（工程力学专业论文）冻土动态力学性能的实验研究.pdf

摘要 冻土是一种分布广泛的国土资源，我国的多年冻土面积占国土总面积的 2 2 _ 3 ，居世界第三位。西部地区地下矿产资源的开采及各类工程建设的需 求，越来越需要我们对冻土的动态力学性能有所了解。而了解冻土动态力学性 能最基本的实验手段是s p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a r ( s h p b l 。 本文首先根据冻土实验对温度条件的要求，自行研制设计了一种新型的高 效制冷盒。研制成功的制冷盒具有控制精度高，制冷效率高，能真实反映出试 样的实时温度。然后利用岛津材料试验机，对四种温度下的冻土各进行了两组 应变率的静态压缩。最后利用分离式霍布金森压杆( s h p b ) 对四种低温下的冻 土各进行了四种高应变率的动态压缩实验。实验结果表明：动土动、静态力学 性能相差较大，冻土不仅具有温度效应，还具有应变率效应，两种效应反映出 冻土材料的时温等效性。另外这种时温等效性在分析冻土材料的破坏过程时还 体现在它的冻脆性和动脆性，冻土材料动态应力应变曲线的汇聚现象和振荡现 象均起源于这种冻脆性和动脆性。综合实验现象分析认为，冻土的动态破坏过 程以内部冰晶体的破坏为主体，破坏形式为裂纹在冰晶体内的生成与传播。冰 晶体的破坏使得冻土原始结构势被损坏，因此实验衄线表现出明显的汇聚性。 裂纹在冰晶体内的生成传播止裂，导致了益线的震荡特性。 关键词：冻土制冷盒动态力学性能s h p b 应变率效应温度效应时温等效性 裂纹 a b s t r a c t f r o z e ns o i li sn o r m a li no u rd a i l yl i f o ，i ti sa b u n d a n ta l lo v e rt h ew o r l d e v e rf r o s tt a k e sa b o u t2 2 3 o fo u rc o u n t r y r a n k e dn u m b e rt h r e ei nt h ew o r l d w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew e s tr e g i o n s w em u s tk n o wm o r ea b o u tt h e d y n a m i c sm e c h a n i cb e h a v i o r so ff r o z e ns o i lf o rt h em i n e r a l se x p l o i t a t i o n u n d e ri ta n dc o n s t r u c t i o n so v e ri tt h eb e s tw a yt ok n o wd y n a m i cb e h a v i o ri n d e t a i li st h es p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a r f i rs _ 吣，a c c o r d i n gt ot h et e s t i n ge n v i r o n m e n t ，w ed e s i g n e da ne f f i c i e n t r e f r i g e r a n ts y s t e mt o n tt h ef r o z e ns o i lt e s t i n gi ns h p b b yu s i n gt h en e w f r o z e ns y s t e m t e m p e r a t u r ec a nb ec o n t r o l l e dt of l u c t u a t e sl o wt o - o 1 r o u n dt h et a r g e tt e m p e r a t u r e ，a n dt h er e s i s t a n c et e m p e r a t u r ew a sp l a c e d m u c hc l o s et ot h et e s t i n gs a m p l e ，s ot e s t i n gt e m p e r a t u r ec a ni n d i c a t e dt r u l y a n ds a m p l e si nt h ef r o z e nb o xc a nb ef r o z e nt o 一5 0 i n8m i n u t e s i ti sm u c h m o r ee f f i c i e n tt h a no t h e rf r o z e ns y s t e m s s e c o n d l y f r o z e ns o i ls a m p l e sw e r e