为研究含水率对冻结砂土强度和变形特性的影响,在不同含水率的条件下进行人工冻结砂土无侧限抗压强度试验。试验结果表明:冻结砂土的应力-应变曲线均表现出应变软化的特性,当含水率介于10%～20%时,冻结砂土的峰值应力、峰值应变和弹性模量随含水率的增大而增大;当含水率大于20%时,含水率的增大会弱化冻结砂土抵抗破坏变形的能力;冻结砂土的弹性模量与无侧限抗压强度线性相关,二者的比值介于6.01～13.76之间。提出了对于应变软化的应力-应变曲线损伤模型,将该模型计算结果与试验结果对比,发现损伤模型能够很好地预测冻结砂土的本构关系。基于Weibull分布的损伤本构模型能够准确地预测出冻结砂土的强度和变形特性。

为了研究高含冰量冻土路基的融化固结规律,在线性大变形融化固结理论的基础上引入非线性本构关系,并运用分段插值法实现了孔隙比与压缩模量之间的非线性关系,完善了三维大变形融化固结数值模拟方法。在此基础上结合青藏公路实测数据验证了其合理性。研究结果表明,采用非线性应力-应变关系的大变形融化固结理论能够显著提高高含冰量冻土路基的沉降计算精度,并能够进一步合理描述热学场和力学场的相互叠加影响。冻土融化固结度受有效融化固结时间以及特征排水长度等因素的影响呈现出完全不同于融土路基的发展规律,即在路基运营初期其融化固结度上升,随着时间发展,其固结度在达到峰值后持续降低,这主要是由于融化深度持续增大后所引起的特征排水长度的增加和有效融化固结时间的缩短所造成的。因此,在计算高含冰量冻土路基稳定性设计指标时,应采用非线性应力-应变关系来进一步提高融化深度、沉降以及固结度等指标的计算精度。

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。

对目前冻土蠕变试验研究和模型研究的研究成果进行了总结。从微观蠕变试验和宏观蠕变试验两方面对冻土蠕变的试验研究进行介绍。分经验模型、流变模型和一般的应力-应变-时间模型对冻土蠕变本构模型研究进行分析总结。从试验研究和本构模型研究两方面介绍冻土的动蠕变研究进展。同时,也介绍了冻土与桩基之间冻结强度的研究。目前,冻土蠕变研究大都集中在短期冻结强度,尤其缺乏桩土之间蠕变变形及长期强度的相关研究。随着未来冻土区铁路、公路建设以及民用建筑等级的提高,桩基础将越来越多的被应用。为优化冻土区桩基的设计,在当前有必要加强冻土区桩基蠕变特性的研究。

冰作为冻土的基本组成部分,对冻土蠕变的加速蠕变阶段有重要影响。温度通过影响冻土中冰的冻结与融化过程,及其黏塑性流动,引起冻土结构的强化与弱化,从而成为了决定冻土蠕变力学行为的关键因素之一。同时,外部应力也造成冻土的强化与弱化,影响着冻土的蠕变。通过引入硬化因子与损伤因子来考虑温度、应力造成的冻土材料强化与弱化。硬化因子H代表了蠕变过程中强化效应的大小,而损伤因子D则代表了由弱化效应造成的冻土材料相关参数的折减比例,进而提出了适用于冻土的改进西原蠕变本构模型。该模型预测值与试验数据的比较表明:改进的模型不仅能较好地描述初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段,而且相比于传统模型,能更好地描述冻土加速蠕变阶段,具有合理性与一定的实用性。

构建人工冻土BP神经网络本构模型,利用冻土三轴实验数据对神经网络模型进行训练,并2次开发有限元本构程序。用BP神经网络本构模型能很好的反映人工冻土非线性,人工冻土三轴数值模拟值和实验值误差在2.43%范围内。通过深井冻结工程数值模拟表明:人工冻土BP神经网络本构模型能较好的描述复杂应力路径变形特征,数值结果和现场实测规律一致,且和实测位移误差在5.0%;应用BP神经网络冻土本构模型准确预测预报人工冻土帷幕应力场和变形场,为冻结工程设计与施工提供参考。

为解决BP(back propagation)神经网络收敛速度慢,网络结构需事先定义等缺点,采用了级连相关神经网络模型来建立人工冻土应力和应变之间的关系.基于该模型推导了冻土的一致刚度矩阵形式,利用人工冻土三轴试验数据对神经网络模型进行训练,并用其替换有限元计算中的传统本构模型,将计算结果与性质及含水率相同的冻土的试验结果进行了对比,发现该神经网络本构模型很好地反应了材料的非线性,能够改善数值计算结果,与实测结果吻合地很好,比具有相同隐含层神经元个数的BP模型更接近实测结果.

研究冻土在冲击加载下的动态力学行为对寒区的工程建设、交通运输等都有着重大的意义。该研究在粘弹性模型的基础上,考虑了损伤和温度的影响,建立了能够合理描述冻土在单轴冲击荷载作用下的应力-应变行为的本构模型。并进行了冻土霍普金森压杆冲击动态实验,对比实验曲线和所建立的本构模型曲线,发现拟合良好,具有一定的工程应用价值。

通过室内试验研究获得动荷载作用下人工冻黏土蠕变特性,冻结黏土的动蠕变曲线分为3个阶段:初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段和渐进流阶段。依据人工冻土室内动三轴试验结果,基于动力学、连续介质力学和冻土力学原理,建立人工冻土在动荷载作用下的本构模型,即弹-黏弹-黏塑性本构模型。将改进的西原模型成功添加到ADINA软件平台中,利用该模型对人工冻黏土在动荷载作用下的蠕变进行有限元数值仿真,得出的有限元计算结果与试验结果相近。

本文采用室内冻结白垩系地层单轴蠕变试验研究我国白垩系地层人工冻结软岩热物理参数、冻结软岩力学特性及冻结壁设计。研究成果是白垩系地层人工冻软岩冻结壁力学计算的基础,为冻结壁稳定性分析与工程预测提供科学指导,对推动我国冻结法凿井理论与技术进步具有重大意义。