凍土與構築物接觸面廣泛存在於凍土區各種岩土工程結構中,開展該接觸面剪切力學特性研究對於分析凍土區結構的承載力、凍融變形及穩定性等問題具有十分重要的意義。在全球升溫、凍土退化背景下,水泥土攪拌樁、基坑排樁、擋土牆以及組合樁等水泥土基礎將在高溫凍土地基基礎設計中扮演重要角色。土-結構接觸面的研究起源於上世紀70年代,最初由Clough和Duncan通過試驗建立雙曲線模型,經過半個世紀的發展,國內外專家通過各種研究方法,先後建立了多種模型。然而上述模型都是在融土中建立的,並不適用於凍土。高溫凍土-結構介面變形機理及本構模型的研究至今未見報導。
中國科學院西北生態環境資源研究院(簡稱西北研究院)凍土工程國家重點實驗室凍土力學研究團隊對此關鍵科學問題進行了長期跟踪研究。通過設計多因素影響下室內剪切試驗,分析接觸面破壞形態並明確其荷載轉化機理,基於岩土破損力學理論及二元介質模型,將接觸面上的凍結粉土抽象成由膠結元和摩擦元組成的二元介質。剪切荷載作用下膠結元逐漸破損向摩擦元轉化,二者共同承擔外荷載。同時,引入體積破損率和應力分擔率函數,假設接觸面凍土微元强度服從Weibull概率分佈,建立了接觸面損傷本構模型,該模型揭示了水泥土-凍土接觸面微觀破損機制與細觀力學特性,很好地模擬了該接觸面應力-應變曲線全過程,特別是接觸面應變軟化特性。
該成果於2021年7月14日以Mechanical behavior and constitutive relation of the interface between warm frozen silt and cemented soil為題線上發表於Transportation Geotechnics期刊。西北研究院凍土工程國家重點實驗室張琪博士為文章第一作者,張建明研究員為文章通訊作者。該研究獲國家自然科學基金面上項目(41971086)資助。
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圖1接觸面直剪試樣
圖2接觸面受力及力學模型
圖3接觸面變形階段及荷載轉化關係
圖4模型值與實測值的擬合結果對比
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