冻土抗剪强度的数值回归模型研究及其在冻土工程中的应用

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冻土主要分布于我国中北部地区及青藏高原地区,主要分为多年冻土和季节性冻土,冻土是由土颗粒、水、冰、空气组成的四相复杂体系,其“冬冻夏融”的特点使冻土地区土体情况更为复杂。我国有大量土木工程修建于冻土地区,对冻土的物理力学特性如强度认识不足会导致潜在的冻土工程风险。本文以Mohr-Coulomb抗剪强度准则为基础,着重研究冻土的抗剪强度指标(粘聚力c和内摩擦角φ)与温度、含水率、冻融循环、围压及动荷载等因素的关系,并针对不同土类建立了相应的冻土抗剪强度拟合公式。在此基础上,以哈齐高铁路基为研究对象,采用Comsol Multiphysics软件进行基于水热场条件下的路基稳定性分析。具体工作内容及创新之处如下:1、针对冻土抗剪强度进行了系统性的研究综述,总结了冻土抗剪强度随温度、含水率、冻融循环次数、围压及动荷载等因素的变化规律,结果表明:温度越低时抗剪强度越高;初始含水率较高时强度随含水率的增大而减小,初始含水率较低时强度随含水率的增大而增大;抗剪强度随着冻融次数的增加而减小,一定循环周期后趋于稳定;围压的高低与强度的大小呈抛物线关系;动荷载作用下强度大小受温度、围压、频率的共同影响。2、基于大量的冻土抗剪强度实验数据,采用归纳总结与数据拟合相结合的方法,得出不同因素与抗剪强度参数之间的关系,针对不同土类建立了相应的冻土抗剪强度拟合公式,并对其适用性进行了评述。3、以哈齐高铁为背景,运用Comsol Multiphysics软件对冻土路基水热场进行数值模拟,得出在低温环境下路基的冻胀深度及冻胀量,且土体内部冻胀量的变化滞后于地表气温的变化;分别以不同月份的水热场为初始状态,基于建立的冻土抗剪强度拟合公式,应用于路基断面不同的土层,分析不同时间点路基的稳定性,得出在气温较低时安全系数相对较高,在冻融循环作用下安全系数会逐渐降低,一定次数后强度趋于稳定的结论。对路基安全系数的因素敏感性进行了研究,高温冻土时,安全系数对温度的敏感性高于含水率,低温冻土时正好相反,同时安全系数对冻融作用的敏感性,随着次数的增加逐渐降低。本文对冻土抗剪强度随外界因素的变化关系进行了系统性的研究,并采用有限元软件对部分结果进行了验证,相关结论具有一定参考价值。
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