凍土地區(qū)支擋結(jié)構(gòu)凍脹效應(yīng)及服役性能研究.pdf

1、凍土作為一種不穩(wěn)定特殊土，其性質(zhì)隨著溫度變化和凍融過程的發(fā)展而動(dòng)態(tài)變化，由此導(dǎo)致了很多工程問題。影響最嚴(yán)重的問題在于土的凍脹和融沉導(dǎo)致的建筑結(jié)構(gòu)變形和失穩(wěn)。凍土地區(qū)支擋結(jié)構(gòu)的變形和穩(wěn)定性研究，不僅對于支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)工作具有指導(dǎo)意義，也值得在凍土地區(qū)其它各種工程的受力和相互作用問題研究中進(jìn)行參考和借鑒。
　　本文以國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）“青藏高原重大凍土工程的基礎(chǔ)研究”為依托，以重力式擋土墻為研究對象，通

2、過室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值計(jì)算的方法，以凍土和結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理、凍土凍融過程中的多場耦合模型為兩個(gè)基本切入點(diǎn)，對凍土的凍脹和融沉問題、凍土和支擋結(jié)構(gòu)的相互作用問題、以及支擋結(jié)構(gòu)的變形和穩(wěn)定性問題進(jìn)行了深入研究，以期建立一種能夠指導(dǎo)凍土地區(qū)支擋結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的有效理論和方法。本文取得的主要研究成果有:
　　(1)開發(fā)和改裝了適合進(jìn)行負(fù)溫接觸面剪切試驗(yàn)的動(dòng)力直剪和靜力直剪設(shè)備。其中凍土動(dòng)荷載直剪儀的自主開發(fā)比例較大，創(chuàng)新程度較高。兩套試

3、驗(yàn)儀器均經(jīng)過了實(shí)際應(yīng)用的檢驗(yàn)，表現(xiàn)出很高的適用性和可靠性。
　　(2)進(jìn)行了一系列多因素控制的凍土與混凝土接觸面直剪試驗(yàn)，分別從動(dòng)力和靜力條件下測試了接觸面強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系受各種環(huán)境因素的影響規(guī)律。基于多元線性回歸方法，對接觸面的強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的參數(shù)進(jìn)行了多因素回歸分析，得到了各力學(xué)參數(shù)與多種影響因素之間的顯式關(guān)系。以實(shí)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立了凍土與混凝土接觸面的力學(xué)模型。
　　(3)建立了基于水熱遷移的凍土凍融過程的水熱

4、耦合模型。該模型在傳熱過程中考慮了孔隙中的冰水相變潛熱，以及隨冰水組分轉(zhuǎn)換而變化的熱力學(xué)參數(shù)，在水分遷移過程中借鑒了多孑L介質(zhì)滲流理論，考慮了基質(zhì)吸力、擴(kuò)散率和比水容量隨冰水組分變化而變化的情況，并加入了冰對于水分遷移的阻滯作用。模型還考慮了未凍水含量隨溫度的變化規(guī)律。建立了基于溫度和體積含冰量的凍脹模型，該模型體現(xiàn)了孔隙冰和凍脹率之間的分段線性關(guān)系，將凍脹過程分為無凍脹、非飽和凍脹和飽和凍脹三個(gè)階段。
　　(4)對多場耦合軟件C

5、OMSOL Multiphysics進(jìn)行開發(fā)，建立了一套計(jì)算凍融循環(huán)過程和土與結(jié)構(gòu)相互作用的方法。建立了15個(gè)不同措施和工況的擋土墻模型，得到了五年的凍融過程中關(guān)于不同換填措施、不同保溫措施和不同地下水位的溫度場、總含水量場、含冰量場、應(yīng)力場、位移場分布狀態(tài)的數(shù)據(jù)。分別從隨時(shí)間變化和隨不同工況變化兩個(gè)方面比較了各物理場的分布規(guī)律和變化情況，分析了擋土墻凍脹變形的發(fā)展規(guī)律及處理措施的影響作用。引入效費(fèi)比概念，通過方案比選確定了抑制凍脹導(dǎo)向