本文是一篇土木工程论文，本文对多年冻土区公路路基填土进行了常规土工试验，测定了土体的基本物理指标；通过不固结不排水三轴剪切试验，分析了土体在不同试验条件下，其应力-应变曲线、弹性模量、抗剪强度、内摩擦角与黏聚力在不同冻融循环次数下的变化规律；采用正交实验，基于直观分析和显著性分析方法，探究了影响土体抗剪强度的主次因素；通过室内冻结试验建立的预测模型与 COMSOL Multi-physics 建立的路基水热耦合模型相结合，并分析实测数据，准确预测了路基长期变形。
1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
1.1.1 选题背景
中国的多年冻土大多位于东北的大（小）兴安岭山脉、青藏高原及松嫩平原西北部的高山地区。青藏高原为世界上所有高原中，面积最大且海拔最高的一个，独特的地理位置，恶劣的自然条件，复杂的地质条件，被誉为“世界屋脊”和“地球第三极”，其总面积的 54.3%为多年冻土，面积约有 1.4×106 平方公里，是全球所有中低纬度的冻土区中面积最大且海拔最高的[1]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 冻融作用下土体力学特性变化研究现状
冻土是一个四相体，与普通土相比，其物理力学性质更为复杂[6]。多年冻土对温度的升降变化具有较高的敏感性，因此寒冷地区的工程活动不可避免地会对处于稳定状态的土体有一定的干扰，冻土地基则会因大气规律性的温度变化产生冻胀和融沉。公路的修建破坏了多年冻土区原有的水热平衡，改变了多年冻土的温度场、水分场和应力场，使多年冻土在扰动后的力学性质更加复杂，加剧了路基土的冻胀融沉过程，大概率产生严重的病害，影响公路的稳定性。土体冻胀融沉过程会使土颗粒产生新的排列方式和结构连接，从而使土体的力学特性发生变化。
Zhang.S.J 等认为，石灰粉土在冻融循环作用下其抗剪强度不断减小，10 次冻融循环后强度达到最低；砂质泥岩在冻融作用下强度逐渐降低，塑性逐渐增强，破坏应变逐渐变大[7]。Simonsen E 等研究表明，土体在经历一个冻融循环周期之后，土体的弹性模量将降低 20%-60%（取决于土质类型）[8]。Johnson 等对现场试验的挠度数据进行研究，发现细粒土冻结时的弹性模量高达 10GPa，解冻时的弹性模量低达 2MPa，未冻结时的弹性模量更是高于 100MPa[9]。Chamberlain 等通过研究在冻融循环作用下，土体渗透性的变化规律发现，土体孔隙体积在冻融作用下逐渐减小，重力方向的渗透性逐渐增加；黏性土因竖直方向收缩裂缝的产生而增大渗透性，具有良好压缩性的砂类土体，则是因孔隙内固体颗粒的减少[10]。Leroueil 等对经历冻融后的黏土开展了三轴剪切试验，研究发现，初始流动指数对土体的抗剪强度和融化固结体积有一定程度的影响，且会减弱冻融循环后，土体应力应变曲线软化趋势[11]。P.Viklander 研究发现，密实土与松散土在冻融循环作用下，其孔隙比逐渐趋于定值[12]。Benoit G R 等提出，冻融循环后土体的抗剪强度小于未冻融循环的土[13]。然而，冻融循环导致土颗粒粒径发生的变化将取决于土的原始状态，如土的类别、粒径大小、冻融循环次数和密度[14][15]。R.W.van Klaveren 的试验成果发现，未经历过冻融循环作用的土体，其抗剪强度远远大于冻融循环后的土[16]。齐吉林等认为多次冻融循环使土的结构性发生改变是改变土体力学性质的主要原因[17]。在开放式补水系统中，土的干容重随着冻融循环次数的增加逐渐趋于定值，且与初始干容重无相关性[18]。马巍等发现，冻融作用降低了超固结土的粘聚力，增大了超固结土的摩擦角，并与冻融过程中土的初始状态、冰晶的生长和负孔隙水压力引起的有效应力的增加有关，结合正常固结土在冻融循环作用下结构强化的研究，得出了冻融引起超固结土结构弱化的影响[19]。王林等在封闭式试验环境下进行冻融循环，并测定其基本物理性质；冰的冻胀使土壤孔隙度增加；冻融循环作用下红黏土的塑性指数降低，内摩擦角与粘聚力增大[20]。
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2 冻融作用下路基填土力学特性的试验研究
2.1 基本物理特性试验
试验土样为共玉高速玛多试验段碎石路基上部的素土填料。
2.1.1 颗粒级配分析试验
在现实生活中，土体是由粒径不同的土颗粒构成的。土体的性质会因土颗粒粒径的粗细不同而有所改变。通过土的粒径分析试验，确定土的粒径分布，比较通用的分析方法有两种，分别为密度计法与筛分法。筛分法通常分析土粒粒径不小于 0.075mm 的颗粒，而粒径不大于 0.075mm 的颗粒使用密度计法分析。按照《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）中要求的试验步骤进行测定。颗粒级配曲线如图 2.1。
