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题名	冻土的力学性质及其本构关系
作者	何平
学位类别	博士
答辩日期	2002
授予单位	中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
授予地点	中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
导师	程国栋
关键词	冻土 力学性质 本构关系 损伤 耦合作用
其他题名	The Mechanical Properties and Constitutive Relationship of Frozen Soil
中文摘要	冻土，作为多年冻土地区建筑物的地基基础，其物理、力学性质直接影响着建筑物的设计原则。运营状况及其运营时间。由土颗粒、冰、未冻水及气体多组分组成的冻土，其中任何组分的物理、力学性质改变都会影响到冻土整体的物理、力学性质的变化，温度。压力、水分状况以及盐分含量等是控制冻土物理、力学性质的主要因素。土体是由松散的颗粒体组成的；其体积大小决定于其成型压力，压力越大，土颗粒越密实，所占有的体积越小。也就是说，土颗粒在压力作用下有被压密的趋势。密实的土体具有较大的承载力。冰作为冻土中独特的成分，对温．度及压力极其敏感。不论温度还是压力的升高，都会导致冰的融化，使其丧失承载力以及与土颗粒之间的冻结力。冰的力学性质有别于土的力学性质。冻土中冰含量的多少决定了冰对冻土力学性质的贡献大小。对于非饱和冻土，冰含量决定着冻土实际承载面积的多少，冰含量越大，冰与土颗粒间的结合总面积越大，冻土承载面积也就越大，因此冻土的强度越大。在超饱和状态，冰含量过大；土颗粒分布稀松，冻土的力学性质主要取决于冰的力学性质，与相对密实饱和的冻土比较，承载力降低，力学性质变的不稳定。未冻水存在于冻土和冰中。实验观测证明，即使在-200℃温度下，冻土中依然存在未冻水。未冻水分强结合水和弱结合水，处于弱结合力状态的未冻水，具有流动性，对冻土的力学性质有着重要的影响。它的存在，使得冻土具有流变性，表现为粘弹、粘塑的力学性质。压力和温度控制着冰与未冻水之间的转化。压力增大、温度增高，未冻水含量增加。未冻水与土骨架和冰一起共同承受荷载。不同的是，未冻水承受外载的能力更易变化，具有从高应力区向低应力区移动并卸掉部分或全部所承受的荷载由土骨架和冰承担。因此，压力除增大土颗粒的密实度和强化土体外，与一般土力学概念有差异的是，压力同时导致未冻水增加，由此导致冻土承载力降低，流变性增强。正是因为冻土是由土颗粒及可相变的冰和未冻水组成，冻土的力学性质受土质、压力、温度等因素影响而因此变的非常复杂。在非饱和冻土强度机理分析中，本文引进冰饱和度的概念，它容纳了干容重、孔隙率以及初始含水量的作用。试验证明，由此建立的非饱和冻土强度理论是适用的，揭示了非饱和冻土强度受温度、干容重、含冰量等因素影响的机理。不同于融土以及其它弹性材料的冻土，其力学本构关系显示出强烈的粘塑性，并且与未冻水含量的多少密切相关。静水压力增大，密度增加、抗摩擦力增大，导致应变硬化。同时压力增大，冰向未冻水转化，造成未冻水增多，抵抗力降低。为此，本文在耗散势的建立上引进未冻水含量指标，反映静水压力的双重作用。冻土的破坏过程是渐进的，建立冻土破坏过程的本构关系构成了冻土木构关系的完整性。损伤力学的引进对于冻土破坏过程本构关系的建立起到了关键的作用。本文在理论分析及试验验证的基础上；提出损伤演变律及损伤门槛值的具体型式。在连续介质力学及热力学基础上建立的饱和冻土粘弹塑损伤耦合本构理论，反映了冻土的粘弹塑性质、未冻水作用机理、应变硬化以及破坏的发展过程。试验证明，该理论计算结果与实际情况较好的吻合。本文同时就饱和土体在冻结过程中，所发生的水、热、力之间的相互作用问题进行了理论探讨。在土体冻结过程中，水分迁移及应力的作用导致土体的密度和体积发生了变化。体变是应力场引起的粘弹塑性变形、孔隙水变化引起的固结或膨胀变形以及相变引起的变形的累加。在水分迁移及分凝冰的形成中，冻结缘起到重要作用。在冻结缘区，各点孔隙水势值不同，导致冰水相变温度不同。也就是说在这个区各点温度不尽相同，但却同时满足热力学相平衡条件，因此产生冰水共存区。当孔隙水压力大于（或等于）土骨架有效应力与土颗粒粘聚力之和并且温度满足相平衡条件时。分凝冰也就形成了。
语种	中文
公开日期	2013-08-22
页码	81
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.casnw.net/handle/362004/21947]
专题	寒区旱区环境与工程研究所_研究生学位论文_学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	何平. 冻土的力学性质及其本构关系[D]. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 2002.

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