冻土在冲击加载下的动态本构关系及其破坏机理

传统的冻土动态力学行为研究大多集中在低频或小幅值的振动加载方面，尽管对冻土的冲击加载方面有了一定研究，但对于高应变率下的冲击动态本构关系及其破坏机理的认识仍相当匮乏。本项目拟以青藏高原原状冻土为主要研究对象，对冻土的冲击动态本构关系进行系统研究。首先，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，利用均匀化方法得到具有细观量的冻土多尺度动本构模型以及相关的场控制方程；然后，通过冲击动态实验，得到冻土在较宽应变率范围内的应力应变曲线和破坏性态，建立物理参数较少、便于工程应用的冻土动本构模型；最后，采用高效的有限元和无网格数值计算方法，揭示冻土在冲击加载下的动态力学行为及其破坏机理，确定对系统力学行为起主导作用的关键因素。该研究成果可对寒区土木、交通、水利以及国防建设等工程中冻土构筑物的设计、稳定和安全评估提供理论基础，具有广阔的工程应用前景。

在广大寒区及季节性冻土地区，冻土构筑物在其工作过程中，除了承受正常的设计荷载外，往往还要承受诸如冲击、爆炸和撞击等强动荷载。因此，冻土的动态力学行为研究成为一个亟待解决的问题。传统的冻土动态力学行为研究大多集中在低频或小幅值的振动加载方面，尽管对冻土的冲击加载方面有了一定研究，但对于高应变率下的冲击动态本构关系及其破坏机理的认识仍相当匮乏。.本项目针对已有研究的不足，对冻土的冲击动态本构关系及其破坏机理进行了系统研究。.实验研究方面，利用动静三轴实验系统、霍普金森实验装置等研究典型冻土的动力学行为，得到较宽应变率范围内的宏观应力-应变曲线以及破坏性态，系统研究了不同含水量、不同温度、不同颗粒配比和不同应变率条件下的霍普金森压杆冻土冲击动态实验。实验结果发现，冻土试样在较高应变率实验中表现出明显的脆性，不同含水量对冻土的冲击动态力学性能也有显著影响。.理论研究方面，研究了冻土冲击动态裂纹损伤的萌生、演化和发展等过程。在冲击动态载荷作用下，由描述裂纹损伤的演化和发展形式表示冻土的损伤量，进而得到考虑温度损伤且含裂纹损伤和演化发展的冻土冲击动态本构方程。所研究的本构方程能够很好的描述冻土冲击加载实验的实验结果，能够表达冻土冲击加载下的温度损伤和裂纹损伤的发展过程。.根据冻土本身的物理、力学特性，对冲击动态加载下冻土的温度损伤进行了研究。确定了有效含冰量的计算方程，建立了等效模量的函数变化关系式，获得了冲击动态加载下冻土的等效弹性模量和应变演化规律。.数值模拟研究方面，运用LS-DYNA软件完成了冻土SHPB实验的三维数值模拟，对比了数值模拟结果重构的应力应变曲线与实验结果的相似性。数值模拟结果可体现实验中冻土的温度效应、应变率效应，再现冻土的破坏过程，还可以很好地反映应力波在入射杆、透射杆和冻土试样中的传播过程。.冻土在高应变率下的本构关系及其破坏机理是寒区土工建筑抗震分析的理论基础，也是冻土动力学研究的核心问题之一，对研究爆炸冲击、高速撞击、动态损伤与断裂等问题都有着极其重要的影响。该研究及其成果可对寒区土木、交通、国防建设等工程中冻土构筑物的设计、稳定和安全评估提供理论基础，为冻土工程应用提供了很好的理论依据和技术支撑。