正融土无侧限抗压强度试验研究

摘要

我国东北、西北、华北处于季节冻土地区，建筑物的冻害十分普遍。与其它工程相比，该地区的铁路路基工程除受到土质影响外，更容易受到水分条件、外界环境温度和外荷载等因素的影响。上述因素的综合作用使得该地区的既有线路出现严重的冻害，该现象已经引起了人们的高度重视。 冻土在寒冷环境中的冻结和融化作用塑造着独特的冷生现象和自然景观，加上人类对这一系统的积极参与，构成了协同发展的冻土环境。随着对冻土地区自然资源的开发和经济的发展，许多国家的政府机构、高等院校、公路、机场、石油开采、采矿、工业及军事设施等部门都在冻土工程的有关方面作了一些理论和试验研究，以期解决冻土工程中存在的各种问题。特别是地处季节性冻土区的广大北方地区的铁路路基，其冻胀、翻浆冒泥等病害现象严重，常引起路基的下沉或失稳、甚至出现轨道变形，严重制约了高速铁路的发展，同时也影响了既有铁路的安全运营。因此，季节性冻土的冻胀、融沉特性研究日益受到广泛关注。 季节性冻土融化时，出现强度大幅度下降的弱化现象，这将导致季节冻土区内路基春季翻浆冒泥、地基失稳。为探明路基土融化过程中的强度弱化机理以及在此基础上制定有效的冻害预防措施，进行冻土的单轴无侧限抗剪强度试验，分析各因素对土的应力应变关系和强度的影响。结果表明：含水量、冷却温度、融化温度是冻土强度弱化的重要影响因素。含水量在18％～20％之间存在一个临界值，即最佳含水量。在该临界值，冻土的破坏强度达到最大值，土的各项力学性能最优。小于该临界值，土的破坏属于脆性破坏；大于该临界值，土的破坏逐渐趋于塑性破坏，应力应变关系呈现硬化趋势。含水量大于23％，土样不发生强度破坏而出现变形破坏。 土作为松散材料的堆积体，在组构上呈现出高度的各向异性、非均质性、非连续性和随机性，在力学性能上表现出强烈的非线性、非弹性和粘滞性，土的本构模型就是反映这些力学性态的数学表达式。文中用线性方程和高斯公式组成的分段函数对冻土融化时的应力应变关系曲线进行拟和，发现吻合很好。该公式可以对正融土不同冷却温度、融化温度和含水量下的应力应变特性进行预测，可在实际工程中推广应用。 对处于融化过程中的冻土施加动荷载，分析动荷载作用下的累积应变和振动次数之间的关系，并与静荷载试验进行比较，为正融土在冻荷载作用下的变形研究提供试验依据。

目录

文摘

英文文摘

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致谢

1绪论

1.1课题的研究背景与意义

1.2国内外研究历史与现状

1.2.1冻胀、融沉的理论研究

1.2.2冻胀、融沉相关参数的研究

1.2.3冻胀、融沉控制的研究

1.2.4工程应用的历史与现状

1.2.5存在问题及发展趋势

1.3试验研究正融土强度弱化的必要性

1.4研究内容与思路

2京包、包兰线冻害与路基填料状况

2.1京包、包兰线冻害状况

2.2京包、包兰线路基填料概况

2.2.1基本试验及其结果

2.2.2土样的冻胀性分类

3正融土无侧限抗压强度试验设备及设计方案

3.1试验设计

3.2试验装置设计

3.2.1加载装置

3.2.2冻结土样制备装置

3.2.3土样融化设备

4正融土的强度弱化特性分析

4.1冻土应力应变与各影响因素的关系

4.1.1含水量对应力应变关系曲线的影响

4.1.2冷却温度对应力应变关系曲线的影响

4.1.3融化温度对应力应变关系曲线的影响

4.2冻土强度与各影响因素的关系

4.2.1土体强度的基本概念

4.2.2破坏强度与三因素的关系

4.3小结

5正融土应力应变关系拟和

5.1土的本构模型的发展

5.1.1土的本构模型的建立方法

5.1.2土的本构模型建模理论的研究进程

5.2土的应力应变关系曲线的拟和

5.3小结

6动荷载作用下正融土的无侧限抗压试验

6.1动荷载作用下粉土特性

6.1.1粉土的动本构特性

6.1.2粉土的动变形

6.1.3粉土液化特性

6.2动荷载作用下冻土融化实验

6.2.1实验设计

6.2.2实验分析

6.3小结

7研究成果的工程应用讨论

7.1路基冻害特征

7.2路基冻害防治措施

7.2.1换填法

7.2.2物理化学法

7.2.3保温法

7.2.4排水隔水法

7.3小结

8结论与问题

8.1主要结论

8.1.1试验装置特点

8.1.2冻土融化过程强度弱化与各影响因素的关系

8.1.3土样应力应变关系曲线的拟和

8.1.4研究成果在工程实践中的意义

8.2存在的问题

参考文献

作者简历