i n v e s t i g a t ea ts t r a i nr a t e00 0 1 ( 1 s ) ，0o l ( 1 ，s ) i n4d i 仟e r e n tt e m p e r a t u r e sb y u s i n gd a o j i nm a t e r i a lt e s t i n gs y s t e mf i n a l l y ，f r o z e ns o i ls a m p l e sw e r e i n v e s t i g a t e da ts t r a i nr a t e su pt o1 4 5 0 ( 1 s ) a n dt e m p e r a t u r e sd o w nt o 一2 0 。 b yu s i n gt h es h p b t h er e s u l t ss h o w e dt h a tf r o z e ns o i le x h i b i t ss t r a i nr a t e e f f e c t ，t e m p e r a t u r ee f f e c t ，d y n a m i cb r i t t l ea n df r o z e nb r i t t l eb e h a v i o r t h e t e m p e r a t u r ea n ds t r a i nr a t ee f f e c t si n d i c a t e 坩st i m e - t e m p e r a t u r ee q u i v a l e n t p r o p e r t y a c c o r d i n gt or e s u l t s 。w ec o n c l u d et h a td y n a m i cd e s t r u c t i o n a lf o r m s o ff r o z e ns o i la r em a i n l ya r o s ef r o mf l a w si ni c e c o n v e r g e n c eo fs t r a i n - s t r e s s c u r v e sa r ei n d u c e db yi c ec o m m i n u t i o n ，a n do s c i l l a t i o no fc u r v e sa r ei n d u c e b yt h ef l a w s g r o w t h ，f l a w s s p r e a d i n ga n df l a w sa r r e s t k e y w o r d s ：f r o z e ns o i l ；r e f r i g e r a n ts y s t e m ；d y n a m i cm e c h a n i c a lb e h a v i o r s ； s h p b ；s t r a i nr a t ee f f e c t s ；t e m p e r a t u r ee f f e c t s ；t i m e - t e m p e r a t u r e e q u i v a l e n tp r o p e r t y ；f l a w 中国科学技术大学硕士学位陪文 第一章：绪论 1 1 研究背景 我国的多年冻土面积占国土总面积的2 2 3 ，居世界第三位，其中高海拔 多年冻土的面积为世界之最【1 】，季节冻土遍布大部国土。根据国家西部大开发政 策，甘、青、新、藏、宁等广大地区的季节冻土和多年冻土区域将逐步成为建设 重点。民用及军用设施建设、冻土区域的工程防护防震、冻土区域地下资源开挖 等诸多方面工程，越来越需要我们对冻土的动、静态的力学性能有所了解。也只 有对冻土的力学性能有了充分的了解后，我们才能对其进行工程的规划及计算机 的仿真模拟，从而进一步提高高寒区工程的耐久性，消减人力、财力、物力的巨 大浪费而发挥它应尽的责任。而了解冻土动态力学性能最基本的实验手段是分离 式h o p k i r t s o n 动态冲击压缩实验，通过它可以获得材料在各种高应变率下的应力 应变曲线。目前国际对冻土动态力学性能进行s h p b 冲击压缩实验研究的，也只 有美国s a n d i a 国家实验室对a l a s k a 区域多年沙质冻土进行过研究吲 3 】 国内暂未 有过对冻土进行该方面的研究报告。对实验制备的粘性冻土进行动态s h p b 冲击 压缩实验国内尚属首次。通过该实验，可以得到实验室制备粘性冻土的动态应力 应变曲线，据此可以了解冻土的动态力学性能，同时它也是冻土动态破坏机理的 宏观表现。 1 2 冻土定义及冻土分类 冻土是一种温度低于0 。c 且含有冰的土岩 1 。冻土中的冰可以以冰晶或冰层 形式存在，冰晶尺寸可小到微米甚至纳米级，冰层则可厚到米或百米级，从而构 成了冷生构造的多样性与复杂性。 