【摘 要】
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在交通强国和“一带一路”发展战略的驱动下,基础设施建设方面重心逐渐向高寒地区转移,冻土作为寒区岩土工程中的承载主体,相对未冻土其力学性能对温度和含水量等环境因素变化极为敏感,同时获取其工程力学参数的试验成本较高,如何快捷获取处于复杂水热状态下冻土的工程力学参数,对于降低试验成本和工程面临的失效风险具有重要的意义。鉴于此,本文通过室内试验和理论分析相结合的方式,针对非饱和冻土开展冻结细观物理机制研究
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在交通强国和“一带一路”发展战略的驱动下,基础设施建设方面重心逐渐向高寒地区转移,冻土作为寒区岩土工程中的承载主体,相对未冻土其力学性能对温度和含水量等环境因素变化极为敏感,同时获取其工程力学参数的试验成本较高,如何快捷获取处于复杂水热状态下冻土的工程力学参数,对于降低试验成本和工程面临的失效风险具有重要的意义。鉴于此,本文通过室内试验和理论分析相结合的方式,针对非饱和冻土开展冻结细观物理机制研究,建立了复杂水热状态下非饱和冻土小应变剪切模量的统一预测模型,进而以模拟外力驱动下冻土单元由无扰动无损状态向变形破坏状态的转化,在相对简单的数学框架下构建了适用于初始动态模量与累积应变间的相关性模型。本文的主要内容、方法与成果如下:（1）以初始含水量和温度为试验因素,采用弯曲元测试系统开展非饱和压实土在冻结/融化状态下小应变剪切模量测试试验,同时测量了冻结温度及土水特征曲线,据此研究了剪切波速随温度的变化规律,并以小应变剪切模量作为指标描述非饱和冻土动力性能,分析了初始含水量与温度对小应变剪切模量的影响,进而构建了小应变剪切模量—温度的预测模型。（2）基于小应变条件下非饱和冻土弯曲元测试系统试验结果,结合徐学祖未冻水预测模型、土水特征曲线和小应变剪切模量—温度预测模型,以常温条件下小应变剪切模量为参考值,采用基质势和孔隙比表征冻土冷生物理状态,定量分析了小应变剪切模量与前述两个冷生状态变量的相关性,并在Hardin-Richart经典模型基础上,从冻土强化机制层面构建了小应变剪切模量与孔隙冰充填后的孔隙比和基质势两个变量间的预测模型,揭示了非饱和冻土冻结强化机理,实现了不同复杂水热状态下小应变剪切模量统一预测。（3）系统开展了冻土的低温变幅值循环三轴试验,采取三级不同幅值的循环荷载研究了变幅值加载组合特征和循环应力幅值对冻土动态模量的影响。基于试验结果,详细研究了各变幅值分级加载下轴向累积应变随循环次数的变化规律及典型循环次数下的应力应变曲线和动态模量,分析了应变累积历史与循环应力幅值对循环动态模量的耦合影响作用,基于Hardin-Drnevich双曲线模型获取非饱和冻土在不同应变累积历史条件下的初始动态模量,并进一步建立了初始动态模量与循环加载过程中所产生的累积应变之间的相关性模型,最后利用试验结果对预测模型进行了验证。
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