基于修正拉格朗日(U.L)描述下的大变形固结理论和考虑相变作用的温度场得到大变形融化固结理论,对不同路堤高度下填土路基温度场和融沉变形进行研究.结果表明:高温冻土区合理高度的路堤在5～10 a内使冻土上限略微抬升,但冻土有明显升温.冻土上限在未来的5～10 a后会急剧下降,且路堤高度越小,下降量越大.与小变形融化固结理论相比,大变形融化固结理论预测高含量冻土融沉变形的精度更高.融沉量与路堤高度成正比,且随着时间的增长,融沉变形呈阶梯型发展,路堤越高,阶梯现象越显著.定义融沉量与路堤高度之比为沉降比,研究发现路堤越低,其沉降比越大,且随时间线性增长.沉降比是冻土融深增量的单值函数,与路堤高度无关,通过沉降比函数可以快速而实用的求出融沉变形量.
冻土的固结是在融化的基础上进行的,是温度与变形耦合作用。为此运用传热学、冻土物理学和固结理论,考虑了水分场与温度场的相互作用,分别建立了温度场、固结变形场的数学模型。通过温度场与变形场方程的联合求解来解决二者的耦合作用,形成了冻土融化固结的数学模型。以试验路基为原型,假定未来50年升温2.6℃的条件下,对该段路基运营若干年后的热、力学状况进行分析。结果表明路基修筑以后,在冻土路基的温度场、位移场、应力场受外界影响重新分布。路基变形随着融化范围的增大而增加,分析了路基高度对路基沉降的影响,数值分析结果与现场的实际监测结果有很好的一致性。
应用冻土的粘弹塑本构力学模型,采用温度场与冻土大变形耦合作用的方法,编制了能够模拟寒区冻土大变形的本构有限元程序;并通过用户子程序嵌入到大型商业有限元软件ADINA中,对冻土中锥形桩室内模型试验进行了变形场和温度场耦合的有限元数值模拟.有限元计算结果和模型试验结果非常接近,并且两者的规律性也相同,验证了耦合温度自由度的粘弹塑本构力学模型的正确性和可靠性,表明应用有限元分析方法可为寒区冻土中锥形桩基工程设计提供参考.
