基于三维离散元的冻土区公路路基冻融循环损伤演化规律研究

一、引言

随着我国交通基础设施建设的不断推进，越来越多的公路工程在冻土地区展开。冻土区特殊的地质条件和气候环境，使得公路路基在冻融循环作用下极易发生病害，严重影响公路的使用寿命和行车安全 。冻融循环过程中，路基中的水分反复冻结与融化，导致土体体积膨胀与收缩，引发路基变形、开裂、翻浆等问题，增加了公路维护成本，制约了冻土地区的经济发展 。因此，深入研究冻土区公路路基冻融循环损伤演化规律，对于保障冻土区公路工程质量、降低维护成本具有重要的现实意义。

传统的研究方法，如现场监测和室内试验，虽然能够获取冻土区公路路基在冻融循环下的部分数据，但难以直观地揭示路基内部结构的损伤演化过程和力学机制 。三维离散元方法（3D Discrete Element Method，3D -DEM）通过将研究对象离散为大量的颗粒单元，能够模拟颗粒间的相互作用和运动，从细观尺度上研究材料的力学行为，为研究冻土区公路路基冻融循环损伤演化规律提供了新的视角和有效手段。

二、三维离散元方法概述

（一）基本原理

三维离散元方法基于牛顿第二定律，将连续体离散为相互作用的颗粒单元集合。每个颗粒单元被视为刚体，颗粒之间通过接触力相互作用 。在计算过程中，根据颗粒的受力情况和运动状态，运用牛顿运动方程更新颗粒的位置和速度，通过迭代计算模拟颗粒系统的动态演化过程 。通过设置颗粒的物理力学参数（如密度、弹性模量、泊松比等）和接触模型（如线性接触模型、黏结接触模型等），可以模拟不同材料和工况下的力学行为。

（二）模型构建

几何模型建立：根据冻土区公路路基的实际尺寸和结构，在三维离散元软件（如 PFC3D）中建立路基的几何模型 。将路基划分为不同的区域，如填土路基、地基等，并分别赋予相应的材料属性。

颗粒生成与参数设置：在几何模型的基础上，生成颗粒单元。通过调整颗粒的粒径分布、孔隙率等参数，使模型尽可能接近实际土体的物理特性 。同时，设置颗粒间的接触参数，如法向刚度、切向刚度、黏结强度等，以模拟土体的力学行为。对于冻土，还需考虑冰 - 土颗粒间的特殊作用，通过设置合适的接触模型和参数来反映冻土的特性 。

边界条件与荷载施加：根据实际工程情况，施加边界条件和荷载。例如，固定路基底部边界，模拟地基对路基的约束作用；在路基表面施加车辆荷载或其他外部荷载，模拟实际受力工况 。同时，考虑冻融循环过程中的温度变化，通过设置温度边界条件来模拟土体的冻结和融化过程。

三、冻土区公路路基冻融循环影响因素分析

（一）冻融循环次数

随着冻融循环次数的增加，路基土体中的水分反复冻结与融化，导致土体结构逐渐破坏，颗粒间的黏结力下降 。多次冻融循环后，路基内部会产生大量的微裂缝，并逐渐扩展连通，形成宏观裂缝，降低路基的承载能力和稳定性。

（二）含水量

含水量对冻土区公路路基的冻融损伤影响显著。较高的含水量会使土体在冻结时产生更大的冻胀力，导致路基变形加剧；在融化阶段，过多的水分会使土体强度大幅降低，增加路基翻浆、沉陷等病害的发生概率 。

（三）温度变化

温度变化幅度和速率影响着冻土的冻结和融化过程。较大的温度变化幅度会导致土体内部产生较大的温度应力，加速土体结构的损伤；而快速的温度变化会使土体来不及均匀变形，引发局部应力集中，进一步加剧路

基的破坏 。

四、基于三维离散元的冻土区公路路基冻融循环损伤演化规律分析

（一）颗粒位移特征

在冻融循环初期，路基土体中的颗粒位移较小且分布较为均匀。随着冻融循环次数的增加，颗粒位移逐渐增大，尤其是在路基表面和薄弱部位，颗粒位移更为明显 。在冻结过程中，水分结冰膨胀，颗粒被挤压向外移动；融化时，土体强度降低，颗粒在重力和外部荷载作用下发生下沉和滑移。通过三维离散元模拟，可以直观地观察到颗粒位移的变化过程和分布规律，为分析路基变形提供依据。

（二）应力分布变化

冻融循环会引起路基内部应力分布的显著变化。在冻结阶段，土体体积膨胀，产生冻胀应力，导致路基内部应力增大，尤其是在路基与地基的接触面、不同土层的交界处等部位，易出现应力集中现象 。在融化阶段，土体强度下降，应力重新分布，部分区域的应力会迅速降低，而相邻区域可能会因应力调整产生新的应力集中 。通过三维离散元分析应力分布的变化，可以确定路基的薄弱部位，为路基设计和加固提供参考。

（三）损伤程度演化

基于三维离散元模拟结果，通过分析颗粒间的黏结破坏情况、裂缝的扩展程度等指标，可以量化评估路基的损伤程度 。随着冻融循环次数的增加，路基的损伤程度逐渐加剧，从最初的颗粒间微小黏结破坏，发展为大量裂缝贯穿，最终导致路基整体结构失稳 。同时，不同含水量和温度条件下，路基的损伤演化速率和程度也有所不同，含水量越高、温度变化越剧烈，路基的损伤程度越严重。

五、案例分析

在某冻土区公路工程中，运用三维离散元方法对路基进行冻融循环模拟分析。根据该地区的气候条件和路基设计参数，建立三维离散元模型，设置不同的冻融循环次数、含水量和温度变化条件进行模拟 。模拟结果显示，在经过 50 次冻融循环后，路基表面出现明显裂缝，内部应力集中区域增多，路基承载能力下降约 20% 。通过与现场监测数据对比，验证了三维离散元模拟结果的准确性，为该公路路基的维护和加固提供了科学依据。

六、结论

本论文基于三维离散元方法，对冻土区公路路基冻融循环损伤演化规律进行了系统研究。结果表明，冻融循环次数、含水量和温度变化是影响冻土区公路路基损伤演化的关键因素。通过三维离散元模拟，能够直观地揭示路基在冻融循环过程中颗粒位移、应力分布和损伤程度的变化规律，为冻土区公路路基的设计、施工和维护提供了理论支持和技术指导 。

然而，目前的研究仍存在一定局限性，如三维离散元模型中对冻土复杂物理化学过程的模拟还不够完善，模型参数的确定还需要进一步结合实际试验进行优化。未来，应进一步深入研究冻土的微观物理力学特性，改进三维离散元模型，提高模拟的准确性和可靠性，为冻土区公路工程建设提供更有力的保障。

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