季冻区冷阻层路基力学特性研究

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1、季冻区冷阻层路基力学特性研究第1章绪论1.1课题背景及研究意义路基是在天然地表面按照道路所要求的设计线形和设计横断面的开挖或者堆填而成的，能够承担行车荷载的岩土构造物。路基的路用性能(强度、稳定性)对道路结构的性能、营运状况和行车安全、舒适性有着至关重要的影响。道路的使用寿命直接受到道路基层使用寿命的影响。所以精心设计和施工的路基能长时间具有良好的使用性能，对于节约道路维护成本，提高交通运输效益具有十分重要的意义。由于路基路面裸露在大气中，其使用性能在很大程度上受到当地自然条件的影响。我国幅员辽阔，纬度跨度约50度，结果体现为我国

2、不同地区截然不同的自然环境。按照土壤的融化和冻结情况，工程中通常将土壤分为：1.季节性冻土；2.隔年冻土；3.多年冻土。据统计，多年冻土地区约占我国陆地面积的20%，而季节性冻土区（季冻区）所占面积更大，约为54%。与多年冻土区相比较，季节性冻土区需要解决的道路工程问题更为复杂。多年的冻融循环，水分和温度的相互作用，车辆荷载的反复作用，使得路基的力学性能极其不稳定。严重制约道路的行车状况和使用年限。因此，综上所述，开展季冻区路基稳定性和强度的深层次研究不仅具有具有重要的理论意义，还具有重要的工程实际意义。我国东北地区作为典型的季冻

3、区：即土层冬季冻结，冻土层夏季全部融化。周而复始的作用，导致土体骨架结构、孔隙率、水分分布等发生严重变化，进而影响土体的强度和稳定性。季冻区道路的主要病害表现为冻胀、翻浆、网裂、不均匀沉降等形式。当气温降到零度以下，土层开始冻结，水分由周围未冻结区域向冻结区域迁移聚集，使冻结土层中水分逐渐富集，由此产生的冰晶体也不断增大，土体积随之发生膨胀、隆起，称为冻胀现象。由于路基出现冻胀现象，柔性路面会产生鼓包、开裂，刚性路面则出现错缝、折断。春融时期，气温回升，路基上层首先开始融化，下层尚未解冻，上层聚集大量冰融化产生水分，导致路基强度迅

4、速下降，进而失去承载能力，在行车荷载作用下，路面出现不均匀起伏或破裂冒浆等现象，称为翻浆现象[1]。在冻结条件下，由于温度场作用，水分发生不均匀迁移，引起路基强度的不均匀变化，在行车荷载和自身重力作用下，导致路基不均匀沉降。1.2国内外研究现状冻土是一种特殊的土，它由固体矿物颗粒、气体、液相水和固态水（冰）等组成。季冻区冻土特点是土中所含部分水分随着外界温度的变化而发生着凝结、融化的过程。而水在凝结成冰和由冰融化成水这两个截然相反的过程中，工程性质发生着本质的变化。冻土的力学特性受土中冰的含量、强度等因素影响很大，而土中冰的含量与

5、外界温度、荷载、系统开放程度等因素有关，故冻土具有着十分复杂和多变的工程性质。冻土力学兴起早期，研究者发现随着围压的增大冻土的强度相应增大。随着研究的深入，研究者提出了一系列的土体破坏准则，有现行的Mhor-lomb准则[4]，Drucker-Prager准则[5]，VonMises-Botkin准则[6]等。Ladanyi[7]，Gorodetskii[8]等有提出一系列非线性强度理论。马巍，王大雁[9]从强度和变形关系、冻土本构关系、水热关系、冻土与结构物间相互作用、冻土力学测试技术5个方面回顾了50年间国内冻土力学发展过程，

6、并展望了未来的发展方向。第2章路基力学基本理论2.1土力学冻土是指温度在零摄氏度以下，含有冰的各种岩石和土壤。根据其含有的冰是否融化，冻土通常被分为季节性冻土和多年冻土。由土壤颗粒骨架、冰、未冻结水、气体等复杂多相物质组成的冻土，其力学性质多取决于其中冰的含量，强度，透水性等，而其中起决定作用的是冰的含量。冰作为水的一种特殊存在形式，其性质在零摄氏度以上和以下截然不同。冻土中冰的性质变化主要跟温度、荷载作用形式、历时等有关，这也决定了冻土的性质与上述三者有着很重要的关系。土的热物理性质主要通过土的导热系数来体现，即每单位温度梯度下

7、，单位时间内通过单位面积土体的热量。它是土体导热能力的直接体现，是土的干密度、含水（冰）量和温度三个变量的函数，并且与土的结构形式和矿物成分有很大关系。土是一种由固、液、气组成的复杂多相物质，存在的热交换形式有对流、传导、辐射。但是，在毛细多孔体中，若温差很小并且毛细管的半径不大于10-3cm时，土孔隙中的热辐射和热对流两种热交换形式相对于热传导来说微不足道，可以忽略不计。随着土体温度下降，土中所含的液相水和汽相水变成固态冰的过程就是土体冻结的过程。冰晶体或冰层与土颗粒在空间上分布排列的形态构成了冻土的冷生构造。内应力和外力作用的

8、速度和强度决定了土中水冻结成冰的速率。2.2弹性力学基础弹性体是变形体的一种，特点是当外力不超过一定限度时，外力撤除后，物体能完全恢复原来的形状。最重要的力学表现为应力和应变成线性关系。但是在通常情况下，当外力不超过一定限度时，应力和应变近似成线性