冻土的分类方法较多，根据冻结持续时间可分为季节冻土与多年冻土：根 据所含盐类与有机物的不同可分为盐渍化冻土( 表1 1 ) 与冻结泥炭化土；根据 其变形特性可分为坚硬冻土、塑性冻土与松散冻土；根据冻土的融沉性( 表1 2 ) 与土的冻胀性( 表1 - 3 ) 又可分成若干亚类 4 1 。 中国科学技术大学硕士学位论文 表1 - 1 ：盐碱化冻土盐碱度的最小界限值4 土类粗粒土粉土 粉质粘土 粘土 盐碱度( ) 0 1o 1 50 2 00 2 5 表i - 2 ：多年冻土的融沉性分类 平均融沉系数 融沉融沉类 土的名称 总含水量0 9 ( ) 冻土类型 d o 等级 别 碎( 卵) 石，砾、粗、 1 0 瓦1 i不融沉少冰冻土 中砂f 粒径小于 00 7 4 m m 的颗粒 含量不大于国1 0 1 氏3 i i弱融沉多冰冻土 1 5 1 珊 1 2 民1 i不融沉少冰冻土 碎( 卵) 石，砾、粗、 1 2 国 1 5 1 8 0 3 i i弱融沉多冰冻土 中砂( 粒径小于 0 0 7 4 m m 的颗粒 含量大于1 5 ) 1 5 兰国 2 5 3 瓯1 0 融沉富冰冻土 2 5 1 0 氏2 5 强融沉饱冰冻土 珊 1 4 瓯s 1 i不融沉少冰冻土 1 4 国 1 8 1 民3 弱融沉多冰冻土 粉、细砂 1 8 2 8 3 瓯】0 融沉富冰冻土 2 8 1 0 民蔓2 5 强融沉饱冰冻土 m 1 7 成1 i不融沉少冰冻土 1 7 功 2 l 1 8 0s 3 i i弱融沉多冰冻土 粉土 2 l 脚 3 2 3 8 0 1 0 i i i融沉 富冰冻土 3 2 1 0 民2 5 强融沉饱冰冻土 粘性土d 吼 玩s 1 i不融沉少冰冻土 p p + 4 1 民3 i i弱融沉 多冰冻土 - 2 中国科学技术大学硕士学位论文 p + 4 甜 ，+ 1 5 3 6 0 1 0 融沉富冰冻土 0 9 ，+ 1 5 脚 1 o r 1 l 不冻胀 碎( 卵) 石，砾、粗、 国1 2 中砂f 粒径小于 1 0 o 0 7 4 m m 的颗粒 1 1 0 含量大于1 5 1 ， 1 2 1 8 0 5 6 1 o r 1 i 不冻胀 s 1 4 l _ 0 l 打3 5 弱冻胀 1 4 1 o 1 0 粉砂3 5 1 0 1 9 1 2 v 特强冻胀 中国科学技术大学硕士学位论文 15 r 1 i不冻胀 国s 1 9 1 5 1 1 5 1 9 国2 2 1 5 3 5 1 5 2 2 3 0不考虑 2 0 r 1 i不冻胀 c o 0 9 口+ 2 2 0 1 2 0 0 2 , p + 2 珊国p + 5 2 0 3 5 2 0 粘性土 0 9 p + 5 。+ 1 5 不考虑 注：p _ 一塑限含水量( ) ；冻前天然含水量在冻层内的平均值； 盐碱化冻土不在表列 塑性指数大于2 2 时，冻胀性降低一级 粒径小于0 0 0 5 m m 的颗粒含量大于6 0 时为不冻胀土 碎石类土当填充物大于全部质量的4 0 时其冻胀性按填充物图的类别判定。 多年冻土的分布面积约占全球陆地面积的2 3 ，主要分布在俄罗斯、加拿 大、中国和美国的阿拉斯加等地，其中我国的多年冻土分布面积约占世界多年冻 土分布面积的1 0 ，占我国国土面积的2 1 5 ，是世界第三大冻土大国，同时 我国的多年冻土主要分布在中、低纬度的、号称世界第三极的青藏高原上。季节 冻土则遍布纬度高于2 4 0 的地区，我国季节冻土分布面积占国土面积的5 3 5 吐 中国科学技术大学硕士学位论文 图1 - 1 ：中国冻土分布图1 1 3 冻土的主要研究方向 冻土学定义为以冻结土岩作为研究对象的学科，1 9 2 7 年俄罗斯学者 m h c m y r n n 发表了苏联境内的永久冻土书，标志着冻土学作为一门独立 的学科已经问世。冻土学科的研究是一个融合多个学科的交叉研究领域，从最初 的单纯研究冻土的区域分布、结构组成、宏观力学研究，到后来的细观结构、热 迁移、水盐运输等，研究内容涉及到地理、物理、化学、熟学、生物等诸多学科。 目前已经形成了一个庞大的学科体系( 图1 2 ) 。 中国科学技术太学硕士学位论文 图1 2 ：冻土学科的学科体系 普通冻土学主要通过现场调查的手段研究冻土成因、成分、性质、组构、分 布及其与发生在冻土中的地质作用、地球化学作用和生物作用的关系；工程冻土 学主要通过工程实践的手段研究天然和人为条件下，冻土与建筑物之间的相互 热、力作用以及冻土区建筑物的设计和施工方法；实验冻土学是用现场和室内测 试和模拟试验手段，研究天然和人为条件下，冻土中的物理、物理化学和力学过 程、现象和性质；冻土力学主要研究冻土的强度和变形特性及其在工程实践中的 应用；冻土物理学是以冻土( 处于正冻、已冻和正融状态) 为对象，研究在外界条 件影响下，其内部能量和物质的输运规律；农业生物冻土学主要研究土壤的冻结 作用与作物生理的相互关系；实用冻土学建立在上述分支学科的基础上，侧重冻 土水热改良、天然和人工冷源利用及冻土利用技术研究 ”。