高寒季节冻土区膨胀土边坡冻融变形特征与春融滑塌机制

摘要

近年来，随着我国寒区重大工程实践的日益发展―特别是高速铁路（包括快速客运专线建设），在高寒季节冻土区（如哈尔滨地区、吉林延吉地区等）陆续发现具有特殊不良工程性能且大面积分布的膨胀土。寒区膨胀土边坡失稳事例表明，高寒季节区周期性冻融作用成为诱发膨胀土路堑边坡滑坡的主要原因之一。此外，由于我国深季节冻土区高铁建设中新近遇到的深厚残破积膨胀土尚属国际高寒区首次发现，所以目前对这一关键科学问题国内外均无直接研究工作，致使季节冻土区膨胀土边坡的变形分析、压力计算、支档设计、稳定评价、滑坡防控等缺乏可靠的理论依据与可行的技术方法，因此“动态设计、经验施工”必然成为这种复杂场地条件下当前高铁路堑边坡建设的主流，定将给高铁建设发展埋下极大的工程与安全隐患。　　鉴于此，本文以吉林－图们－珲春高铁延吉段膨胀土路堑边坡为研究对象，通过冻融膨胀土细观结构与宏观力学特性室内试验，揭示了膨胀土冻融循环作用下细观结构损伤与宏观力学性能劣化演变规律；基于试验结果建立了可反映体应变和剪应变与球应力和偏应力交叉影响耦合关系的膨胀土冻融弹塑性本构模型，并通过大型有限元软件ABAQUS提供的用户子程序接口，实现了广义塑性理论的双屈服面模型的完全隐式应力积分算法；通过构建三维膨胀土路堑边坡数值模型，实现了该弹塑性本构模型的应用并揭示了影响膨胀土边坡冻融稳定性主要影响因素及冻融变形特征。主要的研究内容、方法与认识简述如下：　　（1）针对吉图珲高铁延吉段，开展了膨胀土冻融循环作用下压汞试验（MIP）、CT扫描试验，以及三轴固结排水剪切试验。获得了膨胀土冻融作用下细观结构损伤与宏观力学性能劣化演变规律，发现孔径为5~100μm的孔隙受冻融作用影响最大。同时，基于膨胀土冻融CT数，构建了考虑细观结构冻融损伤诱发宏观力学性能劣化的数学表达式。　　（2）基于饱和膨胀土冻融作用下细观结构与宏观力学性能试验，在殷宗泽提出的双屈服面理论框架基础上，引入广义塑性理论，建立了可反映体应变和剪应变与p、q交叉影响耦合关系的膨胀土冻融弹塑性本构模型。通过与膨胀土三轴试验结果对比，验证了本构模型的正确性。依托ABAQUS数值有限元软件，发展了基于广义塑性理论的双屈服面弹塑性本构模型的UMAT子程序。通过冻融饱和膨胀土三轴试验的试验结果与数值预测比较，验证了UMAT子程序计算结果的有效性、可靠性。　　（3）基于第3章构建的冻融膨胀土弹塑性本构模型，建立了三维膨胀土路堑边坡―板桩墙体系数值模型并检验了模型的正确性。此外，构建了延吉段膨胀土路堑边坡温度场模型，揭示了膨胀土路堑边坡开挖完成5年后温度场分布规律。基于温度场最大冻深计算结果，阐明了无积雪覆盖情况膨胀土路堑边坡变形特征。考虑冻融裂隙影响，基于第5章冰雪消融入渗模型，揭示了春融期积雪覆盖极端冻融情况下膨胀土边坡变形规律。　　（4）采用饱和非饱和渗流理论，建立了春季冰雪消融条件下膨胀土路堑边坡―桩板墙体系三维数值模型，研究了不同积雪厚度、日气温变化、昼夜大温差引起的冻融作用下膨胀土边坡渗流场和稳定性变化规律。同时，针对哈佳快速铁路宾西段膨胀土路堑边坡，开展冻融膨胀土边坡变形现场监测，探讨了“1次冻融循环”条件下边坡变形发展规律。在此基础上，结合典型高寒区膨胀土路堑边坡滑塌事例，详细阐述高寒区膨胀土路堑边坡春融期滑塌机制。

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