍設(shè)計(jì)和凍害防治方面的理論需求與技術(shù)欠缺，特別關(guān)注正凍土的應(yīng)力、溫度和水分的耦合效應(yīng)，采用室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)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(jī)制。首先，在應(yīng)力－溫度耦合作用下飽和土凍脹試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以孔隙冰比作為損傷變量，提出正凍土的結(jié)構(gòu)損傷演化方程；據(jù)此，在臨界狀態(tài)土力學(xué)框架下，通過(guò)建立合理的屈服函數(shù)和硬化準(zhǔn)則，構(gòu)建正凍土的結(jié)構(gòu)損傷彈塑性模型；基于此，改進(jìn)孔隙冰發(fā)展函數(shù)，建立正凍土的水-熱-力耦合凍脹模型，并驗(yàn)證該模型。本項(xiàng)目的研究，有利于深入理解路基凍脹的發(fā)生機(jī)制和變形規(guī)律，為凍土基礎(chǔ)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供理論支撐，促進(jìn)寒區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和凍土力學(xué)的發(fā)展。

本項(xiàng)目瞄準(zhǔn)寒區(qū)路基在抗凍設(shè)計(jì)和凍害防治方面的理論需求和技術(shù)欠缺，著眼于凍結(jié)過(guò)程中飽和路基土凍脹變形的發(fā)生與發(fā)展機(jī)制，特別關(guān)注正凍土的應(yīng)力、溫度和水分的三場(chǎng)耦合效應(yīng)。以東北地區(qū)常見(jiàn)的粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象，采用室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，深入研究季節(jié)性凍土凍脹變形機(jī)理。首先，總結(jié)并分析了國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于凍脹試驗(yàn)系統(tǒng)的研制進(jìn)展，設(shè)計(jì)并研制了側(cè)限條件下土體凍脹試驗(yàn)系統(tǒng)和復(fù)雜應(yīng)力（三軸應(yīng)力）狀態(tài)下的土體凍脹試驗(yàn)系統(tǒng)，并提出了相應(yīng)的試驗(yàn)方法。其次，以粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象，考慮應(yīng)力水平、壓實(shí)度、溫度梯度等因素的影響，分別進(jìn)行了側(cè)限與復(fù)雜應(yīng)力條件下飽和土的凍脹試驗(yàn)，分析了飽和粉質(zhì)黏土的在凍結(jié)過(guò)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(zhì)黏土的凍結(jié)速率、凍脹速率、凍脹率的發(fā)生與發(fā)展機(jī)制，并考慮應(yīng)力水平、壓實(shí)度、溫度梯度的綜合影響，建立了凍脹率的經(jīng)驗(yàn)預(yù)估模型。進(jìn)而，以熱傳導(dǎo)、相變潛熱、水分?jǐn)U散等理論為基礎(chǔ)，建立了飽和-非飽和壓實(shí)粉質(zhì)黏土水-熱全耦合數(shù)值模型；基于COMSOL多物理場(chǎng)仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了飽和-非飽和壓實(shí)粉質(zhì)黏土的水-熱全耦合數(shù)值模擬，并結(jié)合室內(nèi)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可靠性。最后，建立并驗(yàn)證了飽和-非飽和壓實(shí)粉質(zhì)黏土的凍脹預(yù)估模型。通過(guò)本項(xiàng)目的研究，有利于深入理解路基凍脹的發(fā)生機(jī)制和變形規(guī)律，為凍土路基的抗凍設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供理論支撐，并推動(dòng)寒區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和凍土力學(xué)的發(fā)展。 基于以上成果，項(xiàng)目組發(fā)表了學(xué)術(shù)論文18篇，其中SCI檢索8篇，EI檢索7篇；申請(qǐng)專利3項(xiàng)，授權(quán)1項(xiàng)；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(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《季節(jié)性凍土地區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/TD31-06-2017）和遼寧省地方標(biāo)準(zhǔn)《公路路基彎沉驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（DB21/T 2764-2017）。獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、中國(guó)公路學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、陜西省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。 2100433B

