冻结砂土的热力耦合弹塑性本构模型研究

Frozen soils in cold-region geotechnical engineering and the urban underground freezing method are always under the coupled effect of temperature and stress. In order to analyze the deformation and stability of these engineering, it is important to establish a thermo-mechanical coupling constitutive model for frozen soils. In this project, frozen sand is taken as the study object. The isotropic, confined and triaxial compression tests are carried out using the self-developed lateral compression apparatus and triaxial apparatus. The yielding function considering expansion and rotation of yielding surface, and strength criterion under the thermo-mechanical coupling effect are then derived according to experimental results. Furtherly, a thermo-mechanical coupling elastoplastic constitutive model for frozen sand is proposed under the framework of an elastoplastic constitutive theory. Finally, the proposed model is numerically embedded in a commercial finite element software. The research results of this project are expected to improve the theoretical study of frozen soil mechanics and have important guiding significance for the engineering activities with frozen soil involved.

在寒区岩土工程和城市地下工程冻结法施工中，冻土层时刻受到温度和应力的耦合作用。建立热力耦合冻土本构模型对分析上述工程的变形和稳定性至关重要。本项目拟以冻结砂土为研究对象，基于自主研发的冻土侧限压缩仪和高级冻土三轴仪，在恒温变载、恒载变温和温载交变三种路径下进行等向压缩、侧限压缩和三轴剪切试验；分析获得热力耦合作用下冻结砂土的变形和破坏规律，提出能够描述屈服面扩张和旋转的屈服函数以及强度准则；将屈服函数和强度准则引入弹塑性本构理论，建立冻结砂土的热力耦合弹塑性本构模型；编制用户材料子程序，将模型嵌入商用有限元软件。研究成果有望完善冻土力学理论，对冻土工程建设具有指导意义。

在寒区岩土工程和城市地下工程冻结法施工中，冻土层时刻受到温度和应力的耦合作用，建立热力耦合冻土本构模型对分析上述工程的变形和稳定性至关重要。本项目围绕基于低温吸力理论建立热力耦合冻土弹塑性本构模型这一核心目标，开展了室内试验、理论建模和数值编程等方面的研究。1）基于低温核磁共振技术，测定了不同塑性冻土的冻结特征曲线，发现冻土的冻结特征曲线与非饱和土的土水特征曲线高度相似，验证了低温吸力理论的正确性。借鉴固相应力的概念，建立了包含低温吸力的冻土有效应力计算公式；2）基于自主研发的温控侧限压缩仪，对冻结砂土、粉质黏土和黏土开展了不同温度下的侧限压缩试验，发现各类型土的侧限压缩曲线均随温度降低而向上平移，即表观前期固结压力随温度降低而增大。通过低温吸力理论解释了上述试验规律，提出了表观前期固结压力-温度关系式；3）基于温控冻土三轴仪，对饱和冻结砂土开展了不同温度和围压下的三轴压缩试验，发现应力应变曲线的软化程度随温度降低而增强、随围压增大而减弱，且抗剪强度呈非线性变化。通过低温吸力理论解释了上述试验规律，并提出了新的冻土非线性强度公式；4）将冻土有效应力计算公式、表观前期固结压力-温度关系式和非线性强度公式引入统一硬化本构模型理论框架，构建了热力耦合屈服函数和硬化定律，提出了冻土的热力耦合弹塑性本构模型。将模型三维化并与数值分析软件ABAQUS结合后，使用该模型模拟了多种类型的室内力学试验，获得了良好的预测效果，验证了模型的有效性。以上研究成果完善了冻土力学理论，对冻土工程建设具有指导意义。