论文部分内容阅读
冻土是一种对温度十分敏感以至于其性质不稳定的特殊土体。吉林省西部位于我国东北的季节性冻土区,区内分布大面积的碳酸型盐渍土,由于地处松辽盆地扶余-肇东断裂带的东北段,自2003年以来,该区地震活动的频率和强度都有所增加。随着西部的开发和振兴东北老工业基地战略的实施,东北区域交通一体化的进程加快,车辆和列车的振动荷载、地震荷载、冻融循环对土体的损伤、以及土体本身的特殊性共同影响着吉林西部土体的工程地质性质。因此,综合考虑冻融循环、地震荷载、以及土体盐渍化等影响下的冻土动力学特性的研究,对盐渍化季冻土区的工程建设具有重要的科学意义。本文选择吉林省西部具有典型的土体盐渍化、季节性冻融和地震活动特征的乾安县内的盐渍土为研究对象,考虑研究区季节性冻融循环的环境特点,从未冻水的角度出发,研究了冻融循环次数、试验温度、围压、含水率、初始偏应力比、振动频率综合影响下重塑盐渍土动力学特征并进行了机理分析;采用灰关联分析法对各因素与土的骨干曲线、动剪切模量、阻尼比之间的关联度进行了分析,建立了吉林西部重塑盐渍土动剪应变幅值、动剪切模量和阻尼比的BP神经网络预测模型。具体内容有以下几个方面:1.采用测温法和核磁共振法得到了不同含水率重塑盐渍土的冻结温度和冻融过程中的未冻水含量。根据未冻水曲线的变化将吉林西部重塑盐渍土的冻结过程划分成微量相变段（0～-2℃）、剧烈相变段（-2℃～-5℃）、过渡相变段（-5℃～-9℃）和趋稳趋同段（低于-9℃）,将融化过程划分成缓慢相变段（低于-5℃）、加速相变段（-5℃～0℃）和伪过热段（0℃～2℃）。其中,温度在-2℃左右的微小变化,都可能会引起土中未冻水含量的巨大变化,因此,-2℃是吉林西部重塑盐渍土性质极不稳定的变化点。2.通过激光粒度仪法（LPSA）、压汞法（MIP）和扫描电镜法（SEM）得到了冻融循环0～120次后土的粒度和结构特征。结果表明:（1）20μm是冻融循环下土体粒度的转折点:冻融循环5次之内,粒径小于20μm的颗粒减少,粒径20-200μm的颗粒增多;冻融循环5次-60次,不同含水率重塑土中粒度变化趋势不同,但转折点仍在20μm附近;冻融循环60次-120次,粒径小于20μm的颗粒增多,粒径20-200μm的颗粒减少,即不同冻融次数下粒度的转折点都是20μm处。（2）冻融循环10次是土体孔隙特征和微观结构的转折点。冻融循环10次之内属于土体的结构调整期,土体的孔隙率持续增大,不同孔径孔隙的变化不均匀,颗粒间接触处的小颗粒或胶结物坍塌或脱落,孔隙周围的大颗粒与集粒之间产生裂缝处于易坍塌或悬空状态,土体原有的结构逐渐丧失;冻融循环10次-120次,土体孔隙率逐渐减小,大孔隙（4～40μm）的数量减少,中孔隙（0.4～4μm）数量增多,冻融循环下的水分迁移使孔隙更易贯通形成裂隙,裂隙的增多致使超大孔隙（＞40μm）含量升高,细颗粒含量的回升和孔隙率的变小使颗粒与颗粒之间的接触面积增大,整体的胶结更加牢固。3.通过GDS动三轴试验测试了冻融循环次数、试验温度、围压、含水率、初始偏应力比、振动频率等因素综合影响下重塑盐渍土的骨干曲线、动剪切模量和阻尼比。结果表明:（1）冻融循环对重塑盐渍土动力学特性的作用效果受到温度的影响。随冻融循环次数的增加,未冻土的抗变形能力降低、动剪切模量减小、阻尼比增大,其中,冻融循环10次以内未冻土的性质下降较慢,到冻融60次和120次,土的性质已有大幅度下降,因此,建议季冻区工程建设时,当地基土体经历一定的冻融循环次数,土体达到冻融条件下的平衡稳定结构后再进行施工。-2℃是吉林西部盐渍土性质较为特殊的温度点,此时,振动荷载能够对土中颗粒分布进行调整,进而影响到冻土中冰晶的分布。在-2℃下,未经冻融循环的冻土抗变形能力最强、动剪切模量最大、阻尼比最小;冻融1次、5次、10次冻土抗变形能力依次降低、动剪切模量依次降低、阻尼比依次升高;冻融60次和冻融120次土体在振动荷载的作用下,形成了均匀的冰晶胶结,冻土的抗变形能力提高、动剪切模量增大、阻尼比减小,其中,120次冻土中裂隙的发育使其力学性质低于60次冻融下的冻土。-5℃和-9℃下的冻土强度与其孔隙率成负相关关系,土体的孔隙率越大,冻土的抗变形能力越低、动剪切模量越小、阻尼比越大;土体的孔隙率越小,冻土的抗变形能力越强、动剪切模量越大、阻尼比越小。（2）围压对处于剧烈相变段的冻土强度具有加强和减弱双重影响,300k Pa～400k Pa围压对冻土的强度具有加强作用,400k Pa～500k Pa围压对冻土的强度具有弱化作用,围压对冻土的弱化作用随着温度的降低而消失。初始偏应力比的增大可能会造成未冻土的结构破坏而降低其强度,但会提高冻土的强度。振动频率增加有助于土的强度提高,振动有助于不同状态的冻土进行结构调整并趋于均一的作用效果。4.基于灰关联分析法对重塑盐渍土的动力学特性与其影响因素进行了关联度分析,根据关联度分析,认为含水率是吉林西部盐渍土在设计施工中需要重点考虑的因素。采用MATLAB建立了能够预测重塑盐渍土动剪应变幅值、动剪切模量和阻尼比的BP神经网络预测模型,模型的预测值与真实值变化趋势相同且较为接近,认为建立的BP神经网络能够很好地完成吉林西部重塑盐渍土的骨干曲线和动力学参数的预测。