凍土沖擊動態(tài)力學性能及其破壞機理研究.pdf

1、本文以等效夾雜理論和連續(xù)介質熱力學、沖擊動力學為基礎，分析了凍土沖擊動態(tài)力學性能和沖擊動態(tài)破壞機理。本文分析了有效含冰量和未凍水含量的變化規(guī)律，分析了溫度損傷的作用方式，分析了凍結時間、凍結方向和沖擊方向等凍結特征的影響。本文進行了相應的霍普金森壓桿實驗，并分析了實驗應力-應變曲線特征及匯聚現(xiàn)象的產(chǎn)生原因。
　　本文首先建立了簡單的凍土等效夾雜模型，借助等效夾雜理論分析了冰體顆粒膨脹在凍土中產(chǎn)生微小本征應變時凍土的能量變化情況。本

2、文根據(jù)凍結過程中的能量平衡關系，建立了充分凍結均勻凍土強度模型。本文分析了理想狀態(tài)下未凍水含量的動態(tài)變化規(guī)律。本文解析了考慮未凍水影響時有效含冰量的變化規(guī)律。
　　在沖擊動態(tài)加載過程中，由于瞬態(tài)溫升對凍土強度具有削弱作用，所以將瞬態(tài)溫升的影響和作用視為凍土沖擊動態(tài)加載過程中的溫度損傷。本文首先利用沖擊絕熱線沖擊動力學方程組計算沖擊狀態(tài)溫度隨體應變的變化關系，并且將計算結果簡化為契合凍土沖擊動態(tài)性能的形式。本文針對沖擊動態(tài)實驗中的瞬

3、態(tài)特性，假設凍土是多個同性層的組合，以瞬態(tài)沖擊面中有效含冰量的變化量化了溫度損傷的作用。在此基礎上，本文建立了未充分凍結均勻凍土沖擊動態(tài)本構關系。
　　同時，本文的研究結果表明均勻凍土并不能代表凍土的一般情況，均勻凍土和非均勻凍土具有截然不同的沖擊動態(tài)力學性能。本文通過分析非均勻凍土在凍結過程中的能量原理，分析了非均勻凍土的凍結鋒面發(fā)展過程、溫度場特性、凍結方向的影響和沖擊方向的影響。在此基礎上，本文考慮均勻凍土沖擊動態(tài)本構關系的

4、結果，同樣引入溫度損傷描述沖擊動態(tài)荷載的作用，建立了未充分凍結非均勻凍土的沖擊動態(tài)本構關系。
　　凍土霍普金森壓桿實驗是研究凍土沖擊動態(tài)力學性能的重要方法和手段。本文通過對凍土沖擊動態(tài)應力-應變曲線特征的研究，深入了解凍土對不同環(huán)境、實驗條件的力學響應。本文通過大量、系統(tǒng)的沖擊動態(tài)實驗，分析了凍土沖擊動態(tài)實驗應力應變曲線的特點。在實驗結果中，本文觀察到了應變率效應、凍結溫度效應和初始含水量的影響等典型凍土沖擊動態(tài)力學行為，也觀察到

5、了應變匯聚現(xiàn)象等特殊的力學性質。
　　應變匯聚現(xiàn)象是在凍土應力-應變曲線中觀察得到的特殊現(xiàn)象。本文驗證了凍土在霍普金森壓桿實驗中的應變匯聚現(xiàn)象，解釋了這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。應變匯聚現(xiàn)象的首要前提條件是相同的應變率，實驗加載條件決定了應變率的大小和應變匯聚現(xiàn)象的匯聚點位置，所以實驗加載條件是應變匯聚現(xiàn)象的重要影響因素。本文認為，應變匯聚現(xiàn)象是一種特殊的沖擊動力學實驗現(xiàn)象，是凍土固有性質和實驗手段共同作用的結果，反映了沖擊動態(tài)條件下凍土