【摘 要】
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在人工冻结法施工及冻土区工程的建设过程中,广泛涉及到冻土与结构接触面的剪切力学特性问题,且由于在经历冻融循环作用后,土体的物理力学特性会发生较大变化,冻融土-结构接触面剪切特性更加复杂,严重影响相关工程建设及结构的安全使用。本文以地下混凝土结构物表面的随机起伏特征为基本出发点,建立随机起伏的混凝土结构接触面,开展冻融土-随机起伏结构接触面剪切力学特性试验,从宏观角度研究了冻融土与结构接触面的剪切力
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目（51874286）“深部冻融土-混凝土结构相互作用接触界面力学特性研究”；
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在人工冻结法施工及冻土区工程的建设过程中,广泛涉及到冻土与结构接触面的剪切力学特性问题,且由于在经历冻融循环作用后,土体的物理力学特性会发生较大变化,冻融土-结构接触面剪切特性更加复杂,严重影响相关工程建设及结构的安全使用。本文以地下混凝土结构物表面的随机起伏特征为基本出发点,建立随机起伏的混凝土结构接触面,开展冻融土-随机起伏结构接触面剪切力学特性试验,从宏观角度研究了冻融土与结构接触面的剪切力学特性。基于土与结构接触面剪切过程中产生大变形的特点,采用离散元方法进行土与随机起伏结构接触面的剪切数值模拟试验,从细观角度分析了土与结构接触面的剪切力学响应,并基于试验结果,建立了考虑冻融影响的土与结构接触面剪切本构模型。本文的主要结论与成果如下:（1）采用数学方法建立了模拟混凝土界面的具有随机起伏特征的二维表面数学模型,确定了模型中参数的合理取值范围,并通过3D打印、倒模等方法得到了可用于冻融土-结构接触面剪切力学特性试验的三维实体随机起伏结构接触面。（2）通过开展冻融土-随机起伏结构接触面剪切力学特性试验,系统研究了法向应力、冻融循环次数、结构接触面起伏程度对土与结构接触面剪切力学特性的影响。通过对剪切应力-剪切应变曲线的分析,发现了剪应力-应变曲线具有压硬性、冻融软化性的特点。通过对法向位移-剪切应变曲线的分析,发现法向应力会加强剪缩效应,结构接触面起伏程度会加强剪胀效应。（3）基于土体剪切过程中的大变形特点,采用离散元方法开展了土-随机起伏结构接触面的模拟剪切试验,发现在法向应力加载阶段,结构接触面的凸起与凹陷处会出现应力集中,在剪切阶段,在颗粒与结构接触面的接触区域会形成挤压区和脱离区。剪切期间形成的剪切薄层厚度受到法向应力、结构接触面起伏程度及局部大颗粒的影响。（4）基于Clough和Duncan双曲线本构模型广泛的适用性,在负乘幂本构模型的基础上充分考虑剪切应力-剪切应变曲线的形状特点,建立了冻融土-结构接触面剪切力学本构模型。对于冻土区及人工冻结法施工的地下混凝土结构物,相关研究结论能有效预测在土体融化过程中施加给结构物的融沉荷载,有效预防由于冻土融沉产生的工程危害,为冻土相关工程的质量和长期安全运营提供科学依据。该论文共有图71幅,表13个,参考文献121篇。
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