风积土在我国分布范围较广,其具有显著的结构性,在温度、应力和渗流作用下,路基常有冻胀、融沉、强度降低等病害发生,路基填料结构性的损伤与演变是根本原因,给基础建设造成严重经济损失。本论文阐述我国西部高纬度和北方地区风积土,在季节性冻胀、应力和渗流耦合作用下,风积土路基填料结构性的研究现状。

冻土是高原交通工程不可回避的问题,冻土研究不仅涉及土体结构,还涉及温度和含水量对土体的影响,目前,冻土问题理论研究进展比较缓慢,是岩土领域研究的热点和难点.根据材料集合状态理论的思想和方法,建立了冻土材料的宏-微观模型.在宏观上建立了以冻土材料结构强度、刚度、塑性应变及孔隙比、饱和度、温度为参量的冻土材料结构状态集合函数的控制方程;在微观上建立了以土颗粒、冰、水为结构要素而形成的微结构元集合.通过以冻土材料的强度、刚度和结构应变为宏观约束条件,找到所有可能的微结构状态及其分布,以此为基础,建立冻土材料宏观参量与材料微观特征参数之间的关系.在一定的简化条件下,得到了冻土材料的状态集合函数的解析表达式,并由此形成冻土材料的强度准则、流动法则和应力-应变关系.

以季节性冻土的冻融循环作用为研究对象,以冻融循环下季节性冻土路基的沉降预测为最终目的,在传统水、热、力三场耦合模型中引入描述土体结构性的特征表现量,使传统水、热、力三场耦合模型应用范围得以拓展,能够考虑冻融循环的影响作用,并使预测结果更加符合实际的冻融循环对季节性冻土路基沉降的影响。

提出在青藏高原多年冻土上修建路基的一种新型结构———级配改良结构性路基,即通过路基填土的粒径级配重组和水平排水板的结构改良,改善路基的热效应,并建立级配改良结构性路基模型;根据粗砾石的Balch效应和级配改良粗粒层自然对流效应,分析级配改良结构性路基保护多年冻土的热学工作机制;依据级配改良结构性模型路基的尺寸和热力学参数,采用有限元数值分析方法,建立有限元分析模型。在年增温率为0.04℃/a条件下,20 a内级配改良结构性路基与地质体的温度场有利于冻土保护,路堤冻土上限抬升后的变化幅度与天然场地冻土上限的下降幅度一致,有利于减小不均匀的融沉变形,减少路基不均匀沉降开裂。研究结果表明,级配改良结构性路基具有良好的保护冻土的功能,是一种简单有效的路基结构形式。

基于低温动三轴试验及CT扫描试验对不同围压、负温下冻结粉质黏土的弱化机理进行了分析研究,利用冻结粉质黏土动三轴试验前、后的CT扫描试验数据与图像,定量分析了冻土的密度、结构及损伤度等方面的变化及动三轴试验前、后CT数增量、方差增量与围压、负温之间的关系。分析了在振动荷载作用下冻土内部孔隙、裂隙扩展过程,从附加损伤的角度证实了临界围压值的存在,明确了冻结粉质黏土结构弱化的根本原因是孔隙冰的压融和微裂隙的发育。

首次提出冰率的概念,对冻土的结构性研究方法进行了初步探索,并结合青藏铁路北麓河路基填土无侧限抗压强度试验,对正冰率与含水量和压实度的关系作了较为浅显的分析。