综观冻土学的各分支 学科，我们可以看到各分支间的交叉性及相对独立性。 1 4 研究冻土动态力学性质的主要试验方法 从崔托维奇的第一部“冻土力学”问世以来，冻土力学的研究走过了一条 漫长崎岖的发展道路【5 j 。目前对冻土的研究主要集中在对冻土静态力学性能方面 的研究，冻土动态力学是冻土力学的重要分支，其研究起步较晚，国外是在2 0 世纪7 0 年代中期，我国是近几年才开始的吼用于冻土土动力学参数测试的主 要方法有动- - ( 单) 轴试验法、共振柱法及波速法。 中国科学技术大学硕士学位论文 1 4 1 动三( 单) 轴试验法 动- - ( 单) 轴试验法适用于大应变( 0 0 l 1 0 ) 、低频率( 零点几赫兹到十几 赫兹) 范围测试，可以模拟地震动荷载作用，是目前使用最多的一种方法 6 】 7 j ( 9 1 。 围压吒= 0 时为动单轴试验。加载方式分为恒应力幅值动荷载( 即蠕变试验) 和恒 应变率等幅动应变振动试验( 即强度试验) 两种。恒应力幅值动荷载试验，是施加 正弦变化的轴向循环周期荷载，但应力幅值保持恒定，即 p m i n o( 1 - 1 ) p m a x = c o n s t a n t( 1 2 ) r = 导( t n 訇 m s ， 恒应变速率等幅动应变试验是控制应变幅的上、下界随时间以同一速率等 速增长，且应交幅保持不变。 1 4 2 共振柱法 共振柱法适用于小应变( 1 0 m 1 0 0 0 i n ) 、高频率( 几赫兹到几百赫兹) 范围测 试，是无损检浸f i t 6 1 。根据共振原理，在一个圆形试样一l 施加纵向激振力或扭转激 振力，并逐级改变驱动频率，测出试样的共振频率，再切断动力，测量出振动 衰减曲线 7 1 。然后根据这个振动频率以及试样的几何尺寸和端部限制条件，计算 出试样的动模量，根据衰减曲线计算出阻尼比，计算公式为： 脚l 2 n 料f n h g 。= d 刳2 式中f n 为共振频率。阻尼比通过自振法得到 移，之后，突然释放，试样就处于自由振动状态。 ：j h 垒h 2 m r i a 、 ( 1 - 4 ) ( 1 5 ) 即给试件施加一个初始角位 计算公式为： ( i - 6 ) 式中：a n 为第n 次的振幅；a w + 。为第n + m 次的振幅。 中国科学技术大学硕士学位论文 1 4 3 波速法 波速法也是无损检测0 1 ，模拟地震波在土体中的传播，利用声波仪测得纵波 及横波波速，从而求得冻土的动弹性模量及动剪切模量嘲。计算公式为： 3 p v s 2 ( v 0 w ) e d = 可专一( 1 - 7 ) g d = 棚 ( 卜8 ) 式中：v 1 、v 。为纵、横波速；p 为密度。 以上三种方法主要都是低频或小幅值的加载，应变幅值小，其中共振柱法 和波速法则均为无伤探测，可见加载波强度及应变幅值均十分微小。加载波型均 是循环的正弦波。高频大幅值的加载方式一般是采用冲击摆锤拉伸试验、s h p b 冲击压缩试验、气炮实验，其中以气炮实验的应变率值最大。该三类方法中又以 s h p b 冲击压缩实验设备最为方便使用最为广泛。本文实验则是采用动态s h p b 冲击压缩实验装置，其实验原理及实验方法见本文第二章。 1 5 冻土力学性能研究的主要结论 冻土自身结构的复杂性使得我们对冻土研究的多样性，按照实际工程需求考 察研究的影响因素也不尽相同。力学性能方而的研究主要考察因素有：含水量、 未冻水、围压、应变率、盐碱成分、加载方式等，通过动静态力学实验，不少研 究人员拟合得出了多种冻土的应力应变关系，为了剖析冻土的实际破坏过程，吴 紫旺、苗天德、刘增利等对冻土的静态压缩过程进行了c t 纪录，并做了大量的 分析。 1 5 1 冻土的动弹性模量e d 、动剪切模量g d 及动强度 影响冻土动弹性模量e d 和动剪切模量g d 的主要因素有土质、含水量、温度、 围压、频率、应变幅值和应力等。目前己得到普遍认可并通过3 种试验方法都得 到的结论是： 1 冻土的动弹性模量e d 与动剪切模量g d 的变化规律相似6 】【9 】。 中国科学技术大学硕士学位论文 2 土质不同，e d 不一样，冻土的e d 比末冻土的大两个量级或更多，粗颗粒 土的e d 大于细颗粒土的 6 。 3 动模量随温度降低而增大，随频率加快而变大，随应变幅值的增大而减 小 6 忆 动强度在恒应变速率等幅动应变三轴、单轴试验中定义为峰值动应力。沈 盘言f 1 2 【1 3 埘1 等做了大量的冻土动强度试验研究，得出的基本结论有： 1 比较动三轴、动单轴资料表明，冻土的三轴动强度大于单轴动强度” 。 2 频率对动强度的影响不明显 6 】 1 1 】 1 4 】。 3 三轴和单轴试验结果都表明，存在一临界应变速率，在此应变速率下， 动静实验的强度相等，破坏应变接近，频率对动强度基本无影响。