溫度梯度誘導的凍土非均質機制及力學回響研究

《溫度梯度誘導的凍土非均質機制及力學回響研究》是依託中國礦業大學，由趙曉東擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：溫度梯度誘導的凍土非均質機制及力學回響研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：趙曉東
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

課題以非均勻溫度厚凍結壁穩定控制為背景；針對現有試驗方法和理論不能揭示溫度梯度誘導的凍土非均質特性及其非線性力學行為的現狀；緊緊圍繞溫度梯度對凍土體變形破壞的影響機理這一關鍵科學問題；以溫度梯度誘導的凍土非均質效應為研究對象；以非均質性賦存形態與演變規律為研究重點；採用徑向單一溫度梯度凍結圓筒試驗、基於三維可變形離散元理論的徑向組合溫度梯度凍結圓筒數值試驗、凍結壁物理模擬試驗與理論分析相結合的綜合研究方法；套用K0DCGF(K0固結-保持荷載凍結-形成溫度梯度-再試驗)、基於炭黑-矽橡膠複合導電感測元件的分散式變形測量、數字照相等技術與手段；研究凍結圓筒中非均勻溫度凍土破裂體形成、演化的基本特徵與基本規律；明確凍結圓筒變形-承載性能與溫度梯度之間的相互關係；揭示凍結圓筒非均勻變形-局部破裂-整體失穩過程對溫度梯度效應的力學回響機制。研究成果將為特厚沖積層中凍結壁穩定性動態調控提供科學依據。

結題摘要

課題以非均勻溫度厚凍結壁穩定控制為背景，針對現有試驗方法和理論不能揭示溫度梯度誘導的凍土非均質特性及其非線性力學行為的現狀，首次研製出溫度梯度凍結圓筒實驗系統，溫度梯度控制精度≤0.05℃/cm，構建了豎直—水平—組合—二維溫度梯度凍土試驗、溫度梯度凍土相似材料製備等方法體系。在此基礎上，以室內試樣試驗、離散元數值試驗為主，以基於凍土材料的理模擬試驗和基於相似材料的試樣尺度模型試驗為輔，深刻揭示出溫度梯度誘導的凍土非均質機制和“梯度非均質”力學行為。溫度梯度誘導的凍土非均質機制為細觀冰—水—土骨架空間排列結構的非均勻性及其非線性演化。以位移增量、細觀顆粒配位數等空間分布表征溫度梯度誘導的凍土非均質，發現“梯度非均質”行為具有非連續、非平衡、非線性、多尺度等特徵。溫度梯度的出現和增加不改變凍土的巨觀變形回響曲線，但是會弱化凍土的峰值強度和變形模量，並導致凍土表觀脆性程度增加。溫度梯度出現和增加導致凍土變形呈現顯著的局部化分叉行為，局部化區內具有剪下和劈裂兩種力學行為，局部化區外具有彈性卸載和局部化區內的繼續損傷兩種力學行為。且局部化區具有“移動”現象。凍土峰值強度隨溫度梯度與載入方向間的夾角增加而增加。載入方向與溫度梯度方向垂直時隨溫度梯度增加，凍土試樣的巨觀破壞角逐漸增加，整體劈裂趨勢加強。載入方向與溫度梯度方向平行時隨平均溫度增加，溫度梯度凍土的局部化區變形量減小、高度增加、整體劈裂趨勢增強，相同平均溫度隨溫度梯度增加，剪下破壞趨勢減弱。保持平均溫度和溫度梯度，溫度梯度凍土強度隨高度增加而逐漸降低，隨平均顆粒尺寸增加而降低，且不同溫度條件下存在“臨界”特徵尺寸，小於該尺寸凍土強度基本不隨尺度變化而變化，破壞行為受剪下控制為主。臨界狀態下梯度非均質度與凍土強度、峰值體應變間具有一階線性回響關係，該關係與溫度、土質、載入方式無關。研究成果為發展特厚沖積層中凍結壁設計和穩定控制理論提供科學依據。