青藏高原高温高含水率冻结砂土动静力学特性研究

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为满足寒区经济的建设需求,国家高度重视青藏高原地区公路交通的发展。然而由于路基冻土复杂的力学特性,在全球气温升高、人为工程扰动的背景下该地区公路交通路基病害极其严重,冻土融沉与冻胀导致青藏公路路基病害率远高于一般地区的路基,2017年通车的共玉二期高速公路在富冰饱冰路段最大路基沉降量已经达到20 cm,受限于高温高含冰量冻土宽幅路基的建设与保护技术青藏高速公路那曲到格尔木段至今还未动工。冻土在高温、高含冰量条件下强度减弱且变形能力增大,因此多年冻土区路基灾害主要发生在高温高含冰量路段,路基工程的成败也就取决于对高温高含冰量冻土路段的技术处理。冻土作为寒区公路交通的基础,既受到路面恒定的静荷载作用,还受到重载交通长期的振动荷载作用,厘清高温高含水率冻土在动静荷载作用下的力学特性与变化规律,对寒区工程前期的设计与施工,后期的运营与维护都具有重要理论与现实意义。鉴于此,本研究以青藏高原地区那曲地区公路路基砂土为研究对象,通过室内高温高含水率冻结砂土动静三轴试验,研究了高温高含水率条件下冻结砂土的动静力学特性。本研究具体内容及取得的主要成果如下:(1)在不同温度(-0.5℃、-1.0℃、-1.5℃、-2.0℃)不同含水率(20%、40%、60%、80%)不同围压(0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa、1 MPa)条件下对冻结砂土开展静三轴试验,结果表明:各试验条件下,冻结砂土应力-应变曲线均为应变软化;冻结砂土静弹性模量随着含水率、温度的升高而线性降低;冻结砂土静强度对温度变化最为敏感,其次是含水率、围压,静强度随着温度的升高而加速下降,随着含水率的增加而线性降低;通过应力应变曲线确定邓肯-张模型计算参数,研究参数随温度变化的规律与回归关系,建立以温度为影响因子的修正邓肯-张模型。(2)在温度-1.5℃和含水率为20%的情况下,分别改变围压(0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa)和加载频率(0.5 Hz、1 Hz、1.5 Hz、2 Hz)对冻结砂土开展分级加载动三轴试验,结果表明:各试验条件下冻结砂土动应力-应变曲线均表现出非线性、滞后性、应变累积性;冻结砂土的骨干曲线可以由H-D模型较好拟合,冻结砂土动弹性模量随着动应变幅值的增加而减速下降,最大动弹性模量随着围压、频率的增加呈线性增加;阻尼比随着动应变幅值的增大而先减小后上升最后趋于稳定,最大阻尼比随着围压的增加而线性增加,随着频率的增加而非线性降低。(3)假设冻土物理性质(温度、含水率)相同的情况下,通过多元回归分析,建立起动静弹性模量的转换关系。
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