基于均匀化理论的含盐冻土宏细观强度准则及本构模型研究

As an effective multiscale method, homogenization theory is widely applied to the composite material research field. The saturated frozen saline soil can be regarded as a kind of composite material composed of soil particles, ice, crystal salt as well as unfrozen water at the meso-scale. The research will study the macro properties of frozen saline soil from meso-mechanism by combining experimental method and theoretical analysis based on the homogenization theory. By conducting a series of triaxial tests, the strength and deformation characteristics of frozen saline soil will be analyzed, then the properties of soil particle crushing and pressure melting of ice will be given. The strength criterion and constitutive model of frozen saline soil will be established according to the meso-scale homogenization method, considering the effect of particle crushing and pressure melting. Thereafter the influence of salt content and ice content on the macro mechanical properties will be discussed. The established model will be adopted to predict the mechanical properties of frozen saline soil under various stress paths. Then the calculation results will be compared with experimental data to verify the applicability and rationality of the established model.

作为一种有效的多尺度计算方法，均匀化理论被广泛应用于复合材料研究领域中。在细观层次上，饱和含盐冻土可以视为由土颗粒基质和冰、结晶盐及未冻水组成的多相复合材料。本项目拟基于均匀化理论，采用宏细观结合、试验与理论相结合的方法，从复合材料细观力学机理出发，研究含盐冻土的宏观力学特性。通过对含盐冻土进行室内三轴剪切试验，分析其加载至破坏过程中的强度和变形特性，给出试验前后土颗粒破碎特性及高围压下冰压融机制。基于细观均匀化方法，建立考虑土颗粒破碎和冰压融机制的含盐冻土强度准则和本构模型，探讨含盐量、含冰量对含盐冻土宏观力学性质的影响。利用所建立的宏细观强度准则和本构模型预测不同应力路径下的含盐冻土力学特性，并与室内试验结果进行对比，验证所建立模型的适用性与合理性。

盐分的存在显著影响冻土物理力学性质，给寒冷地区工程建设带来了严重危害。在冻结作用下，盐渍土表现出较多新的特性，其强度会随含盐量、温度及应力水平的变化而变化。有必要研究高应力下含盐冻土的力学特性，揭示其宏观力学行为与细观组成的关系。本项目以含盐冻土为研究对象，在总结国内外相关研究现状的基础上，通过室内试验和理论建模等手段，考虑温度、围压和含盐量的影响，研究了其三轴试验过程中的变形、强度和土颗粒破碎的演化规律。通过假设含盐冻土破坏曲面在π平面上的形状特征，构建了复杂应力状态下的强度准则，给出了该强度准则在主应力空间的破坏曲面。基于广义塑性力学，给出了颗粒破碎影响下屈服面的演化机制，修正了颗粒破碎机制下的耗散势函数。通过引入非关联流动法则，并考虑颗粒破碎对塑性屈服面的影响，建立了含盐冻土本构模型。该模型不仅能很好地反映含盐冻土的颗粒破碎特性，而且能描述不同应力路径下的变形规律。同时，将含盐冻土视为由土颗粒、固体冰、结晶盐和未冻水组成的复合材料。基于均匀化理论，给出了应变集中张量的表达式，并建立了含盐冻土的宏细观本构模型。基于三相球模型和Mori-Tanaka方法，得到了等效夹杂体弹性参数的演化规律。所建立的宏细观本构模型能很好的描述冻土在低围压下的软化、剪胀现象以及高围压下的硬化现象，且能反映含盐量对变形特性的影响。