季凍區土體凍融損傷及邊坡凍融滑塌機理研究

《季凍區土體凍融損傷及邊坡凍融滑塌機理研究》是依託哈爾濱工業大學，由於皓琳(曾用名：於琳琳)擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：季凍區土體凍融損傷及邊坡凍融滑塌機理研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：於皓琳(曾用名：於琳琳)

項目摘要

季節凍土區土質邊坡因遭受天然凍融作用，土體的結構受到損傷、力學特性衰減，凍融土體內水分場重分布、凍融界面處大量融水異常聚積，導致季凍區土質邊坡凍融滑塌問題十分普遍，常同時同地大規模發生，凍融滑塌災害問題逐年增多，對交通水利工程和國民經濟均造成巨大危害和損失。本項目通過凍融滑塌邊坡現場勘測、凍融條件下土體物理力學性質室內試驗和模型試驗相結合，研究土體凍融損傷機理、凍融循環對土體結構和凍融邊坡內部水分重分布、聚積的影響，並結合邊坡工程現場監測，揭示邊坡土體凍融滑塌機理，不同類型凍融滑塌的產生要因與機理分析，利用土體結構與土體力學性能的關係以及力學性能與含水量的關係，建立凍融土體本構模型，藉助大型有限元軟體在考慮水（冰）、熱、力耦合條件下分析不同氣象環境滲流作用下季節凍土區土質邊坡凍融滑坡的機理研究，提出季節凍土區土質邊坡凍融穩定性分析方法與治理措施，指導邊坡工程的設計、凍融滑坡預警及災害治理。

結題摘要

季節凍土區邊坡工程凍融滑塌事故頻發、造成巨大經濟損失，嚴重影響關係國計民生重大項目的建設、運營與發展，現有工程技術不能有效防治凍融滑塌災害，因此季凍區邊坡凍融災害機理研究已成為亟待解決的重要基礎性科研問題。為此項目組開展了如下關鍵研究工作：季節凍融邊坡土體力學性能損傷研究及其本構模型建立，季節凍融—滲流導致土質邊坡滑塌的破壞機理，季節凍融土質邊坡潛在凍融破壞位置穩定性及特有整體發展規律。項目研究獲得了以下關鍵成果：經歷季節凍融後原狀土抗剪強度大幅降低、可達50%以上，7次凍融後穩定，對凍融土內摩擦角隨凍融次數增加而增長的趨勢給予了全新機理解釋。分析了原狀土季節凍融損傷，提出相對初始切線模量損傷率的定義，並建立了原狀土的季節凍融損傷模型。根據模型試驗獲得了季凍區土質邊坡凍融—滲流滑塌類型：淺層滑塌破壞、局部滑塌破壞和整體滑塌破壞，分別主要發生在季節凍土層融化前期、中期和完全融化後期。春融期降雨對邊坡坡頂和坡腳穩定性影響較大；坡腳積土量與降雨強度具有一個動態平衡點；降雨停止後的一段時間內，降雨對土體產生持續影響。春融期降雨7小時後，由於孔隙水壓力的消散，季節凍融邊坡土體有效應力增加，凍融土層基質吸力增加，邊坡內部仍然存在非飽和滲流，導致降雨停止一段時間後邊坡更易發生滑坡。對季節凍土區邊坡處於凍融過渡帶土體的抗剪強度參數進行理論分析研究，推導出粘聚力和內摩擦角的凍融損傷模型。建立了季節凍融邊坡數值模型，並得到了分析方法與季節凍融土質邊坡滑塌破壞的特點與規律。春季融沉階段，隨著氣溫的升高，邊坡融化的土體逐漸增多，融化深度逐漸增大，凍融過渡帶的位置從0.5m發展到1.6m左右，在極限狀態下，季凍區邊坡在融沉期的滑移破壞形式為：靠近坡頂處滑移面近似為平行於土體的平面，坡底部滑移面為圓弧面。綜上研究成果可知，對邊坡土體施以具有排水或排水固結作用的工程措施，將會使凍融后土體的抗剪強度得到一定的恢復或提高，利用這些成果可以全面掌握季凍區邊坡穩定性的變化規律，直接分析邊坡的最不利穩定狀態，可大大減少對邊坡穩定性分析和評價的工作量為解決季凍區土體邊坡凍融穩定性問題提供了新的思路和理論支持。