凍土的力學特性和損傷本構模型的研究.pdf

1、作為多年凍土地區(qū)建筑物的地基基礎，凍土的物理、力學性質直接影響著建筑物的設計原則、運營狀況及其運營時間。由土顆粒、冰、未凍水及氣體多組分組成的凍土，其中任何組分的物理、力學性質的改變都會影響到整體的物理、力學性質的變化。溫度、壓力、水分狀況以及鹽分含量等是控制凍土物理、力學性質的主要因素。 土體是由松散的顆粒體組成的，其面積的大小決定于其成型壓力，壓力越大，土顆粒越密實，所占有的體積越小。也就是說，土顆粒在壓力作用下有被壓密的趨

2、勢。密實的土體具有較大的承載力。 冰作為凍土中獨特的成分，對溫度及壓力極其敏感。不論溫度還是壓力升高，都會導致冰的融化，使其喪失承載力以及土顆粒之間的凍結力。在凍土中，冰與未凍水處于動態(tài)的平衡之中，從而使凍土的力學性質很不穩(wěn)定。 未凍水分強結合水和弱結合水，處于弱結合水狀態(tài)的未凍水，具有流動性，對凍土的力學性質有著重要的影響。它的存在，使得凍土具有流變形，表現(xiàn)為粘彈、粘塑性的力學性質。壓力和溫度控制著冰和未凍水之間的轉化

3、。壓力增大、溫度增高，未凍水與土骨架和冰一起共同承受荷載。不同的是，未凍水承受外載的能力更易變化，具有從高應力區(qū)向低應力區(qū)移動，并卸掉部分或全部所承受的荷載，由土骨架和冰承擔。因此，壓力除增大土顆粒的密實度和強化土體外，與一般土力學概念有差異的是，壓力同時導致未凍水增加，由此導致凍土承載力降低，流變性增強。 凍土的力學本構關系顯示出強烈的粘塑性，并且與未凍水含量的多少密切相關。靜水壓力增大，密度增加、摩擦力增大，導致應變硬化。同

4、時壓力增大，冰向未凍水轉化，從而造成未凍水增多，抵抗力降低。為此，本文在耗散勢的建立上引進了未凍水含量的指標，反映靜水壓力的雙重作用。 凍土的破壞過程是漸進的，損傷力學的引進對于凍土破壞過程本構關系的建立起到了關鍵的作用。本文在理論分析上，提出了損傷演變率和損傷門檻值的具體形式。 在連續(xù)介質力學及熱力學基礎上建立的飽和凍土粘彈塑損傷耦合本構理論，反映了凍土的粘彈塑性質、未凍水作用機理、應變硬化以及破壞的發(fā)展過程。