被动围压下冻土的损伤型动态本构模型研究

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冻土是一种组成成分比较复杂的多相体材料,其强度及变形特征是冻土力学的重要研究内容。在寒冷地区开展基础设施建设,如修筑公路铁路、铺设输油管道、修筑房屋等都不可避免地会遇到冻土工程问题。在实际工程中,冻土除承受各类构筑物产生的静载荷之外,往往还要承受各种冲击载荷作用,如列车的行驶、矿山开挖、爆破等。本文采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验设备,对三种不同温度(-5℃、-12℃与-19℃)的冻土分别进行了3001500 s-1区间内四个加载应变率的冲击试验,分别得到了单轴状态与被动围压状态下冻土的的应力-应变曲线,对比分析了不同受力状态与加载条件下冻土的破坏形态及力学特性差异。试验结果表明,两种受力状态下,随着应变率的增加或温度的降低,冻土的峰值应力随之升高,且冻土的峰值应力与试验温度均表现出一定的线性关系。在被动围压状态下,冻土呈现出应力强化特性,由于围压的存在,冻土的承载能力有一定程度的提高。不同于单轴状态下的脆性破坏,被动围压下冻土的破坏表现为黏塑性破坏。冲击载荷下,冻土的变形伴随着不同形式的内部缺陷和微损伤的演化,为了更准确地描述冻土在冲击加载下的应力状态和动态力学特性,采用损伤前后冻土弹性模量的改变量表征冻土变形中的损伤因子。在应变等效假设的基础上,将冻土的损伤演化看作类似于粘塑性变形的率相关过程,引入依赖于应变和应变率的损伤演化规律,建立了基于率相关损伤演化的冻土本构模型,参数优化后将获得的模型理论计算结果与试验结果进行对比。得出建立的率相关损伤演化模型能很好地描述与预测单轴状态下冻土的动态力学性质。将冻土看作颗粒增强复合材料,以冻土中的土相为基体,将冰相看作颗粒增强相,考虑冲击加载时冻土中冰颗粒的脱粘损伤,基于Mori-Tanaka均匀化理论,建立了冻土在被动围压状态下的动态本构模型。由建立的本构模型计算得到的冻土应力-应变曲线与试验所测曲线进行了对比,理论曲线和试验曲线有很好的一致性,且能较好地描述围压状态下冻土受冲击加载时冰颗粒的脱粘过程,同时能反映冻土的应变率效应和温度效应,验证了所构建的模型具有很好的合理性与适用性。
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