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2.2 试验方案及操作步骤
本次冻融循环试验在封闭式环境条件下采用三向冻结的方式进行。为了制造封闭式环境，采用保鲜膜对土样进行密封包裹以此隔绝水分交换。冻土力学的研究以及寒区工程的建设主要研究方向就是冻融作用，而冻融循环是改变填土力学特性的主要原因。依据气候温度的升降来决定试验过程中，试样进行冻结及融化的时间，对分析土体在冻融循环影响下其力学特性的发展趋势有着重要意义。
本文研究含水率、冻融循环次数及围压对试样应力-应变关系曲线、弹性模量、抗剪强度、内摩擦角及粘聚力的影响。试样的含水率为 13%、15%、17%、19%、21%，压实度为 98%，直径为 39.1mm，高度为 80mm。在试样经过 0、1、3、5、7、11 次冻融循环后，将其放在 50kPa、100kPa 和 200kPa 三种不同围压试验条件下进行三轴剪切试验。具体试验方案见表 2.3。
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3 基于正交试验的填土力学性质多因素影响分析..........................22
3.1 正交试验设计简介................... 22
3.2 不考虑交互作用的直观分析....................... 22
4 冻融循环作用下土体冻胀融沉试验.................31
4.1 土体的冻胀融沉机理..................................... 31
4.2 土体的融化固结特性............................. 32
5 基于水热耦合的冻土区路基变形分析........................................42
5.1 工程概况.......................... 43
5.2 冻土区路基水热耦合求解微分方程组......................... 43
5 基于水热耦合的冻土区路基变形分析
5.1 工程概况
共和—玉树高速公路玛多检测段地处青海省的果洛州玛多区域。1960 年至 2010 年时间段内，玛多县的平均空气温度是-3.8℃，气温整体变化表现为上升。每年 1 月份气温达到最低点，过去 10 年的最低大气温度平均值是-22.1℃；在 7 月份时气温达到最高值，过去 10 年最高大气温度平均值是 15.2℃[59]。近 10 年来，此区域的年平均风速是2.89m/s，夏季达到 3.31m/s，冬季风速较低为 2.658m/s。每月主要风向为西北风，风速较大且持续较长时间。
监测路段内有碎石路基 2 个断面，里程分别是 k440+780 与 k440+860。监测地段地势较为平坦，海拔高度为 4300-4500m。公路路基高度为 2.0m，路基上部 10m 宽，边坡坡度 1:1.5。路面采用沥青混凝土材料，路基上部填土是 1.5m 厚的含砂粉土；路基下部是碎石层，厚度是 0.5m，粒径为 4～8cm；地基下部 0~2.0m 是含砂粉土层，2.0m 以下是细砂层。砂质粉土层含水率为 10%～16%，细砂层含水率是 17%。路基较近区域的勘测和地温数据表明，此路段的冻土最大融化深度是 2.6m，冻土平均地温-0.6℃，是高温高含冰量类多年冻土。
由图 5.1 可以看出，在一个完整的循环中，碎石路基中心处正温时间为 227d，中心温度在 8 月中旬达到最大值 11℃。但由于温度传递存在滞后性，每年 10 月下旬融化深度达到最大值，2 月上旬达到-4℃的最小值，路基整体处于负温状态，持续到 4 月路基表面开始融化。路基中心温度正温期大于负温期，说明暖季碎石路基吸收的热量大于冷季碎石路基吸收的热量。
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6 结论与展望
6.1 结论
本文对多年冻土区公路路基填土进行了常规土工试验，测定了土体的基本物理指标；通过不固结不排水三轴剪切试验，分析了土体在不同试验条件下，其应力-应变曲线、弹性模量、抗剪强度、内摩擦角与黏聚力在不同冻融循环次数下的变化规律；采用正交实验，基于直观分析和显著性分析方法，探究了影响土体抗剪强度的主次因素；通过室内冻结试验建立的预测模型与 COMSOL Multi-physics 建立的路基水热耦合模型相结合，并分析实测数据，准确预测了路基长期变形。
（1）在经历相同冻融循环次数作用时，裂隙随着土体含水率的增大，变得越来越明显，甚至贯穿土体。对应力-应变曲线变化规律的研究发现，当试样的围压和含水率相同时，冻融循环次数对填土内部的应力值影响较大。土体应力-应变曲线在冻融循环作用下不会改变反映形式，而抗剪强度和弹性常数大小会发生变化。对弹性常数来说，随着冻融循环次数的逐渐增加，土体弹性模量的变化趋势为先降低后增大，7
