在冻结法施工中,掌握冻土的蠕变特性对评价冻结壁的稳定性至关重要。文章通过对山西某矿粘土层进行不同冻结温度下单轴抗压及蠕变试验,得到蠕变随冻结温度、加载应力变化的规律。在分析Kachanov损伤理论模型及人工冻土蠕变经验模型特性的基础上,建立人工冻土理论-经验蠕变模型。通过对比分析建立模型计算值与人工冻结粘土蠕变试验结果,模型计算曲线与试验数据曲线拟合度较高,两者均反映了初始弹性变形、应变加速度逐渐减小至加速度为零的过程;若试样发生破坏,曲线则会在应变加速度为零的基础上继续加速上升。该模型能够反映深部人工冻土的各阶段蠕变特性,能为指导冻结法施工提供科学依据。

本文进行了人工冻土不同温度下(-10、-15、-20、-25℃)单轴抗压强度和不同应力(σ=0.2σs,0.3σs,0.5σs,0.7σs)单轴蠕变试验。试验结果表明:冻土单轴抗压强度与冻结温度具有很好的线性规律;冻土的蠕变特性表现为两个阶段,当应力水平较低时,处在衰减型蠕变阶段;当应力水平较高时,则处在非衰减型蠕变阶段。

冻土力学参数的合理取值是解决寒区工程问题的前提和基础,然而由于高温冻土的较强变异性,其力学性质有很大的随机性和离散性。概率统计分析方法可以定量地研究这种离散性,利用概率统计分析方法可对高温冻土力学参数的分布规律进行系统分析,并能给出具有一定可靠度的强度值,其在寒区工程中的广泛应用对优化工程设计,提高工程安全性具有重要意义。文章介绍了概率统计分析方法在高温冻土强度、本构关系和蠕变等力学性质中的应用情况,并给出一种高温冻土长期强度的可靠度分析方法。

借助模型分析,通过等应变率下对不同含水量、不同温度的兰州粉结冻土试样在单轴加载条件进行应力测试,得到应力应变曲线。根据粘弹塑性体模型,结合试验曲线特征,选择应力应变的方程形式。以其中一个组典型的试验结果为例进行拟合数据处理,获得拟合的应力应变曲线,确定方程中的参数。再将方法用于不同情况下的实验曲线处理,得到10%和20%两种含水量;-10oC和-20oC两种试验温度下冻土试样的测试的应力-应变三阶段全过程本构方程。结果表明,由此得到的方程能很好地描述冻土的材料特性。

分析了多年冻土在温度作用下的热弹塑性蠕变力学特性,以塑性增量理论为基础,推导了温度作用下多年冻土热弹塑性蠕变力学特性的本构方程。推导中,不计塑性变形与蠕变的耦合效应,将蠕变应变作为初应变放入本构方程,最后导出了带有初应变和初应力形式的增量本构方程。

假定冻土粘塑性微元损伤符合修进的莫尔-库仑准则,损伤变量服从Weibull随机概型分布;基于热力学原理和统计损伤理论,通过推导得到了相关联流动法则下的蠕变损伤耦合本构方程。为了便于研究冻土蠕变和损伤的耦合作用,将提出的本构模型,通过用户子程序嵌入到有限元程序中。最后,对冻土中桩基承载力模型试验进行了数值模拟,结果表明:基于统计损伤理论的冻土蠕变本构模型能较好的模拟冻土蠕变变形的全过程,并且与实测蠕变变形十分吻合,该模型对冻土结构物长期稳定性分析和工程预测具有重要参考意义。

随着寒区经济发展及冻结法施工技术在工程中的推广应用,对冻土蠕变的深入研究显得尤为重要.对冻土单轴流变试验结果分析,用非线性牛顿体替代线性牛顿体,从而对西原模型进行了改进,得到了冻土三向应力状态下的本构方程;并利用D-P屈服准则推导出应用与数值计算的柔度矩阵.通过有限元程序的二次开发,将本构模型添加到大型非线性程序ADINA中.用三轴蠕变试验检验了粘弹塑本构模型,获得相应的试验拟合曲线.结果表明:三轴蠕变试验与理论计算结果吻合良好,说明粘弹塑本构模型可以描述冻土在高应力下反映的非衰减性蠕变变形特征.

提出的冻土粘弹本构模型,通过用户子程序嵌入到大型商业有限元软件ADINA中,最后用三轴蠕变试验检验了冻土粘弹本构模型;获得了相应的试验拟合曲线。