当应 变速率大于该临界值时，动强度大于静强度，动破坏应变大于静破坏应 变，动强度随频率加大稍有减小，动力作用中的速率效应占主导；反之， 在应变速率小于该临界值时，动强度小于静强度，动破坏应变小于静破 坏应变，动强度随频率加大稍有增加，动力作用中的循环效应占主导 1 2 1 1 3 c 1 4 。 4 存在一临界围压，当围压小于临界围压时，动强度随围压的变大而变 大；当围压大于临界围压时，强度随围压增大而减小” 。这是因为围压 对动强度有两种作用，一方面，围压使冻土的孔隙率变小，微裂隙闭合， 导致土体进一步固结，冻土动强度增强，这是增强效应：另一方面，围压 使土的冻结温度下降，相对提高了土温，削弱了冻土的内部联结，冰的 局部压融和流塑性导致冰重分布和冰晶重新定向，减低了冰的粘聚力， 另外，未冻水迁移和重分布，其润滑作用减小矿粒间摩擦，有利于矿粒 位错和定向排列，这是减弱效应。当围压小于临界围压时，增强效应占 主体，动强度随围压的变大而变大；当围压大于临界围压时，减弱效应占 主体，强度随围压增大而减小。 5 提出了单轴动强度模型，盯d d = k o f + c 。 6 提出了动强度的破坏准则，即抛物线准则【1 3 】， 尚。一蔷也卜封。 m ， 中国科学技术大学硕士学位论文 目前，冻土动强度试验都是对粉土进行的，今后需要进一步对其它土类 进行强度试验研究。 1 5 2 冻土的应力应变关系 冻土的应力应变关系是表征冻土动力学特性的基本关系，也是分析土体动 力失稳过程一系列特性的重要基础。根据蠕变试验资料，f i s h ( 1 9 8 0 ) 及z h u y u a n l i n 等( 1 9 8 7 ) 提出了冻土的热力学本构关系【16 】；蔡中民等( 1 9 9 0 ) 提出了冻土的粘弹塑 性本构关系模型m ”1 。而根据等应变率压缩试验结果，v i a l o v 于1 9 6 2 年提出 了如下简单的幂函数形式应力一应变关系 1 6 ： 玎= a f 。( 1 1 0 ) 后来朱元林等在对冻结兰州中砂、兰州粉土及兰州粉质粘土在一2 ，一5 ， 一1 0 。c 及1 5 。c 暑n 各种应变率下所做的大量单轴压缩试验，发现由于冻土的流变 性，使它的应力应变关系十分复杂，既使在静荷载下，也不能用统一的本构关系 方程式如来描述o 。于是朱元林等根据土质、含水量、应变率及温度的不同给 出9 种应力应变方程( 公式1 1 1 ) 【1 6 】，通过后续的实验工作他们还发现一定土质 和含水量的冻土而言，其口一s 性状主要取决于应变率和负温，并分析大量实验 数据编制了几种典型冻土的单轴压缩本构关系类型图”1 。 冻土应力一应变性状 f v e p i 一 p v e p - i i e p i 一1 i e p i 一2 4 e p i e p i 一3 5 e p i 一4 6 e p 一1 5 7 fe p i i ，8 e p 9 ( 注：式中v e p 表示粘弹塑性状，e p 表示弹塑性状。) 中国科学技术大学硕士学位论文 图1 3 ：几种典型冻土的本构关系典型图 谢定义等综合含水量、结构排列特征、结构连接特征及各种扰动，引入了两 个结构性参数： r f l l = s s s o ( 1 - 1 1 ) m 2 = s o s ， ( 1 - 1 2 ) 式中，s o 为原状土的应变；s 。为饱和原状土的应变；s ，为扰动重塑土的应变。 综上冻土的应力应变关系，认为冻土自身的复杂性很难用一个统一的应力应 变关系来概括，究其原因主要是影响冻土力学性能的因素太多。排除冻土组成成 分( 盐碱、含水量、冻结时间) ，单独冻土的结构性因素对于冻土的研究已经是 一个复杂性问题了，从对冻土的调研及实验过程来看，我们认为在小应变范围内 对冻土进行本构关系研究时，可以将冻土视为一种连续介质来研究，本构关系的 研究具有前提研究条件，而对冻土进行大应变破坏本构关系的研究已不具有数理 意义，因为大应变的宏观破坏过程涉及到结构性因素，冻土内部结构已不能视为 连续介质。冻土进行动态s h p b 冲击压缩试验过程，已经属于一个剧烈的宏观破 中国科学技术大学硕士学位论文 坏过程，认为冻土试样已不属于连续介质，因此本文不对冻土动态应力应变关系 做本构关系的拟台。 1 5 3 微观机理研究 冻土内部微结构对不同外力作用方式反映十分灵敏，这是由于外力作用下 冻土结构元素间的应力变化，导致组成物的重新组合和定向，并引起相变及质变 交换过程改变。1 9 6 9 年以来，ej i 舒舍丽娜，m a 戈里什腾和c ，c 维亚洛夫等人 借助于高倍光学显微镜在实验上相继进行了蠕变过程微结构变化观测并得出结 论：蠕变的发生发展是受荷载作用下冻土发育微型隙，颗粒集合体的破坏以及其 它结构缺陷的增生所控制的 2 0 】。1 9 9 3 年苗天德等人用“复型电镜”法也得到了 同样的结论 2 “。1 9 9 5 年，吴紫旺，马巍等利用c t 对冻土蠕变过程观察分析得出： 蠕变过程中所进行的发育微裂隙、颗粒集合体的破坏以及其它结构缺陷的增生与 扩展制约着土的结构的强化与弱化作用，摔制着蠕变过程形态特征；破坏首先发 生在中心层位的中心单元，然后向外扩展最终导致整体结构的破坏【2 0 】。