考虑含冰量与大变幅应力水平影响的冻土亚塑性本构模型

The roadbed in the traffic engineering in permafrost regions is constructed on the basis of ice-poor frozen soil, icy soil, ice-rich, and ice-saturated frozen soil. The typical silty clay on the Qinghai-Tibet plateau is chosen as the object of study in this proposal. By conducting triaxial shear tests on the forzen soil with different ice contents under different temperatures and stresses with broad range of variation, the strength and deformation behaviours of the frozen soil will be studied. Then based on the hypo-plastic constitutive model for sand, a comprehensive hypo-plastic model for frozen soil will be developed by introducing a spherical tensor of stress and an attenuation factor. The spherical tensor is formulated with the cohesion of frozen soil, which is dependent on ice content and temperature; while the attenuation factor is formulated with stress level and acts on the nonlinear terms of strain rate in the base model. Using C++, the comprehensive model will be implemented into FLAC3D™, and numerical simulations will be carried out to calculate the deformation of the roadbed on frozen sections with different ice contents. Field test data will be collected to compare the numerical results and estimate the performance of the model. The model is expected to be an effective method in predicting the deformation of roadbed in permafrost regions.

本项目针对多年冻土区交通工程路基下存在少冰、多冰、富冰及饱冰冻土的实际情况，以青藏高原典型粉质粘土为研究对象，通过开展不同含冰量、温度及大变幅应力水平条件下的三轴剪切试验，研究冻土的强度与变形特性，明确其力学性质随各因素的变化规律；随后，在砂土的亚塑性本构模型基础上，通过引入由冻土粘聚力构建的球应力张量来考虑含冰量及温度的影响，并在本构模型的应变率非线性项中构建考虑高应力水平的衰减因子，提出能兼顾含冰量和大变幅应力水平的冻土亚塑性本构模型；最后，通过C++编程语言对提出的冻土本构模型进行二次开发，结合FLAC3D™的用户自定义模型功能对不同含冰量冻土路基的沉降变形进行数值模拟，并与实测数据进行对比分析，验证模型的合理性，以期为预测多年冻土区交通工程的路基变形提供手段。

随着冻土区各类工程建设的开展，对冻土的力学及变形特性的深入认识日益凸显其重要性。为确保冻土地区各类构筑物地基或路基的稳定性，核心工作就是要明确冻土的力学及变形性质并建立其本构模型。本项目开展的主要工作有：(1) 对粉质黏土试样开展了两个温度、三个含水量及四个围压条件下的三轴剪切试验，分析了冻粉黏土试样应力–应变曲线的形态和强度规律。(2) 在试验成果的基础上，明晰了冻土粘聚力的影响因素，进而引入了与状态相关的冻土粘聚力球应力张量，得到了一个能考虑温度、含冰量、应力水平与应力路径的冻土亚塑性本构模型。(3) 通过模拟不同温度、应力水平与应力路径条件下的三轴试验，对所建立的冻土亚塑性本构模型进行了验证。(4) 利用C++语言对所建立的本构模型进行了二次开发，基于FLAC3D™ 的自定义模型功能对冻土区的路基变形进行了模拟计算，探讨了模型在实际冻土工程中的应用前景。本项目取得的研究成果主要有：(I) 随着含水量与围压的增大，冻结粉质黏土的应力–应变曲线逐渐表现出越来越明显的应变软化特征。(II) 试样在高含水量下的初始切线模量随围压增大呈幂函数形式增大。(III) 冻结粉质黏土的剪切强度随围压的增大而线性降低，但降低幅度不大。(IV) 建立了冻土的亚塑性本构模型，该模型能够描述冻土在不同温度、含冰量、应力水平及应力路径条件下的力学特性。(V) 通过对提出的模型进行了二次开发，用模型试算了冻土区实际路基蠕变变形，结果表现较好。本项目所开展的工作不仅对寒区工程的建设具有现实的指导及应用价值，还对冻土力学学科的发展具有一定的科学意义。