冻土在动静组合循环冲击加载下的动态力学行为及其本构关系

In frozen soil engineering, especially in deep frozen soil, a structure would inevitably bear repeated impact loadings and is often subjected to static force loading (such as ground stress, self-weight stress, and structural stress) even before an impact. This leads to a typical problem that involves coupled dynamic and static cyclic impact loading. In this study, a systematic research was conducted to address this key mechanical problem in frozen soil engineering. First, through the experiments of cyclic impact loading on frozen soil with and without axial pre-stressing forces, we obtained the dynamic stress–strain curves and failure modes for a wide range of strain rate. These results revealed the coupled mechanisms and dynamic responses of multiple factors such as axial pressure, confining pressure, water content, and the particle ratio under coupled dynamic and static cyclic impact loading. Next, we established mesoscopic quantities to investigate the characteristic temperature, pore fluid, and interaction among particles. A homogenization method was applied to establish not only a multiscale dynamic constitutive model for frozen soil that involved only few physical parameters but also related field control equations. Finally, we used highly efficient finite elements and a meshless numerical calculation method to retrieve the dynamic mechanical behavior and destructive mechanism of frozen soil under impact loading. This study identified the key factors that determine the dynamic mechanical behavior of frozen soil. Our findings can provide theoretical basis and analysis methods for the design and safety assessment of frozen soil engineering.

对于冻土工程特别是深部冻土构筑物而言，不可避免会承受多次冲击加载作用，而在承受冲击加载之前往往已处于静应力加载（如地应力、自重应力、构造应力）状态，属于典型的动静组合循环冲击加载问题。本项目针对冻土工程中这一关键力学问题开展系统研究。首先，通过冻土无轴向预应力和有轴向预应力的循环冲击加载实验，得到较宽应变率范围内的动态应力应变曲线和破坏性态，揭示冻土动静组合循环冲击加载下轴压、围压、含水量、颗粒配比等多因素相互耦合的作用机制和动态响应；然后，建立表征温度、孔隙流体与颗粒以及颗粒间相互作用的细观量函数关系，利用均匀化方法得到物理参数较少的冻土多尺度动态本构模型以及相关的场控制方程；最后，采用高效的有限元和无网格数值计算方法，揭示冻土在循环冲击加载下的动态力学行为及其破坏机理，确定对动态力学行为起主导作用的关键因素。该项目成果可为冻土工程的设计及安全性评估提供理论基础和分析手段。

随着科技的发展，人类在冻土地带的活动越来越多。在寒区工程中，冻土作为地基材料，除了承受常规的静态和准静态荷载以外，冻土往往还要承受各种变化急剧的强动载荷以及循环荷载作用，例如爆炸、循环冲击以及撞击等等。因此，研究冻土的动态力学性质对寒区工程的建设具有重要意义。直至目前为止，关于冻土在冲击载荷作用下的动态力学行为的认识仍很不完善，对冻土的强度特性以及损伤机理没有系统且考虑微观演化机制的力学分析。本项目在已有研究的基础上，对冻土在冲击加载下的动态力学特性以及损伤机理进行了系统研究。在实验研究方面，采用变截面分离式霍普金森压杆（SHPB）研究了冻土在不同加载历史（包括单轴、循环冲击加载）下的动态力学特性，揭示了不同实验变量和加载历史与冻土变形特征之间的关系，具体包括初始含水量、恒级加载应变率、实验负温以及循环次数等特征条件对冻土动态力学性能的影响。实验结果表明，不同负温以及循环冲击次数对冻土的劣化性能具有显著影响，此外，初始含水量在一定程度上会影响冻土的体积模量以及剪切模量。在本构理论方面，分析了冻土在冲击加载下的温升影响以及失效机理。结合改进的Ottosen模型以及热激活理论，建立了冻土的率损伤本构方程。结果验证表明，改进的非线性模型可用于预测冻土典型力学指标的演化规律，能够表达冻土在冲击荷载作用下的损伤特性。数值研究方面，在Holmquist-Johnson-Cook (HJC)材料模型的基础上，通过添加铝套并施加恒定载荷，完成了冻土在被动围压和主动围压下的加载模拟。模拟结果表明：冻土在被动围压加载下的能量吸收效率明显高于主动围压下的能量吸收效率。冻土在循环冲击加载下的动态力学行为及其本构关系的研究对寒区工程应用具有重要意义，同时也对合理评估高速冲击作用下工程结构的安全性能有着极其重要的影响。该研究及其成果可对寒区工程中基础设施工程安全提供理论依据，同时可以为冻土工程中的设计施工提供新的研究思路。