正冻饱和路基土的结构损伤弹塑性模型与冻胀变形研究

本项目瞄准寒区路基在抗冻设计和冻害防治方面的理论需求和技术欠缺，着眼于冻结过程中饱和路基土冻胀变形的发生与发展机制，特别关注正冻土的应力、温度和水分的三场耦合效应。以东北地区常见的粉质黏土为研究对象，采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的手段，深入研究季节性冻土冻胀变形机理。首先，总结并分析了国内外学者关于冻胀试验系统的研制进展，设计并研制了侧限条件下土体冻胀试验系统和复杂应力（三轴应力）状态下的土体冻胀试验系统，并提出了相应的试验方法。其次，以粉质黏土为研究对象，考虑应力水平、压实度、温度梯度等因素的影响，分别进行了侧限与复杂应力条件下饱和土的冻胀试验，分析了饱和粉质黏土的在冻结过程中的温度、水分分布规律，以及冻胀发展规律。再次，研究了正冻粉质黏土的冻结速率、冻胀速率、冻胀率的发生与发展机制，并考虑应力水平、压实度、温度梯度的综合影响，建立了冻胀率的经验预估模型。进而，以热传导、相变潜热、水分扩散等理论为基础，建立了饱和-非饱和压实粉质黏土水-热全耦合数值模型；基于COMSOL多物理场仿真软件，实现了饱和-非饱和压实粉质黏土的水-热全耦合数值模拟，并结合室内模型试验验证了模型的可靠性。最后，建立并验证了饱和-非饱和压实粉质黏土的冻胀预估模型。通过本项目的研究，有利于深入理解路基冻胀的发生机制和变形规律，为冻土路基的抗冻设计和稳定性评价提供理论支撑，并推动寒区交通基础设施的建设和冻土力学的发展。 基于以上成果，项目组发表了学术论文18篇，其中SCI检索8篇，EI检索7篇；申请专利3项，授权1项；培养副教授1人，硕士生4名，博士生2名；完成专著2本；部分成果纳入我国行业标准《季节性冻土地区公路设计与施工技术规范》（JTG/TD31-06-2017）和辽宁省地方标准《公路路基弯沉验收标准》（DB21/T 2764-2017）。获得国家科技进步二等奖1项、中国公路学会科学技术一等奖1项、陕西省科技进步一等奖1项。 2100433B

随着哈尔滨-大连高速铁路与漠河-北极村高速公路等重大交通基础设施的建设与运营，我国在高寒季冻区的交通建设中取得了重大进展。然而路基的冻胀依然制约着工程的耐久性和行车安全。本课题瞄准寒区路基在抗冻设计和冻害防治方面的理论需求与技术欠缺，特别关注正冻土的应力、温度和水分的耦合效应，采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，深入研究季节性冻土冻胀变形的发生与发展机制。首先，在应力－温度耦合作用下饱和土冻胀试验基础上，以孔隙冰比作为损伤变量，提出正冻土的结构损伤演化方程；据此，在临界状态土力学框架下，通过建立合理的屈服函数和硬化准则，构建正冻土的结构损伤弹塑性模型；基于此，改进孔隙冰发展函数，建立正冻土的水-热-力耦合冻胀模型，并验证该模型。本项目的研究，有利于深入理解路基冻胀的发生机制和变形规律，为冻土基础的稳定性评价提供理论支撑，促进寒区交通基础设施的建设和冻土力学的发展。

《季冻区路基土冻胀的微观机理研究》以吉林省季冻区路基土为研究对象，利用SEM提取路基土冻胀过程中不同冻结状态下微观结构图片，并用WD一5专业分析软件对图片进行定量分析，比较不同条件下一个冻融循环过程中微观结构所发生的变化，揭示季冻土产生冻胀的微观本质。将微观结构参数与冻胀率联系起来，建立基于灰色关联分析和粗糙集理论的评价模型，探讨微观结构对冻胀的影响大小，利用评价结果选择对冻胀影响最有意义的微观结构参数。

在考虑宏观条件的基础上，充分考虑微观结构参数，建立包含对冻胀最有意义微观结构参数BP神经网络冻胀模型，并对模型进行了验证。为建立包含微观结构参数的冻胀模型及耦合模型提供了选参依据。

符合实际和便于工程应用的杆恢复力模型是结构弹塑性分析的关键。作为一种新型杆恢复力模型，杆内时模型的研究刚刚起步，考虑到它所具有的鲜明特色和优点，深入探讨它对各种材料杆本构特性描述的合理性、完善其理论基础很有必要。杆内时模型通过截面内时本构方程描述杆截面处内力与变形之间的关系，并利用杆有限元方法反映弹塑性沿杆长的分布特性，从而最终反映杆端力与杆端位移的关系。主要研究内容：深入探讨杆在各种复合受力条件下截面综合内时模型的合理形式；研究杆内时模型关于弹塑性沿杆长分布的合理描述；探讨杆内时模型对几种常用工程材料杆的适用性；提出适用于结构分析的杆内时模型数值计算方法；进行钢筋混凝土和型钢混凝土杆的复合受力试验；将本模型与通用程序分析结果和试验结果进行对比，验证本模型的合理性和可靠性。本项目研究的目的是完善杆内时模型的理论基础、给出建立模型的可靠方法，使杆内时模型成为合理可行的杆恢复力模型。 2100433B

第一章 绪论

1．1 研究意义

1．2 国内外冻土研究概况

1．3 土微观结构的国内外研究现状

1．4 不确定性信息处理的研究方法

1．5 本书的主要研究内容、技术路线

第二章 研究区路基土的物质成分及物化性质．

2．1 土的物质组成

2．2 研究区土样的化学性质

2．3 季节冻土的热交换参数

2．4 季节冻土的水力参数

2．5 本章小结

第三章 研究区土样室内冻胀试验

3．1 研究区路基土季节冻胀的概况

3．2 室内冻胀试验概况

3．3 室内冻胀试验结果

3．4 试验结果分析

3．5 本章小结

第四章 路基土微观结构的研究方法

4．1 引言

4．2 微观结构研究对象、内容及微观结构参数的选取

4．3 微观结构的研究方法

4．4 试验仪器及微观结构样品制备

4．5 本章小结

第五章 路基土冻融过程中微观结构变化研究

5．1 微观结构的定性分析

5．2 微观结构特征的定量分析

5．3 本章小结

第六章 基于灰关联度法及粗糙集理论评价微观结构对冻胀的影响

6．1 引言

6．2 基于灰关联度法评价微观结构对冻胀的影响

6．3 粗糙集理论主要概念

6．4 运用粗糙集理论进行微观结构参数对冻胀的影响评价

6．5 本章小结

第七章 基于BP神经网络建立包含微观结构参数的冻胀模型

第八章 结语

参考文献2100433B