徐春华， 徐学燕等在对哈尔滨地下粉质冻土进行不等幅循环载荷下冻土残余应变变形及 c t 分析时，认为冻土的震融是在地震力的反复剪切作用下，冰晶基面从杂乱无章 到较强的定向排列、从微小裂纹到裂纹加宽加长，使得其产生塑性，积累了残余 变形。”。“。刘增利等采用冻土附加损伤的概念，给出了冻土在受载荷作用下产生 的微裂纹与c t 数之间的关系，冻土密度与c t 数以及冻土内部损伤量与c t 数间关系 模型1 。 从c t 扫描结果来看，冻土的变形过程主要涉及冰的破坏及裂纹的生成传播 过程。张长庆等在研究不同应力和作用时间对微结构影响中发现：高应力水平短 历时作用时，冻土呈现出脆弹性，微裂纹清晰可见，其尺寸可长达8 0 0 1 0 0 0 hm ，宽为2 0 6 0um ，而且裂纹具有分岔、转向及次裂纹萌生等现象；低应力 水平长历时作用，则显示粘塑性，微裂纹尺寸较小，一般不及1 01 tm ，属于早期 萌生孤立裂纹 2 4 】 2 5 】。马巍等对围压作用下的冻结砂的微结构进行观测分析，给 出了不同围压下的微结构特征：在围压作用下土颗粒产生位错，围压增大，颗粒 破坏程度明显增加，由于孔隙中胶结冰受挤压，导致矿物颗粒周围出现絮状褶皱， 甚至在低应变速率下产生明显微裂隙【2 6 【2 ”。刘增利等进行了冻土微结构变化的 中国科学技术大学硕士学位论文 动态过程研究，将冻土压缩的动态过程分为三个阶段：压密阶段，局部变形和破 坏阶段，各阶段的微结构是不同的口”。研究指出，冻土内首先在薄弱部位如冰 晶体内、冰与矿物颗粒接触点( 面) 等产生微裂隙和孔洞，随载荷增加，微裂隙继 续增多，并开始汇聚、扩展直至破坏。为了更进一步了解冻土中脆弱相冰的 破坏过程，研究者做了含5 1 0 中、细砂冰在单轴压缩蠕变情况下的细微结构， 以及冰的动态s h p b 冲击压缩过程 2 9 叫】。 1 6 本文主要研究内容 本文利用岛津材料试验机及分离式h o p k i n s o n 压杆，研究冻土材料动、静 态的力学性能，主要研究工作有如下几个方面： 一根据冻土动态s h p b 实验设备及冻土实验所需低温条件，设计适合冻 土动态s h p b 实验的制冷保温设备。 利用中国科学技术大学冲击动力学实验室自制的s h p b 实验设备及中 国科学技术大学工程学院岛津材料试验机，对实验制备的冻土试样分 别进行动态、静态不同温度的多组应变率试验。以考察冻土的动态力 学性能，以及其动态力学性能与静态力学性能差异。 - 根据实验结果及实验现象，分析冻土动态破坏机理及动态破坏过程。 中国科学拽术太学硕士学位论文 参考文献： 1 徐学祖，王家澄，张立新冻土物理学北京：科学出版社2 0 0 1 2 】m o oy l e e ，a r l of o s s u m ，l a u r e n c es c o s t i n ，d a v i db r o n o w s k i f r o z e ns o i l m a t e r i a lt e s t i n ga n dc o n s t i t u t i v em o d e l i n g i n ：s a n d i ar e p o r t , s a n d 2 0 0 2 0 5 2 4 3 m i c h a e l + m e a s u r i n gs t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t i e so f 丘o z e ns i l t y s o i l s i n ： s a n d i ar e p o r t ，s a n d 9 8 1 4 9 7 4 g b 一5 0 3 2 4 2 0 0 1 冻土工程地质勘查规范 5 】李宁，程国栋，徐学祖，朱元林冻土力学的研究进展与思考力学进 展2 0 0 1 ，1 ( 3 1 ) 【6 赵淑萍，朱元林，何平，杨成松冻土动力学研究的研究与进展冰川i 冻 土2 0 0 2 ，5 ( 2 4 ) 7 王峻，王兰民等不同地震荷载对黄土动模量和阻尼比的影响自然灾害学 报1 9 9 2 ，4 ( 1 ) 【8 马德翠，单红仙，周其健黄河三角洲粉质土的动模量和阻尼比试验研究工程 地质学报2 0 0 5 ，3 ( 1 3 ) 9 曹继东，陈正汉，王权民软粘土的共振柱试验研究四川建筑科学研 究2 0 0 4 ，4 ( 3 0 ) 1 0 李强，章新生，张亚芳，王苏用声波检测冻土物理力学性质的研究淮南矿业学 院学报1 9 9 6 2 ( 1 6 ) 1 1 】吴志坚，王兰民等地震载荷作用下冻土的动力学参数试验研究西北地震学 报2 0 0 3 ，3 ( 2 5 ) 1 2 沈忠言，张家懿振动荷载作用下饱水冻结粉土的单轴抗压强度冰川冻 土1 9 9 6 ，2 ( 1 8 ) 1 3 沈忠言，张家懿冻结粉土的动强度特性及其破坏准则冰川冻土1 9 9 7 ，2 ( 1 9 ) 1 4 