柱孔扩张作为典型的边值问题，可以用来分析冻土区的桩基工程在施工时土体受到径向压力时的应力和位移。在施工时随着孔内径向压力的增加，周围土体会逐渐由弹性状态转变为弹塑性状态，进而可将周围土体划分为弹性区和塑性区，其应力状态由不同的控制方程确定。现有的柱孔扩张模型适用于未冻土和岩石，其本构方程和强度准则仅与材料自身的力学特性有关，而冻土的柱孔扩张模型还与土体的温度分布有关。此外，冻土的强度准则还具有与未冻土明显不同的非线性特征，即随着平均应力的增大冻土的强度先增大而后会降低，通常呈现抛物线形式。本文模型基于适用于冻土的抛物线强度准则，同时考虑了温度分布对冻土力学特性的影响，使用了包含温度变量的热弹性本构方程对土体的应力状态进行分析。在计算塑性区的位移时，本文模型运用连续介质力学的运动方程推导了柱孔内侧位移的表达式。通过算例分析，可以发现弹塑性分界面上环向应力的不连续、塑性区的变形存在压硬性等，与冻土的实际力学特性相符合。当孔内温度变化，塑性区的范围和应力分布均会发生改变。本模型对冻土地区的原位土工试验、桩基础设计和施工有指导意义。
土体的本构模型是分析计算土工结构变形规律的关键。自剑桥模型提出以来,对于土体本构模型的研究,各国学者在不同环境条件下发展研究了适用于相应试验条件下的各类模型。随着寒区经济的发展,关于冻土力学性质的研究日益增多,许多学者借鉴常规融土的研究方法建立了不同条件下的冻土弹塑性本构模型。为了进一步理清冻土变形行为的特征,完善适用于冻土弹塑性行为的本构模拟理论和方法,作者总结和分析了各类冻土弹塑性本构模型的理论基础、建模方法、参数确定方法等内容,对进一步发展可准确描述冻土复杂力学行为的本构模型具有指导意义。
分析了多年冻土在温度作用下的热弹塑性蠕变力学特性,以塑性增量理论为基础,推导了温度作用下多年冻土热弹塑性蠕变力学特性的本构方程。推导中,不计塑性变形与蠕变的耦合效应,将蠕变应变作为初应变放入本构方程,最后导出了带有初应变和初应力形式的增量本构方程。
推导冻土相变温度场的数学模型及有限元计算公式,在此基础上分别利用热弹塑性和热弹塑性—蠕变的本构关系,考虑融土和冻土的应力和变形,给出相应的有限元计算公式。以青藏铁路北麓河试验段为计算模型,计算冻土路基的温度场和温度影响下的应力、变形场,并且与实测温度和路基变形数据进行对比分析。计算和分析结果表明:冻土路基下多年冻土层温度随着路基使用年限的增加而逐步升高,形成高温冻土层;冻土路基变形随着时间的增加而增加,最后趋于稳定,这表明冻土的蠕变为衰减型蠕变;路基修筑后3～5年的变形量占变形的绝大部分,此后路基变形进入一个相对稳定的阶段,可满足铁路的正常运营。
运用虚位移原理推导出三维非线性接触单元的等效单元刚度一约束矩阵;通过建立冻土地基的热弹塑性-蠕变增量应力应变关系及几何方程得出冻土地基的热弹塑性-蠕变单元平衡方程。根据桩土共同作用的工作特性,通过引入非线性接触单元将冻土地基的热弹塑性蠕变非线性有限元计算模式与混凝土桩联系起来,建立了冻土区桩土共同作用的热弹塑性蠕变非线性有限元计算模型,通过模型计算结果与实测比较表明,该计算模型能较好地体现桩冻土共同工作性能。
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.
根据桩土共同作用的工作特性,引入非线性接触单元将冻土地基的热弹塑性蠕变非线性有限元计算模型与混凝土桩联系起来,建立冻土区桩土共同作用的热弹塑性蠕变非线性有限元计算模型,计算结果与实测比较表明,该计算模型能较好地体现桩冻土共同工作性能。
为了了解青藏高原多年冻土区K3035里程热融滑塌体的变形特征,分别在未滑动土体、近滑塌前缘滑体中布设了2个变形监测孔,利用Geokon-603型测斜仪实施了近1 a的变形监测。结果表明,发育在平缓斜坡上的热融滑塌具有明显的变形特征,其位移主要发生在土层浅部,越往深部,位移越小,这一监测结果通过室内数值模拟得到了验证。将阳坡的K3035热融滑塌与阴坡的K3057热融滑塌体的变形做了对比监测,无论是滑塌体后缘还是前缘,前者的滑动变形均显著大于后者。而无热融滑塌发育的斜坡(青藏铁路DK1139)土体变形量极小,这种差异一方面说明了开挖是导致热融滑塌发生的直接因素,另一方面,由于热融滑塌的影响,其后缘相对稳定的原斜坡土体也处于相对较大的蠕变变形之中。
基于不可逆热力学理论,通过引入能考虑冻土体积变形的塑性势函数,得到冻土弹塑性各向异性损伤本构方程,在与损伤张量对偶的广义力——应变能释放率空间中,构造了损伤累积势函数,并导出各向异性损伤演化方程。应用此模型分析冻土三轴试验资料,计算结果与试验吻合较好。计算结果表明:(1)冻土变形过程中的弹性损伤只占总损伤量的很小一部分,绝大部分损伤发生在塑性变形阶段;(2)围压的增大,有助于冻土结构的强化,从而减少冻土结构的总损伤量。