高温冻土的亚塑性本构模型研究

寒区工程的现场观测表明，工程修建后形成的下伏高温冻土层是影响工程的重要因素，建立其合理的本构模型并用来分析寒区工程的变形和稳定性已成为一个急需解决的课题。本项目以青藏铁路和公路沿线的粉质粘土为研究对象，采用高精度的温控三轴仪进行剪切试验，分析这种高温冻土材料的应力应变和强度特性；根据亚塑性理论来建立形式简单、模型参数较少且易于通过常规冻土力学试验获取、并能够反映冻土的流变性和温度敏感性的高温冻土的本构模型，同时提出获取模型参数的方法；通过对三轴剪切试验结果的分析，对模型进行验证；将所建立的本构模型在FLAC平台上数值化，在大型寒区工程模拟厅中进行承压板试验，并用所建立的模型进行计算，探讨模型在实际寒区工程中的应用。研究成果可为寒区工程的设计、施工和维护提供依据。

随着寒区工程的日益增多，出现了一些新的冻土工程问题，高温冻土的力学性质的研究成为一个热点和难点。目前，对高温冻土的力学性质尤其是本构关系的研究，尚未形成规模和体系。本项目以青藏高原广泛分布的、与寒区工程变形和稳定性密切相关的粉质粘土为研究对象，确定研究对象作为高温冻土的温度界限；根据亚塑性理论，建立了一个形式简单、参数较少、能够反映流变性和温度敏感性的高温冻土的本构模型；在所界定的“高温”范围内，利用高精度的三轴仪进行不同温度、围压和应变速率下的三轴剪切试验，通过所得试验数据对所建立的本构模型进行验证，同时利用该模型对不同蠕变应力下的单轴蠕变试验进行了模拟，良好的模拟结果进一步说明了模型的实用性；基于FLAC3D平台，将所得到的本构模型进行了二次开发。利用该模型已对具体路基和边坡工程进行了初步的模拟；并探讨了该模型在实际工程中的应用。本项目是对利用亚塑性理论建立冻土力学性质数学建模的一次探索，所建立的亚塑性本构模型能够考虑冻土材料力学性质随加卸载速率的变化，能够较为准确地描述冻土材料的流变性和温度敏感性。该模型可以为寒区土工结构的设计、施工及维护提供科学依据。