】沈忠言冻结粉土动强度的荷载效应及长期极限动强度冰川冻土1 9 9 8 ，1 ( 2 0 ) 1 5 】沈忠言，张家懿围压对冻结粉土割1 3 j 特性的影响冰川冻土1 9 9 7 ，3 ( 1 9 ) 【1 6 朱元林，张家懿，彭万巍，沈忠言，苗丽娜冻土的单轴压缩本构关系冰川冻 土1 9 9 2 3 ( 1 4 ) 【1 7 】蔡中民，朱元林，张长庆砾土的粘弹塑性本构模型以及材料参数的确定 中国科学技术大学硕士学位论文 1 8 谢定义，齐吉琳，张振中考虑土结构性的本构关系土木工程学报2 0 0 0 ，4 ( 3 3 ) 1 9 】李栋伟，汪仁和，胡璞，张照太人工冻土粘弹性本构关系研究 氐温建筑技 术2 0 0 5 ，4 ：7 3 7 4 2 0 吴紫旺，马巍，蒲毅彬等冻土蠕变过程中结构的c t 分析c t 理论与应用研 究1 9 9 5 ，3 ( 4 ) 2 l 】徐春华，徐学燕，沈晓东不等幅循环载荷下冻土残余应变变形及c t 分析岩 土力学2 0 0 5 ，4 ( 2 6 ) 2 2 凌贤长，徐学燕等蒜结哈尔滨粉质粘土动三轴试验c t 检测研究岩土力学 与工程学报 2 3 】刘增利，李洪升冻土初始与附加细观损伤的c t 识别模型冰川冻 土2 0 0 2 ，5 ( 2 4 ) 2 4 】张长庆，魏雪霞，苗天德冻土蠕变过程的微结构损伤行为与变化特征冰川冻 土，1 9 9 5 ，1 7 ( 增刊) ：6 0 6 5 【2 5 m i a ot i a n d e ，w e ix u e x i a ，z h a n gc h a n g i n g c r e e po ff r o z e ns o i lb yd a m a g e m e c h a n i c s s c i e n c ei nc h i n a ( s e r i e sb ) 1 9 9 5 ，3 ( 2 5 ) 2 6 】马巍，吴紫汪围压作用下冻结构微结构的电解分析冰川冻土1 9 9 5 ，1 7 ( 2 ) 【2 7 马巍，马文婷冻结粘性土的变形分析冰川冻土2 0 0 0 ，1 ( 2 2 ) 【2 8 】刘增利，李洪升胨土单轴压缩动态试验研究岩土力学，2 0 0 2 ，2 3 ( 1 ) 2 9 d i l i e s c u ，e m s c h u l s o n b r i t t l ec o m p r e s s i v ef a i l u r eo fi c e ：m o n o t o n i cv e r s u s c y c l i cl o a d i n g 2 0 0 2 ，5 0 ：2 1 6 3 - 2 1 7 2 3 0 d a n i e li l i e s c u ，e r l a n dm s c h u l s o n t h eb r i t t l ec o m p r e s s i v ef a i l u r eo f f r e s h w a t e rc o l u m n a ri c el o a d e db i a x i a l l y a c t am a t e r i a l i a 2 0 0 4 ，5 31 】e f l a n dm s c h u l s o n b r i t t l ef a i l u r eo fi c e e n g i n e e r i n gf r a c t u r em e c h a n i c s 2 0 0 1 ，6 8 ：1 8 3 7 - 1 8 8 7 【3 2 w e n d yl a w s o n s t r a i n r a t ee f f e c t so nt h es t r e n g t ho fd e b r i s - l a d e ng l a c i e r i c e n e wz e a l a n dj o u r n a lo f g e o l o g y g e o p h y s i c s 2 0 0 3 ，4 6 ：3 2 3 - 3 3 0 3 3 m o s t a f as h a z l y , v i k a sp r a k a s h h i g h - s t r a i n - r a t ec o m p r e s s i o nt e s t i n go fi c e n a s a ，r m 2 0 0 6 2 1 3 9 6 6 【3 4 】m o s t a f as h a z l y , v i k a sp r a k a s h ，h i 【g h s t r a i n - r a t ec o m p r e s s i o nt e s t i n go fi c e 中国科学技术大学硕士学位论文 n a s a7 n d - 2 0 0 6 2 1 3 9 6 6 】6 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章s h p b 实验原理 2 1 研究材料动态力学性能的主要方法 材料的静态、准静态力学性能的研究，主要是采用类似m t s 类型的准静态 材料试验机，其应变率一般在1 0 4 1 0 1 s 。