人工冻土应力-应变曲线形态通常呈现软化型，传统的指数模型、双曲线模型不能描述软化型曲线，而复合幂-指数非线性模型(CPE模型)可以更好地反映人工冻土的单轴抗压强度的软化力学特性。以山东某矿区黏土为例，在-10℃、-15℃、-20℃3种温度下进行冻结黏土单轴压缩试验，得到其软化型应力-应变曲线，通过分析温度对曲线软化规律的影响，建立人工冻土CPE模型，并通过拟合的方法求得参数最优解，发现各模型参数与温度呈线性关系，根据温度对模型各个参数的影响规律，得到了考虑温度影响的应变软化型应力-应变曲线CPE模型。将建立的人工冻土CPE模型的计算结果与试验结果进行比较，结果表明：计算结果与试验结果吻合度较高，能准确地预测单轴压缩软化型应力-应变曲线的变化趋势。建立的人工冻土CPE模型参数较少，参数容易求解且具有明确物理意义，便于工程应用。

通过对泥浆制样法制备的冻结粉质砂土的单轴压缩试验,系统地研究了冻结砂土在一个宽泛应变率以及含水率范围内的单轴压缩破坏应变特性和线弹模量特性。结果表明:随着应变率的增加,当含水率为12.0%,破坏应变逐渐增大;当含水率在16.7%24.0%范围内时,破坏应变先增大后减小;当含水率大于等于30.6%时,破坏应变逐渐减小,3种情况下破坏应变最终都逐渐趋于稳定。破坏应变随含水率增加而先急剧增大到一个最大值,然后急剧减小,当含水率超过41.5%时,基本趋于冰的破坏应变。线弹模量先随着应变率的增大而非线性增大到一个最大值,然后应变率的继续增大使线弹模量逐渐减小,线弹模量与应变率的关系满足二次抛物函数规律。在温度为-2.0℃,应变率小于4.67×10-3 s-1的条件下,线弹模量随着含水率的增大而非线性增大,直至最后趋于冰的线弹模量;而在大于等于该应变率的条件下,随着含水率的增大,线弹模量先增大到一个最大值,然后减小趋于冰的线弹模量。当温度为-5.0℃时,类似的应变率临界值为1.00×10-2 s-1。

为了认识冻土旁压试验结果与常规试验结果之间的关系,在室内分别开展了冻结重塑黏土的旁压试验和单轴压缩试验,并对试验结果进行了对比分析。结果表明,在各级荷载作用下旁压曲线一般都呈现应变速率衰减的趋势,而单轴曲线在冻土破坏时会出现渐进流动阶段。旁压试验的应力-应变曲线呈现应变硬化型,而且出现初始拟弹性阶段;而单轴试验的应力-应变曲线则属于应变软化型,并在轴向应变大约为10%时达到剪应力峰值。温度相同时,旁压试验的剪切强度以及初始弹性模量都要大于单轴试验,且温度越低差值越大。

针对青藏铁路北麓河粉质黏土,利用电阻率-应力-应变试验设备,获取了不同温度单轴压缩条件下的电阻率-应力-应变全过程曲线,探讨了冻土导电性能及其机敏性。试验结果表明,在含水率w=17.8%、干密度ρd=1.71g/cm3、加载应变率为1mm/min试验条件下,初始电阻率ρ0、最大电阻率ρm、最大切线模量对应的电阻率ρtm随温度降低而同步增大;冻土在压缩过程中具有较强的压敏性,随着压应力增大,电阻率变化可分为电阻率减小区、平衡区和剧增区;冻土单轴最大切线模量与温度之间呈线性关系,最大切线模量对应的应力及应变σtm、εtm、峰值应力对应应变εm表现出温度敏感性,当T=-15℃时,σtm、εtm、εm值最小;当T>-15℃时,σtm、εtm、εm值随T降低而增大,冻土随温度降低延性增强脆性减弱;当T<-15℃时σtm、εtm、εm值随T降低而增大,冻土随温度降低,脆性增强,延性减弱。

为了研究青藏铁路路基在载荷下的力学行为,探索新型手段快速准确地估计冻土的单轴抗压强度参数,采用北麓河粉质黏土在室内进行了不同温度的冻土单轴压缩试验,并全过程监测土样电阻率的变化,得到了冻土的应力-应变-电阻率全过程曲线。试验结果表明,在干密度ρd=1.71g/cm3且含水率w=17.83%下,冻土的单轴抗压强度随温度降低而线性增加;初始电阻率ρ0随温度降低逐渐增大,从-20℃对温度的敏感性开始显著增强;冻土单轴抗压强度与初始电阻率之间满足半对数线性关系,相关性很好,因此测定初始电阻率可准确估算冻土的qu。从应力-应变-电阻率全过程曲线来看,冻土在单轴载荷作用下经历的压密、弹性变形、塑性屈服、破裂后各阶段对应电阻率变化趋势是快速减小至最小、稳定增加、剧烈增加,这种关联的变化关系也说明用电阻率法来研究冻土强度及载荷下的变形问题是可行的。

采用连续介质力学与热力学方法,建立了冻土单轴压缩损伤本构模型。以兰州冻结黄土为例,基于冻土单轴压缩动态CT试验,对冻土附加损伤的2个阶段,即塑性损伤和微裂纹扩展损伤分别采用硬化曲线法和动态CT识别方法进行了损伤计算,在此基础上给出了冻土附加损伤与弹性应变的对应关系,建立了基于试验的冻土损伤演化方程,并进行了有效应力的计算。

讨论了冻土试样的制作过程。采用计算机层析扫描技术(CT)对未饱水和饱水冻土试样单轴压缩过程进行了动态测试,给出了冻土单轴压缩各承载阶段内部微结构变化特征,基于CT测试对加载过程进行了分析,讨论了饱水冻土和未饱水冻土试样的破坏形式,并对空隙损伤阶段损伤进行了计算。

基于冻土单轴压缩的 CT动态测试 ,提出冻土单轴压缩下的损伤由完全不同的两个阶段组成 :其一是塑性硬化下的塑性损伤 ,其二是由于新产生的裂隙造成的微裂纹损伤 .对两种不同损伤阶段下冻土微结构变化特征进行了讨论 ,给出了各阶段损伤量计算公式 .采用该方法分别对饱水冻土试样和未饱水冻土试样的损伤量进行了计算 ,得到了塑性损伤和微裂纹损伤阶段的损伤量及总附加损伤量 .得出饱水冻土的塑性损伤和微裂纹损伤产生的应变条件门槛值分别为 0 .75 %和 5 .0 % ,未饱水冻土的分别为 0 .70 %和 4.5 % .

基于损伤和分形理论, 对单轴压缩条件下冻土的力学性质进行了研究。建立了损伤变量和分形维数随应力变化的数学经验表达式,并作出了其动态演化曲线。通过演化曲线可以看出,分形维数与损伤变量随应力的递增均呈非线性增加,但分维的变化较平缓;损伤变量在初期变化相对平缓,在后期变化速率明显加快。因此,该研究有助于进一步认识冻土的损伤破坏过程和力学性质。