凍土的力學(xué)特性和損傷本構(gòu)模型的研究.pdf

1、作為多年凍土地區(qū)建筑物的地基基礎(chǔ)，凍土的物理、力學(xué)性質(zhì)直接影響著建筑物的設(shè)計(jì)原則、運(yùn)營(yíng)狀況及其運(yùn)營(yíng)時(shí)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(xué)性質(zhì)的改變都會(huì)影響到整體的物理、力學(xué)性質(zhì)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(xué)性質(zhì)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(shí)，所占有的體積越小。也就是說(shuō)，土顆粒在壓力作用下有被壓密的趨

2、勢(shì)。密實(shí)的土體具有較大的承載力。 冰作為凍土中獨(dú)特的成分，對(duì)溫度及壓力極其敏感。不論溫度還是壓力升高，都會(huì)導(dǎo)致冰的融化，使其喪失承載力以及土顆粒之間的凍結(jié)力。在凍土中，冰與未凍水處于動(dòng)態(tài)的平衡之中，從而使凍土的力學(xué)性質(zhì)很不穩(wěn)定。 未凍水分強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水，處于弱結(jié)合水狀態(tài)的未凍水，具有流動(dòng)性，對(duì)凍土的力學(xué)性質(zhì)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(xué)性質(zhì)。壓力和溫度控制著冰和未凍水之間的轉(zhuǎn)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(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)移動(dòng)，并卸掉部分或全部所承受的荷載，由土骨架和冰承擔(dān)。因此，壓力除增大土顆粒的密實(shí)度和強(qiáng)化土體外，與一般土力學(xué)概念有差異的是，壓力同時(shí)導(dǎo)致未凍水增加，由此導(dǎo)致凍土承載力降低，流變性增強(qiáng)。 凍土的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系顯示出強(qiáng)烈的粘塑性，并且與未凍水含量的多少密切相關(guān)。靜水壓力增大，密度增加、摩擦力增大，導(dǎo)致應(yīng)變硬化。同

4、時(shí)壓力增大，冰向未凍水轉(zhuǎn)化，從而造成未凍水增多，抵抗力降低。為此，本文在耗散勢(shì)的建立上引進(jìn)了未凍水含量的指標(biāo)，反映靜水壓力的雙重作用。 凍土的破壞過(guò)程是漸進(jìn)的，損傷力學(xué)的引進(jìn)對(duì)于凍土破壞過(guò)程本構(gòu)關(guān)系的建立起到了關(guān)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(zhì)力學(xué)及熱力學(xué)基礎(chǔ)上建立的飽和凍土粘彈塑損傷耦合本構(gòu)理論，反映了凍土的粘彈塑性質(zhì)、未凍水作用機(jī)理、應(yīng)變硬化以及破壞的發(fā)展過(guò)程。