凍融作用下原狀黃土力學(xué)行為劣化試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究.pdf

1、凍融作用對(duì)土體工程力學(xué)行為的影響是巖土工程領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究課題。土體受到凍融循環(huán)作用后，由于凍融過(guò)程中冷生作用的影響，土體的結(jié)構(gòu)的變化會(huì)導(dǎo)致其物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)的改變。在寒冷地區(qū)進(jìn)行邊坡支護(hù)、路塹開(kāi)挖、路基修建等基礎(chǔ)建設(shè)活動(dòng)時(shí)，土體受到凍融循環(huán)作用之后，必須考慮其物理力學(xué)性質(zhì)的改變，從而對(duì)土體的變形和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。因此，對(duì)土體受到凍融循環(huán)后其物理力學(xué)性質(zhì)的改變的研究不僅具有較高的研究?jī)r(jià)值，同時(shí)也具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)當(dāng)前原狀土

2、凍融循環(huán)后力學(xué)性質(zhì)研究相對(duì)薄弱的現(xiàn)狀，本文以蘭州原狀黃土為研究對(duì)象，該試驗(yàn)采用的是封閉條件下的凍融循環(huán)試驗(yàn)，以干密度、含水量、凍融循環(huán)周期、凍結(jié)溫度為影響因素，展開(kāi)了一系列的凍融循環(huán)試驗(yàn)研究，主要的研究成果如下：
　　(1)通過(guò)對(duì)凍融循環(huán)前后的土樣進(jìn)行不固結(jié)不排水常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)，應(yīng)用兩種不同形式的方法求取土樣強(qiáng)度參數(shù)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，土樣含水量越低，其粘聚力越大。凍融循環(huán)后，土樣的粘聚力均減小。首次凍融循環(huán)后，土樣粘聚力降低比較大。

3、含水量低的土樣經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后粘聚力降低的幅度較大。凍結(jié)溫度低的土樣，經(jīng)凍融后其粘聚力的變化較大。土樣的干密度越大，凍融后其粘聚力降低幅度越大。對(duì)于內(nèi)摩擦角來(lái)說(shuō)，凍融前后其數(shù)值變化微小，經(jīng)凍融循環(huán)后，土樣內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但是個(gè)別土樣內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但是增減幅度在0°到2°之間。
　　(2)凍融循環(huán)前后土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)均呈現(xiàn)：峰值后軟化類(lèi)型和逐漸硬化類(lèi)型。隨著圍壓的增大，土樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)從峰值后軟化型向應(yīng)變硬化

4、型轉(zhuǎn)化且凍融作用不改變土樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)形式。同圍壓、同一土樣的軸向應(yīng)變對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力來(lái)說(shuō)，未凍融土偏應(yīng)力值總是高于凍融土偏應(yīng)力值。在相同凍融條件下，含水量越高的土樣，凍融前后土樣在同一軸向應(yīng)變對(duì)應(yīng)偏應(yīng)力的差值就越小。含水量高的土樣凍融循環(huán)后，其破壞強(qiáng)度減少的較小。說(shuō)明凍融循環(huán)作用，對(duì)含水量低的土樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)影響較大，而對(duì)于含水量高的土樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)影響相對(duì)較小。
　　(3)基于鄧肯-張本構(gòu)模型,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析

5、,得到凍融前后土樣的初始切線(xiàn)模量和主應(yīng)力差漸近值,并進(jìn)行對(duì)比分析。應(yīng)用回歸分析，建立以初始含水量ω、干密度ρ、圍壓?3為影響因素的凍融土鄧肯-張本構(gòu)模型。得到模型參數(shù) a、b，以及抗剪強(qiáng)度和應(yīng)力破壞比。將試驗(yàn)所得應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)與模型所得應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者較為吻合。說(shuō)明此模型能夠較好的反映初始含水量ω、干密度ρ、圍壓?3下凍融土的力學(xué)性質(zhì)。
　　(4)基于Matlab平臺(tái)中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，建立關(guān)于初始切線(xiàn)模量（

6、主應(yīng)力差漸近值）和初始干密度、初始圍壓、含水量、凍融次數(shù)之間關(guān)系的 BP土樣模型。后應(yīng)用檢驗(yàn)樣本進(jìn)行檢驗(yàn)，得到預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差較小，能夠全面的反映土樣力學(xué)參數(shù)與各影響因素之間的關(guān)系。
　　(5)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS，基于熱對(duì)流方式，進(jìn)行凍融循環(huán)模擬，可得到不同初始條件下，土樣的溫度場(chǎng)變化情況?；贛ohr-Coulomb本構(gòu)模型對(duì)土樣進(jìn)行熱-力耦合分析，得到豎向應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。將模擬所得抗剪強(qiáng)度值與試驗(yàn)所得抗剪強(qiáng)度值進(jìn)行對(duì)比，