为研究含水率对冻结砂土强度和变形特性的影响,在不同含水率的条件下进行人工冻结砂土无侧限抗压强度试验。试验结果表明:冻结砂土的应力-应变曲线均表现出应变软化的特性,当含水率介于10%～20%时,冻结砂土的峰值应力、峰值应变和弹性模量随含水率的增大而增大;当含水率大于20%时,含水率的增大会弱化冻结砂土抵抗破坏变形的能力;冻结砂土的弹性模量与无侧限抗压强度线性相关,二者的比值介于6.01～13.76之间。提出了对于应变软化的应力-应变曲线损伤模型,将该模型计算结果与试验结果对比,发现损伤模型能够很好地预测冻结砂土的本构关系。基于Weibull分布的损伤本构模型能够准确地预测出冻结砂土的强度和变形特性。

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。

为了研究高含冰量冻土路基的融化固结规律,在线性大变形融化固结理论的基础上引入非线性本构关系,并运用分段插值法实现了孔隙比与压缩模量之间的非线性关系,完善了三维大变形融化固结数值模拟方法。在此基础上结合青藏公路实测数据验证了其合理性。研究结果表明,采用非线性应力-应变关系的大变形融化固结理论能够显著提高高含冰量冻土路基的沉降计算精度,并能够进一步合理描述热学场和力学场的相互叠加影响。冻土融化固结度受有效融化固结时间以及特征排水长度等因素的影响呈现出完全不同于融土路基的发展规律,即在路基运营初期其融化固结度上升,随着时间发展,其固结度在达到峰值后持续降低,这主要是由于融化深度持续增大后所引起的特征排水长度的增加和有效融化固结时间的缩短所造成的。因此,在计算高含冰量冻土路基稳定性设计指标时,应采用非线性应力-应变关系来进一步提高融化深度、沉降以及固结度等指标的计算精度。

土体的本构模型是分析计算土工结构变形规律的关键。自剑桥模型提出以来,对于土体本构模型的研究,各国学者在不同环境条件下发展研究了适用于相应试验条件下的各类模型。随着寒区经济的发展,关于冻土力学性质的研究日益增多,许多学者借鉴常规融土的研究方法建立了不同条件下的冻土弹塑性本构模型。为了进一步理清冻土变形行为的特征,完善适用于冻土弹塑性行为的本构模拟理论和方法,作者总结和分析了各类冻土弹塑性本构模型的理论基础、建模方法、参数确定方法等内容,对进一步发展可准确描述冻土复杂力学行为的本构模型具有指导意义。

对目前冻土蠕变试验研究和模型研究的研究成果进行了总结。从微观蠕变试验和宏观蠕变试验两方面对冻土蠕变的试验研究进行介绍。分经验模型、流变模型和一般的应力-应变-时间模型对冻土蠕变本构模型研究进行分析总结。从试验研究和本构模型研究两方面介绍冻土的动蠕变研究进展。同时,也介绍了冻土与桩基之间冻结强度的研究。目前,冻土蠕变研究大都集中在短期冻结强度,尤其缺乏桩土之间蠕变变形及长期强度的相关研究。随着未来冻土区铁路、公路建设以及民用建筑等级的提高,桩基础将越来越多的被应用。为优化冻土区桩基的设计,在当前有必要加强冻土区桩基蠕变特性的研究。

冰作为冻土的基本组成部分,对冻土蠕变的加速蠕变阶段有重要影响。温度通过影响冻土中冰的冻结与融化过程,及其黏塑性流动,引起冻土结构的强化与弱化,从而成为了决定冻土蠕变力学行为的关键因素之一。同时,外部应力也造成冻土的强化与弱化,影响着冻土的蠕变。通过引入硬化因子与损伤因子来考虑温度、应力造成的冻土材料强化与弱化。硬化因子H代表了蠕变过程中强化效应的大小,而损伤因子D则代表了由弱化效应造成的冻土材料相关参数的折减比例,进而提出了适用于冻土的改进西原蠕变本构模型。该模型预测值与试验数据的比较表明:改进的模型不仅能较好地描述初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段,而且相比于传统模型,能更好地描述冻土加速蠕变阶段,具有合理性与一定的实用性。

在深入剖析已建立的饱和正冻土水热力耦合模型不足的基础上,结合冻土力学最新研究成果,基于连续介质力学和热力学定律对原模型进行改进以提高其实用性。首先,引入由冻融过程中的动态变量(应变速率)与温变速率构成的黏弹性耗散势,建立了考虑温度影响的冻土骨架的黏弹性本构关系;在此基础上根据多孔多相介质理论,建立了外载及温度共同作用下冻土骨架的质量守恒方程;其次,在考虑冻土骨架(冰)黏弹性耗散和热力耦合耗散以及水分迁移引起的热对流等主要因素的基础上建立了能量守恒方程;最后,综合各方程构建了准饱和正冻土水热力三场耦合控制微分方程,开发了相应的扩展有限元程序3GEXFEM,通过典型室内试验验证了改进后模型的合理性。

构建人工冻土BP神经网络本构模型,利用冻土三轴实验数据对神经网络模型进行训练,并2次开发有限元本构程序。用BP神经网络本构模型能很好的反映人工冻土非线性,人工冻土三轴数值模拟值和实验值误差在2.43%范围内。通过深井冻结工程数值模拟表明:人工冻土BP神经网络本构模型能较好的描述复杂应力路径变形特征,数值结果和现场实测规律一致,且和实测位移误差在5.0%;应用BP神经网络冻土本构模型准确预测预报人工冻土帷幕应力场和变形场,为冻结工程设计与施工提供参考。

为解决BP(back propagation)神经网络收敛速度慢,网络结构需事先定义等缺点,采用了级连相关神经网络模型来建立人工冻土应力和应变之间的关系.基于该模型推导了冻土的一致刚度矩阵形式,利用人工冻土三轴试验数据对神经网络模型进行训练,并用其替换有限元计算中的传统本构模型,将计算结果与性质及含水率相同的冻土的试验结果进行了对比,发现该神经网络本构模型很好地反应了材料的非线性,能够改善数值计算结果,与实测结果吻合地很好,比具有相同隐含层神经元个数的BP模型更接近实测结果.

以小纪汗煤矿小苏计井筒检查孔为研究对象,在安徽理工大学冻土实验室内进行试验,根据冻土的单轴抗压强度试验、单轴蠕变试验及其数据分析得到冻土本构关系曲线以及蠕变曲线规律,这对陕北地区矿井井筒的冻结法的设计和施工具有指导意义。