冻土冲击动态实验与数值模拟研究

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冻土是由固体颗粒、冰晶体、液态水和气态包裹体(主要是水汽和空气)构成的复合介质,与普通融土的本质区别是冰晶体的存在。近些年来,由于我国经济的发展,一系列重大项目将在冻土区域开展,构筑物将不可避免的会受到冲击等强动加载。所以研究冻土的冲击动态力学性能是非常有必要的。本文采用直径为Φ30mm分离式霍普金森压杆(SHPB)对三种不同温度的冻土试样分别进行单轴与被动围压两种加载方式下的三种不同应变率下的冲击实验,温度范围为-3℃~-28℃,应变率范围为500s-1~1500s-1。单轴冲击加载下,冻土表现出了明显的应变率效应和温度效应,随着应变率的增大,冻土应力—应变曲线的峰值应力和最终应变都会增大;随着温度的降低,冻土应力—应变曲线的峰值应力会增大,而最终应变将会出现汇聚现象。基于HJC模型,利用LS-DYNA软件对冻土的单轴SHPB实验进行了三维数值模拟,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,并再现了冻土的破坏过程,还可以很好的反映应力波在杆件及试样中的传播过程。被动围压冲击加载下,与单轴冲击加载相对比,除了明显的应变率效应和温度效应,还具有明显的围压效应,应力—应变曲线中的峰值应力明显高于同条件下的单轴冲击加载下的峰值应力,另外,被动围压下的冻土表现出了弹塑性特征,应力—应变曲线有一个先下降后上升的过程。基于HJC模型,模拟了冻土被动围压下的冲击加载实验,与实验结果拟合较好。另外,分析了不同材料及尺寸的套筒对峰值应力的影响,研究表明,峰值应力随着套筒与试样弹性模量比、厚度半径比的增大而增大。最后通过在试样径向直接施加恒定压力的方法模拟主动围压的作用,模拟结果显示,冻土的峰值应力随着主动围压值的增大而增大,比吸收能量值随着围压的增大而减小。
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