全应力空间中耦合温度效应的冻土强度准则研究

Considering the complex load conditions of frozen soil in practical engineering, it is important to predict the strength properties of frozen soil under complex stress conditions. Establishing strength criterion in full stress space of frozen soil is a new trend of research on frozen soil strength. Using the hollow cylinder apparatus (HCA) developed by state key laboratory frozen soil engineering and GCTS of American, this project will carry out a series of strength tests of frozen soil with different load angles after solving the specimen preparation and realization of complex stress path of HCA for frozen soil. Using the test results, the strength traces of frozen soil within different meridian plane can be decided, and then the strength envelop in full stress space of frozen soil can be gained. Then, strength tests of frozen soil with different load angles under different temperatures will be carried out to decide the evolution rule of strength envelop of frozen soil with temperature. With the quantitative relation between strength index and temperature, a strength criterion of frozen soil in full stress space with consideration of temperature effect will be established. The implement of this project will provide a new test method for research on complex mechanical properties of frozen soil, and present strength property of frozen soil in full stress space by laboratory test, and finally serve the frozen soil engineering design and construction.

针对实际工程中冻土体复杂受荷特征，准确预测复杂应力状态下的冻土强度特征是冻土力学研究的重要课题，建立全应力空间的冻土强度准则是目前冻土强度研究的趋势。本项目利用冻土工程国家重点实验室与美国GCTS公司联合研发的世界首台冻土空心圆柱仪，在解决冻土空心圆柱试样制备及复杂应力路径实现的基础上，首次开展冻土在不同应力Lode角下的强度试验，确定不同子午面上冻土的强度轨迹，进而得到全应力空间中冻土的强度包络面；通过不同温度和不同应力Lode角下的强度试验，确定全应力空间冻土强度包络面随着温度的演化规律，给出温度与强度指标间的定量关系式，进而建立全应力空间耦合温度效应的冻土强度准则。本项目的顺利实施将为冻土复杂的力学行为研究提供新的试验方法，并首次从试验上给出全应力空间中冻土的强度特征，服务于冻土工程的设计和施工。

准确预测复杂应力条件下的冻土强度是冻土力学研究的重要课题，也是寒区工程进行合理设计和施工的重要保障。受仪器设备限制，现有冻土强度研究主要以单轴、三轴试验为主，所能获取的强度信息有限，无法基于试验建立全应力空间中的冻土强度准则。.为此，基于全球首台冻土空心圆柱仪，首先解决了冻土空心圆柱试样制备方法及复杂应力路径的实现问题，建立了全新的冻土空心圆柱仪力学试验平台体系。在此基础上，以冻结青藏粘土为研究对象，开展了三种温度条件（﹣6°C、﹣10°C以及﹣15°C）下四个平均主应力p（1、3、4.5以及10 MPa）五种应力Lode角（﹣30°、﹣16.1°、0°、16.1°以及30°）的定向剪切试验。试验结果表明，在子午面上，冻土的强度随平均主应力增加先增加后减小，为此提出了一个椭圆形破坏函数来描述这一非线性特征，反映压碎压融现象对冻土强度的影响。在偏平面上，试验结果表明随着平均主应力的增加，破坏曲线逐渐从外凸光滑三角形逐渐演变为圆，结合岩土类常用强度准则，提出利用SMP准则和Mises准则的结合来描述冻土在偏平面上强度包络线的演化规律。同时，不同温度条件下的剪切试验结果表明，子午面和偏平面下的强度包络线均随着温度的降低等向扩张，即形状不变而尺寸增大，由此引入温度影响因子，进而构建了全应力空间中耦合温度影响的冻土强度准则。.本项目的顺利实施，建立了全新的冻土空心圆柱仪试验平台体系，突破了现有冻土力学试验研究的技术瓶颈，丰富和完善了冻土力学试验研究方法和手段。并基于该试验平台体系，针对复杂应力状态下冻土强度这一科学问题，首次获得了应力Lode角在-30°~30°角域范围内的冻土强度信息，并结合温度的影响，构建了全应力空间中耦合温度效应的冻土强度准则。