文档介绍：北京交通大学
硕士学位论文
冻土的力学特性和损伤本构模型的研究
姓名:林德洪
申请学位级别:硕士
专业:工程力学
指导教师:章梓茂
20050301
摘要作为多年冻土地区建筑物的地基基础,冻土的物理、力学性质直接影响着建筑物的设计原则、运营状况及其运营时间。由土颗粒、冰、未冻水及气体多组分组成的冻土,其中任何组分的物理、力学性质的改变都会影响到整体的物理、力学性质的变化。温度、压力、水分状况以及盐分含量等是控制冻土物理、力学性质的主要因素。土体是由松散的颗粒体组成的,其面积的大小决定于其成型压力,压力越大,土颗粒越密实,所占有的体积越小。也就是说,土颗粒在压力作用下有被压密的趋势。密实的土体具有较大的承载力。冰作为冻土中独特的成分,对温度及压力极其敏感。不论温度还是压力升高,都会导致冰的融化,使其丧失承载力以及土颗粒之间的冻结力。在冻土中,冰与未冻水处于动态的平衡之中,从而使冻土的力学性质很不稳定。未冻水分强结合水和弱结合水,处于弱结合水状态的未冻水,具有流动性,对冻土的力学性质有着重要的影响。它的存在,使得冻土具有流变形,表现为粘弹、粘塑性的力学性质。压力和温度控制着冰和未冻水之间的转化。压力增大、温度增高,未冻水与土骨架和冰一起共同承受荷载。不同的是,未冻水承受外载的能力更易变化,具有从高应力区向低应力区移动,并卸掉部分或全部所承受的荷载,由土骨架和冰承担。因此,压力除增大土颗粒的密实度和强化土体外,与一般土力学概念有差异的是,压力同时导致未冻水增加,由此导致冻土承载力降低,流变性增强。冻土的力学本构关系显示出强烈的粘塑性,并且与未冻水含量的多中文摘要
少密切相关。静水压力增大,密度增加、摩擦力增大,导致应变硬化。同时压力增大,冰向未冻水转化,从而造成未冻水增多,抵抗力降低。为此,本文在耗散势的建立上引进了未冻水含量的指标,反映静水压力的双重作用。冻土的破坏过程是渐进的,损伤力学的引进对于冻土破坏过程本构关系的建立起到了关键的作用。本文在理论分析上,提出了损伤演变率和损伤门槛值的具体形式。在连续介质力学及热力学基础上建立的饱和冻土粘弹塑损伤耦合本构理论,反映了冻土的粘弹塑性质、未冻水作用机理、应变硬化以及破坏的发展过程。关键词:冻土、力学性质、本构关系、损伤、耦合作用中文撬要
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第一章绪论第一节冻土力学的研究意义到最基本的冻土力学性质问题,如冻土的强度和应力一应变本构关系特地球上多年冻土、季节冻土和瞬时淘冻土区的面积约占陆地的%,其中多年冻土面积占陆地面积的%。我国是世界上多年冻土分布面积的第三大国。%。在这广阔的多年冻土地区,蕴藏着丰富的矿藏、森林和土地资源。由于资源开发的需要,多年冻土区已成为人类生产和生活的场所,寒区工程缆非帕骸⑺こ獭⒎拷üこ獭⒖笊焦こ獭⒛源工程等υ硕稹6庑┕こ痰慕ㄉ韬驮擞S攵惩恋奈锢怼⒘ρА热学等性质有着密切的关系。充分认识冻土的物理性质是冻土工程建设的关键,也是解决冻土工程问题的先决条件。其中人工冻结施工技术就是利用了冻土强度高的特性,现在不仅被应用到矿山工程,而且还被用于地铁建设、基坑开挖乃至核废料处理等各项工程中。国家西部开发战略的实施,处于西部的大片季节冻土地区以及多年冻土地区的基础建设向冻土科学工作者提出了更高的前瞻性、战略性的要求,以保证西部开发战略实施的顺利进行。青藏铁路和南水北调等重大工程,均与冻土有着密切的关系。路基和边坡的稳定性、桩基的承载能力、隧道丌挖与变形等等,直接关系到工程的建设和运营。这里涉及征以及随温度、水分状况等因素的变化情况。“哪里有技术难题,几乎哪里就有力学问题”。对冻土力学性质的研究,不但具有理论意义,而且对上述工程难题具有直接的现实意义,其必要性和紧迫性是显而易见的。冻土的强度及蠕变特性是冻土工程设
】,由此墨记刁关的专著论文和著作相继问世,值得一提的是,《冻土力学基础》一一计的重要指标,也是冻土力学领域研究的重点内容之一。而冻土损伤的研究正是尝试着把损伤力学应用到冻土力学这一块,通过损伤力学的理论来解释冻土的强度机理和变形机理,突破以往单一的分析,从物理性质及力学性质多角度出发,综合分析和建立冻土的力学本构关系及强度理论,完善冻土力学理论。第二节国内外研究历史冻土是由土颗粒、未冻水、冰及气体组成的。由于冰和未冻水的存在,使得冻土具有强烈的流变性:一方面反映在强度的松弛性上,即冻土的长期强度远低于其瞬时强度;另一方面反映在冻土的蠕变特性上,即在荷载不变的情况下,变形仍随时间而增长。这种随时间而变化的力学特性,表明冻土具有强烈的粘滞性。温度、含水量及未冻水含量是影响