而对材料进行动态载荷下的力学响应 问题研究时，根据研究研究设备得不同，主要分为3 个应变率阶段： 一 中应变率( 1 0 - 1 - 1 0 1 s ) 实验。其装置有气压和机械式两种，o m w a n ，h o c k e r 等利用凸轮式塑性仪研究了最大真实应变率为2 4 0 s 。1 的一些金属材料的 力学性能 4 1 。夏源明等对国内外中应变率实验技术进行了广泛的调研， 并研制了液压驱动的中应变率材料实验机1 5 。 一高应变率( 1 0 21 0 4 s ) 实验。2 0 世纪3 0 年代，g i t a y l o r 提出了著名的 泰勒杆，用于测量压缩下材料的动态屈服强度【6 ；1 9 4 9 年，k o l s k v r 吲用 两根h o p k i n s o n 杆来测量冲击压缩状态下材料的动态力学性能，这就是 分离式h o p k i n s o n 杆，简称s h p b 。它具有以下几个优点【8 】：a ) 测量方 法简单适用，避开了直接测量材料的应力、应变的难题，它是通过测量 压杆上的弹性应变来反推材料的应力应变关系。b ) 通过这种加载装置， 所测得的应变率范围1 0 2 n 1 0 4 s 是一个非常令人们关注的范围。c ) 加载 波形容易控制，入射波形可以整形器及变截面子弹调整得到需要的加载 入射波，从而满足各种实验对波形和压力幅度的不同要求。 一超高应变率实验( 1 0 4 s ) 。其实验手段有很多，最主要的有一维应变 实验和压剪实验。 在研究材料的高应变率的力学响应的时候，s h p b 是一种广泛应用的冲击加 载装置。它的设计思想新颖，结构简单，操作方便，在国内外，s h p b 作为种 研究手段，已经得到了广泛的推广，仅国内就有近3 0 家左右的单位装备有该实 验设备。目前，用这种设备来研究的材料种类越来越多，例如金属材料，非金属 材料，泡沫材料，混泥土，生物材料等等。近两年，更有科研工作者将其应用 于高g 加速度传感器的测试标定及介质表面速度测试仪的标定中。 中国科学技术大学硕士学位论文 2 2s i - i p b 实验原理介绍 自k o s k y 提出用s h p b 测试材料在高应变率下的力学性能以来，先后推广 发展了动态双轴压缩试验，拉伸h o p k i n s o n 杆，拉伸扭转h o p k i n s o n 杆，双轴( 扭 一压) h o p k i n s o n 杆，和直接撞击h o p k i n s o n 杆等。目前，s h p b 及其改进型已经 成为测试材料高应变率( 1 0 2 1 0 4 s ) 下动态力学性能的重要手段，广泛用于 材料的高应变率试验，其示意装置如图2 1 所示，由入射杆、透射杆、吸收杆和 阻尼器组成。实验前，被测材料试样被紧密夹在入射杆与透射杆之间。当子弹( 又 称打击杆1 撞击入射杆时，因子弹与入射的高速撞击，会产生压缩应力波，沿输 入杆方向传播的应力波称为入射波i ，试件在该脉冲下将产生高速变形，与此同 时，有一个反射波e ，返回输入杆，另有一个透射波8 t 传入输出杆。本实验原理是 建立在两个基本假定的基础上：一个是一维假定( 又称平面假定) ，另一个是均匀假 定。根 据一维假定，可以直接利用一维应力波理论确定试件材料的应变率叠( f ) 、应变 s o ) 和应力一o ) ： 一q ) ( 2 1 ) 中国科学技术大学硕士学位论文 s ( f ) 2 等f e ( 2 2 ) 矿( f ) = 丢胁i 4 - c v r + g j ) 。) 根据均匀假定，有如f 关系成立： s ，o ) + s ，o ) = g t ( f ) ( 2 4 ) 代入式( 2 1 ) ( 2 3 ) ，可得到更为简单的形式： ( f ) 2 丁c o 或。( r ) 一2 c o 目( f ) _ ( f ) 】 ( 2 5 ) s ( f ) - 一等f ( 撇 (2_6)t 0 。 a o ) 2 丢e ( f ) ( 2 _ 7 ) 试验可以测量到的是、和，利用以上关系就可以计算出试件的应力应 变关系及应变率的大小。 传统s h p b 装置脉冲上升沿太短( 1 0 i s ) 。对于波速较高的普通金属材料， 应力均匀化假定还比较容易满足。对于橡胶等低阻抗的软材料，其波速很慢， 即使是很薄的试样也难以在试验时间内达到应力均匀( 对波阻抗高的材料，一 般认为应力波在试件来回反射三次以上达到应力均匀) 。对于陶瓷等脆性材料， 虽然波速很高，但破坏应变很小，往往试件中的应力没有足够的时间来达到均 匀，试件就已经局部破坏了。对于混凝土这样的脆性复合材料试件本身必须 达到一定的尺寸，试件内部的应力均匀性问题更为明显。 在这两个基本假定的基础上，我们可以得