高温冻土的细观破损机制与宏-细观本构模型

With the degrading of frozen regions and the extension of warm frozen regions under conditions of global climate change, it is very important for the engineering construction in these seasonal frozen zones to understand reasonably the mescoscopic deformation mechanism and formulate the macro-meso two scales constitutive model for warm frozen soils. In the present project, we will perform the study of the mesoscopic deformation mechanism of warm frozen soils by combining laboratory tests with meso-scale numerical simulation and theoretical analysis, and then establish a new elasto-plastic constitutive model for warm frozen soils. We will carry out CT triaxial compression tests on artificially frozen soil samples to analyze the influences of meso-structure evolution on the macroscopic stress-strain properties, perform meso-scale simulation to investigate the failure process of warm frozen soils under different temperatures and confining pressures, and deeply understand the deformation and failure mechanism of warm frozen soils by analyzing the results of tests and numerical simulations. A new hardening (softening) criterion taking into the mesoscopic parameters account and a new elasto-plastic constitutive model for warm frozen soils will be proposed on the basis of thermomechanics, homogenization method and soil plasticity. Finally the proposed model will be verified by test results in laboratory and a project case of cold regions.

随着全球气候变化下的冻土退化及高温冻土区的扩大，正确认识高温冻土的细观变形机理和建立宏观-细观两尺度的本构模型对于多年冻土区的工程建设至关重要。本项课题将采用物理试验、细观数值模拟与理论分析相结合的研究方法，在揭示高温冻土细观变形机理的基础上，建立一个考虑细观变形机理的高温冻土弹塑性本构模型。将对人工制备冻结土样进行CT扫描的三轴压缩试验，研究细观结构演化与高温冻土宏观力学响应的关系；同时基于细观数值模拟方法来研究不同温度和围压条件下高温冻土的细观破坏过程，并结合物理试验结果揭示高温冻土的细观破损机理；在此基础上运用热力学、均匀化理论以及土的弹塑性理论，提出考虑细观参数影响的高温冻土硬化（软化）准则和建立高温冻土的弹塑性本构模型；最后对提出的高温冻土的弹塑性本构模型进行试验验证和寒区路基工程数值分析。

正确认识高温冻土的变形机理是理解相变点附近冻土变形和破坏过程的关键。本项目采用室内试验、理论分析以及数值模拟相结合的研究方法，研究了高温冻土的细观变形机理，建立了考虑细观变形机理的高温冻土的宏-细观本构模型。在试验方面，开展了高温冻土的三轴压缩试验，分析了应力应变特性、强度特性以及破坏机理；改进了与CT配套的低温三轴加载设备，并进行了不同负温的三轴试验。在理论方面，建立了高温冻土的考虑细观变形机制的本构模型；建立了高温冻土的考虑细观变形机制的蠕变本构模型。在数值分析方面，建立了非饱和冻土的水热力耦合方程，进行了冻结过程中的水热力耦合数值模拟，重点分析了相变区（高温冻土）的多场耦合机理。研究发现，高温冻土更易出现应变软化，原因是高温冻土内的孔隙水压力较大使得作用在土骨架上的（有效）应力偏小，即导致加载过程中冰胶结的破坏形成的破碎冻土块体颗粒骨架的有效应力减小许多，试样出现剪胀，因此CT结果观测的CT数大幅减少，这也从细观角度解释了高温冻土的变形机理。考虑高温冻土的这一变形机理，把高温冻土看作土骨架、冰颗粒以及未冻水的多孔介质材料，引入压力引起的未冻水含量变化关系，建立了高温冻土的多孔介质本构方程，可以预测高温冻土的应力应变特性以及加载过程中的冰压力以及水压力变化。把冻土当作胶结元和摩擦元组成的二元介质材料，考虑冰与土骨架之间的相互作用，基于热力学及均匀化方法，建立了宏-细观尺度的高温冻土的黏塑性本构模型，可以反映高温冻土的加载率效应。提出了非饱和冻土的水热力耦合方程，并进行了非饱和土在冻结过程中的水热力耦合数值分析，分析了相变区的水分场、压力场、变形场以及蒸汽含量的变化规律。该项目的研究内容为揭示高温冻土的变形机理及本构模型的数学描述提供了理论基础，可为高温冻土区以及受冻融影响的寒区工程的设计施工提供理论支撑。