凍土地區(qū)支擋結構凍脹效應及服役性能研究.pdf

1、凍土作為一種不穩(wěn)定特殊土，其性質隨著溫度變化和凍融過程的發(fā)展而動態(tài)變化，由此導致了很多工程問題。影響最嚴重的問題在于土的凍脹和融沉導致的建筑結構變形和失穩(wěn)。凍土地區(qū)支擋結構的變形和穩(wěn)定性研究，不僅對于支擋結構的設計、施工和維護工作具有指導意義，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行參考和借鑒。
　　本文以國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）“青藏高原重大凍土工程的基礎研究”為依托，以重力式擋土墻為研究對象，通

2、過室內試驗、理論分析和數(shù)值計算的方法，以凍土和結構相互作用機理、凍土凍融過程中的多場耦合模型為兩個基本切入點，對凍土的凍脹和融沉問題、凍土和支擋結構的相互作用問題、以及支擋結構的變形和穩(wěn)定性問題進行了深入研究，以期建立一種能夠指導凍土地區(qū)支擋結構工程設計的有效理論和方法。本文取得的主要研究成果有:
　　(1)開發(fā)和改裝了適合進行負溫接觸面剪切試驗的動力直剪和靜力直剪設備。其中凍土動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、驗儀器均經過了實際應用的檢驗，表現(xiàn)出很高的適用性和可靠性。
　　(2)進行了一系列多因素控制的凍土與混凝土接觸面直剪試驗，分別從動力和靜力條件下測試了接觸面強度和應力應變關系受各種環(huán)境因素的影響規(guī)律?；诙嘣€性回歸方法，對接觸面的強度和應力應變關系的參數(shù)進行了多因素回歸分析，得到了各力學參數(shù)與多種影響因素之間的顯式關系。以實測數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立了凍土與混凝土接觸面的力學模型。
　　(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，以及隨冰水組分轉換而變化的熱力學參數(shù)，在水分遷移過程中借鑒了多孑L介質滲流理論，考慮了基質吸力、擴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系，將凍脹過程分為無凍脹、非飽和凍脹和飽和凍脹三個階段。
　　(4)對多場耦合軟件C

5、OMSOL Multiphysics進行開發(fā)，建立了一套計算凍融循環(huán)過程和土與結構相互作用的方法。建立了15個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、應力場、位移場分布狀態(tài)的數(shù)據(jù)。分別從隨時間變化和隨不同工況變化兩個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。引入效費比概念，通過方案比選確定了抑制凍脹導向