《季凍區(qū)路基土凍脹的微觀機(jī)理研究》以吉林省季凍區(qū)路基土為研究對(duì)象，利用SEM提取路基土凍脹過(guò)程中不同凍結(jié)狀態(tài)下微觀結(jié)構(gòu)圖片，并用WD一5專業(yè)分析軟件對(duì)圖片進(jìn)行定量分析，比較不同條件下一個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)所發(fā)生的變化，揭示季凍土產(chǎn)生凍脹的微觀本質(zhì)。將微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與凍脹率聯(lián)系起來(lái)，建立基于灰色關(guān)聯(lián)分析和粗糙集理論的評(píng)價(jià)模型，探討微觀結(jié)構(gòu)對(duì)凍脹的影響大小，利用評(píng)價(jià)結(jié)果選擇對(duì)凍脹影響最有意義的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。

在考慮宏觀條件的基礎(chǔ)上，充分考慮微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立包含對(duì)凍脹最有意義微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)凍脹模型，并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。為建立包含微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的凍脹模型及耦合模型提供了選參依據(jù)。

符合實(shí)際和便于工程應(yīng)用的桿恢復(fù)力模型是結(jié)構(gòu)彈塑性分析的關(guān)鍵。作為一種新型桿恢復(fù)力模型，桿內(nèi)時(shí)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(diǎn)，深入探討它對(duì)各種材料桿本構(gòu)特性描述的合理性、完善其理論基礎(chǔ)很有必要。桿內(nèi)時(shí)模型通過(guò)截面內(nèi)時(shí)本構(gòu)方程描述桿截面處內(nèi)力與變形之間的關(guān)系，并利用桿有限元方法反映彈塑性沿桿長(zhǎng)的分布特性，從而最終反映桿端力與桿端位移的關(guān)系。主要研究?jī)?nèi)容：深入探討桿在各種復(fù)合受力條件下截面綜合內(nèi)時(shí)模型的合理形式；研究桿內(nèi)時(shí)模型關(guān)于彈塑性沿桿長(zhǎng)分布的合理描述；探討桿內(nèi)時(shí)模型對(duì)幾種常用工程材料桿的適用性；提出適用于結(jié)構(gòu)分析的桿內(nèi)時(shí)模型數(shù)值計(jì)算方法；進(jìn)行鋼筋混凝土和型鋼混凝土桿的復(fù)合受力試驗(yàn)；將本模型與通用程序分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本模型的合理性和可靠性。本項(xiàng)目研究的目的是完善桿內(nèi)時(shí)模型的理論基礎(chǔ)、給出建立模型的可靠方法，使桿內(nèi)時(shí)模型成為合理可行的桿恢復(fù)力模型。 2100433B

第一章 緒論

1．1 研究意義

1．2 國(guó)內(nèi)外凍土研究概況

1．3 土微觀結(jié)構(gòu)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)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?jī)?nèi)容、技術(shù)路線

第二章 研究區(qū)路基土的物質(zhì)成分及物化性質(zhì)．

2．1 土的物質(zhì)組成

2．2 研究區(qū)土樣的化學(xué)性質(zhì)

2．3 季節(jié)凍土的熱交換參數(shù)

2．4 季節(jié)凍土的水力參數(shù)

2．5 本章小結(jié)

第三章 研究區(qū)土樣室內(nèi)凍脹試驗(yàn)

3．1 研究區(qū)路基土季節(jié)凍脹的概況

3．2 室內(nèi)凍脹試驗(yàn)概況

3．3 室內(nèi)凍脹試驗(yàn)結(jié)果

3．4 試驗(yàn)結(jié)果分析

3．5 本章小結(jié)

第四章 路基土微觀結(jié)構(gòu)的研究方法

4．1 引言

4．2 微觀結(jié)構(gòu)研究對(duì)象、內(nèi)容及微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取

4．3 微觀結(jié)構(gòu)的研究方法

4．4 試驗(yàn)儀器及微觀結(jié)構(gòu)樣品制備

4．5 本章小結(jié)

第五章 路基土凍融過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)變化研究

5．1 微觀結(jié)構(gòu)的定性分析

5．2 微觀結(jié)構(gòu)特征的定量分析

5．3 本章小結(jié)

第六章 基于灰關(guān)聯(lián)度法及粗糙集理論評(píng)價(jià)微觀結(jié)構(gòu)對(duì)凍脹的影響

6．1 引言

6．2 基于灰關(guān)聯(lián)度法評(píng)價(jià)微觀結(jié)構(gòu)對(duì)凍脹的影響

6．3 粗糙集理論主要概念

6．4 運(yùn)用粗糙集理論進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)凍脹的影響評(píng)價(jià)

6．5 本章小結(jié)

第七章 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立包含微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的凍脹模型

第八章 結(jié)語(yǔ)

參考文獻(xiàn)2100433B