《正凍飽和路基土的結構損傷彈塑性模型與凍脹變形研究》是依託哈爾濱工業大學，由馮德成擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：正凍飽和路基土的結構損傷彈塑性模型與凍脹變形研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：馮德成
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
隨著哈爾濱-大連高速鐵路與漠河-北極村高速公路等重大交通基礎設施的建設與運營，我國在高寒季凍區的交通建設中取得了重大進展。然而路基的凍脹依然制約著工程的耐久性和行車安全。本課題瞄準寒區路基在抗凍設計和凍害防治方面的理論需求與技術欠缺，特別關注正凍土的應力、溫度和水分的耦合效應，採用室內試驗、理論分析和數值模擬相結合的方法，深入研究季節性凍土凍脹變形的發生與發展機制。首先，在應力－溫度耦合作用下飽和土凍脹試驗基礎上，以孔隙冰比作為損傷變數，提出正凍土的結構損傷演化方程；據此，在臨界狀態土力學框架下，通過建立合理的屈服函式和硬化準則，構建正凍土的結構損傷彈塑性模型；基於此，改進孔隙冰發展函式，建立正凍土的水-熱-力耦合凍脹模型，並驗證該模型。本項目的研究，有利於深入理解路基凍脹的發生機制和變形規律，為凍土基礎的穩定性評價提供理論支撐，促進寒區交通基礎設施的建設和凍土力學的發展。
結題摘要
本項目瞄準寒區路基在抗凍設計和凍害防治方面的理論需求和技術欠缺，著眼於凍結過程中飽和路基土凍脹變形的發生與發展機制，特別關注正凍土的應力、溫度和水分的三場耦合效應。以東北地區常見的粉質黏土為研究對象，採用室內試驗、理論分析和數值模擬相結合的手段，深入研究季節性凍土凍脹變形機理。首先，總結並分析了國內外學者關於凍脹試驗系統的研製進展，設計並研製了側限條件下土體凍脹試驗系統和複雜應力（三軸應力）狀態下的土體凍脹試驗系統，並提出了相應的試驗方法。其次，以粉質黏土為研究對象，考慮應力水平、壓實度、溫度梯度等因素的影響，分別進行了側限與複雜應力條件下飽和土的凍脹試驗，分析了飽和粉質黏土的在凍結過程中的溫度、水分分布規律，以及凍脹發展規律。再次，研究了正凍粉質黏土的凍結速率、凍脹速率、凍脹率的發生與發展機制，並考慮應力水平、壓實度、溫度梯度的綜合影響，建立了凍脹率的經驗預估模型。進而，以熱傳導、相變潛熱、水分擴散等理論為基礎，建立了飽和-非飽和壓實粉質黏土水-熱全耦合數值模型；基於COMSOL多物理場仿真軟體，實現了飽和-非飽和壓實粉質黏土的水-熱全耦合數值模擬，並結合室內模型試驗驗證了模型的可靠性。最後，建立並驗證了飽和-非飽和壓實粉質黏土的凍脹預估模型。通過本項目的研究，有利於深入理解路基凍脹的發生機制和變形規律，為凍土路基的抗凍設計和穩定性評價提供理論支撐，並推動寒區交通基礎設施的建設和凍土力學的發展。 基於以上成果，項目組發表了學術論文18篇，其中SCI檢索8篇，EI檢索7篇；申請專利3項，授權1項；培養副教授1人，碩士生4名，博士生2名；完成專著2本；部分成果納入我國行業標準《季節性凍土地區公路設計與施工技術規範》（JTG/TD31-06-2017）和遼寧省地方標準《公路路基彎沉驗收標準》（DB21/T 2764-2017）。獲得國家科技進步二等獎1項、中國公路學會科學技術一等獎1項、陝西省科技進步一等獎1項。
