多年凍土區(qū)路基隨機(jī)溫度場及變形場分析模型研究.pdf

1、多年凍土區(qū)公路及鐵道工程路基熱-力穩(wěn)定性問題是一個亟待解決的工程難題，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究，但考慮參數(shù)隨機(jī)性的研究較少。與一般巖土工程中存在諸多不確定性因素類似，對于凍土工程，由于冰的存在，其工程性質(zhì)復(fù)雜而特殊，表現(xiàn)出很強(qiáng)的離散性和隨機(jī)性。為此，本文以多年凍土地區(qū)路基為研究對象，考慮凍土熱力學(xué)參數(shù)的隨機(jī)特性，采用理論分析與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方式，建立典型路基隨機(jī)溫度場、隨機(jī)變形場及隨機(jī)應(yīng)力場分析模型，為青藏高原多年凍土路基工程長

2、期穩(wěn)定性及可靠性評價提供依據(jù)。
　　首先，引進(jìn)隨機(jī)場及其局部平均理論對凍土土性參數(shù)進(jìn)行隨機(jī)場描述與離散，提出實(shí)用性更廣的三角形單元局部平均法。研究結(jié)果表明：隨機(jī)場描述方法能合理考慮土性參數(shù)空間上的變異性；土性參數(shù)模擬為隨機(jī)場和隨機(jī)變量獲得的均值結(jié)果相同，模擬為隨機(jī)變量獲得的變異性偏高；傳統(tǒng)四邊形單元局部平均法中，被包含的兩個三角形單元數(shù)字特征不一定相同，且不等于包含的四邊形隨機(jī)場單元的數(shù)字特征，將其應(yīng)用于三角形單元有限元法存在偏差

3、；三角形單元局部平均法能與三角形單元有限元法完美結(jié)合，隨機(jī)場單元與有限元單元對應(yīng)關(guān)系清晰，操作方便，易于編程。
　　其次，將多年凍土地區(qū)路基上邊界條件模擬為隨機(jī)過程，凍土熱學(xué)參數(shù)模擬為隨機(jī)場，基于三角形單元局部平均法及NSFEM方法，自行研制開發(fā)了多年凍土地區(qū)路基溫度場隨機(jī)有限元程序，計(jì)算獲得了溫度均值及溫度標(biāo)準(zhǔn)差。研究結(jié)果表明：考慮參數(shù)隨機(jī)性得到的溫度場均值結(jié)果與傳統(tǒng)確定性溫度場結(jié)果相同；參數(shù)變異系數(shù)相同時，不同時刻較高的溫度標(biāo)

4、準(zhǔn)差位置不同，參數(shù)變異系數(shù)不同時，變異系數(shù)越大，溫度變異性越強(qiáng)；地基中存在大量的高溫凍土，由于區(qū)域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差的存在，高溫凍土的熱力學(xué)狀態(tài)存在隨機(jī)性；考慮氣候變暖條件下，溫度標(biāo)準(zhǔn)差總體隨時間呈增加趨勢。
　　再次，基于修正劍橋模型及雙屈服面理論，考慮凍土黏聚力及內(nèi)摩擦角的影響，以整體變形特性εv-lnp曲線對試樣的變形進(jìn)行描述，采用應(yīng)力路徑相關(guān)因子對等向固結(jié)路徑獲得的屈服面硬化參數(shù)進(jìn)行了修正，結(jié)合凍土臨界狀態(tài)參數(shù)得到了能夠體現(xiàn)凍土固有

5、臨界特性的參考屈服面硬化參數(shù)，并由當(dāng)前屈服面與參考屈服面間的關(guān)系定義了能夠反映凍土當(dāng)前狀態(tài)的固結(jié)參數(shù)及潛在強(qiáng)度，得到了能夠有效反應(yīng)凍土剪縮、剪脹、硬化和軟化特性的凍土模型。根據(jù)經(jīng)典的彈塑性理論，推導(dǎo)了所得模型增量形式的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，結(jié)合變剛度彈塑性有限元算法，詳細(xì)討論了在有限元計(jì)算中開發(fā)模型計(jì)算程序的數(shù)值實(shí)現(xiàn)過程。
　　最后，考慮隨機(jī)溫度對凍土區(qū)土體基本力學(xué)參數(shù)的強(qiáng)烈決定作用，將凍土力學(xué)參數(shù)模擬為隨機(jī)場，基于三角形單元局部平均法

6、及NSFEM方法，自行研制開發(fā)了多年凍土地區(qū)路基應(yīng)力場與變形場隨機(jī)有限元程序，計(jì)算獲得了位移場與應(yīng)力場的統(tǒng)計(jì)特征及其動態(tài)發(fā)展過程。研究結(jié)果表明：溫度變化主要影響豎向位移均值及豎向位移標(biāo)準(zhǔn)差分布；路基斷面特定位置沉降均值變化可分為沉降、凍脹、再沉降三個階段，且距離路堤上表面越近，分段現(xiàn)象越明顯；參數(shù)變異系數(shù)不同時，變異系數(shù)越大，位移標(biāo)準(zhǔn)差與應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差均越大，變異性越強(qiáng)；考慮氣候變暖條件下，路基斷面特定位置沉降標(biāo)準(zhǔn)差總體隨時間呈增加趨勢。<