考虑温度、盐分影响的路基填料剪切特性试验与本构模拟

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伴随国家“交通强国”战略实施,我国正大力兴建交通基础设施。快捷、方便、高效、节能的交通体系,在满足我国新时代发展交通运输需求的同时,也将为我国实现“碳达峰”、“碳中和”战略发挥重要作用。持久耐用、就地取材的粗颗粒土是路基建造过程中被广泛采用的材料之一,当前对交通荷载、温度变化、盐分侵入等因素作用下路基性能劣化机理尚无清晰认识,路基过大变形、失稳等灾害频发。颗粒材料因颗粒沉积排列方式不同而呈现各向异性状态,在三维应力状态下颗粒材料呈现拉压不等性,当前粗粒土强度准则往往难以反映这一点;不考虑路基粗粒填料各向异性往往过高估计路基承载力,使工程设计偏危险。此外,路基作为一种露天结构,长期处于温度场变化过程中,温度变化引路基粗粒填料变形机理尚不明确;且我国滨海一些地区路基建造过程中不可避免侵入一定盐分,在路基中随水分变化造成湿陷、结晶等问题,其对路基服役性能的影响有待进一步研究,当前合适的分析模型比较欠缺。针对上述问题与不足,本文展开以下几点研究:(1)为考虑颗粒材料拉压不等性,本文于Gudehus-Bauer强度准则中引入三轴拉伸摩擦角,提出了修正Gudehus-Bauer强度准则,结合亚塑性理论能对土体在一般应力条件下力学特性进行更好描述;另通过与各向异性临界状态理论结合,建立了考虑颗粒土排列方向的各向异性亚塑性模型,并通过不同方向饱和排水剪切试验验证了其正确性。研究表明,不考虑拉压不等性会低估颗粒土剪切强度,尤其当应力状态处于拉伸区时(中主应力比b>0.5);颗粒土强度及剪胀性受颗粒排列方向与加载方向共同作用的影响。(2)为研究温度变化对路基粗粒填料剪切特性的影响规律,对大三轴试验系统进行温控模块升级,进行三种压实度下高温(55℃)与低温(5℃)的饱和排水剪切试验。研究表明,温度升高使密实路基填料表现出软化现象,路基填料峰值强度随着温度增加而降低,且围压越高峰值强度衰减越明显;但其残余强度基本不受温度变化影响。考虑温度效应诱发密实路基填料剪胀及强度变化,依据已有研究中温度诱发体应变与温度差之间的线性关系式,建立考虑温度效应的亚塑性模型;并与试验对比,验证本模型的适用性及可靠性。(3)为研究含盐量及浸水对于氯盐盐渍路基填料静力剪切特性的影响机理,在大三轴试验系统上进行粗粒盐渍填料的排水剪切试验。研究表明,不同含盐量路基填料在浸水前后内摩擦角基本保持一致;浸水诱发粗粒盐渍填料峰值强度明显减小,而残余强度较浸水前基本保持不变。干燥及饱和状态下盐分侵入均会引起填料强度提升,而盐土固体混合样盐分侵入引起的强度提升较盐溶液饱和土样更为显著。考虑盐溶液与盐结晶两种不同的赋存状态,根据试验规律及吸力效应,建立干湿状态粗粒盐渍填料模型,通过浸水前后排水剪切试验进行验证模型的正确性。
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