为研究应变率和含水率对冻土能量耗散的影响，通过■50 mm分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar）动力学试验，综合研究了不同冲击速度（4～10 m/s）、不同含水率条件（9%～18%）下冻结黏土的能量耗散特性。试验结果表明：（1）从耗散能的角度将冻土破坏吸能过程分为3个阶段：缓慢增长、快速增长和趋于稳定阶段；耗散能、反射能和透射能与入射能间呈一次函数正相关（R2>0.94）,且入射能、反射能、透射能和耗散能与平均应变率间也存在线性正相关关系（R2>0.87）;随含水率增加，能量反射系数、能量透射系数和能量耗散系数分别呈先递减后增加、先递增后减少和先递增后减少趋势。研究成果为冻土区爆破工程施工提供借鉴参考。

利用霍普金森压杆装置进行动态冲击试验,研究了冻土材料在温度为-10℃、-20℃和-30℃,应变率为250 s-1、450 s-1和600 s-1时的力学性能,分析了冻土材料在此条件下的应力-应变曲线。研究发现,冻土材料有显著的应变率效应和温度效应,冻土强度不但随应变率提高而提高,而且随温度降低而提高;同时冻土材料有屈服现象,在加载后仍有一定的承载能力。

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。

沿用已有的制样方法,在统一了制样过程中冰、水比例及冰颗粒尺寸的基础上,开展了高含冰(水)量粉质砂土的单轴抗压强度系统性测试.结果表明:高含冰(水)量冻土的单轴抗压强度随应变率的增加而非线性增大;随温度升高而减小,减小趋势与总含水量有关.随含水量的增加,强度先是非线性增大,然后逐渐趋于重塑冰的强度,这有别于早期类似研究的结果.同时,也对试样中加入冰颗粒以保证试样高含冰(水)量的制备方法合理性产生了质疑.

利用分离式Hopkinson压杆(SHPB),以铝质套筒作为围压装置,分别研究温度为-8、-12、-16℃在不同应变率下的人工冻结黏土围压状态变形特征和轴向动态应力-应变关系。研究结果表明:在围压状态下,冻土呈黏塑性破坏特征;当人工冻结黏土温度为-16℃、平均应变率分别为410、457、525、650、827 s-1时,其最大应力分别为10.76、12.18、14.27、20.24、23.34 MPa,最大应变分别为0.081 7、0.097 2、0.105 0、0.131 0和0.166 0,表现出较强应变率效应;-12℃和-16℃时在应变率为457 s-1下的最大应力分别为8.28 MPa和12.18 MPa;当应变率相同时,温度越低,最大应力越大,冻结黏土表现出较强的温度相关性。人工冻土的动力学特性为冻土开挖方法的研究提供依据。

研究冻土的动态力学性能对于地下工程人工冻结法施工等具有重要意义.本文应用分离式霍普金森压杆(SHPB),研究了冻土单轴动态加载下的力学性能,涉及-3、-8、-13、-17、-23和-28℃共6个负温的冻土,应变率范围350～1200s-1.获得了相应条件下的冻土应力应变关系.冻土的单轴动态应力应变曲线具有脆性特征.发现冻土具有温度和应变率效应,其强度随温度降低和应变率增大而增大,最终应变随应变率增大而增大.冻土温度越低,应变率敏感性越强;加载应变率越高,冻土的温度效应越显著.文中提出的粘弹性损伤型本构模型能够较好的描述6个温度冻土的应力应变关系.

冻土动态力学特性实验研究是冻土力学研究的重要内容之一.以重塑冻结黏土为例,利用分离式霍布金森压杆,得到了人工冻结黏土在冲击荷载作用下的破坏规律,研究了人工冻结黏土温度分别为-4℃,-8℃,-12℃和-16℃时,在不同应变率下单轴状态的变形特征和强度特征.研究结果表明,人工冻土在冲击荷载作用下呈脆性破坏特征,表现了较强的温度效应,但应变率效应不太明显.冻结黏土在冲击荷载作用下的动态力学特性研究为冻土开挖技术提供了理论支持.

采用分离式霍普金森压杆(SHPB),对于-17℃冻土进行了应变率约350、600、800、1 000和1 200 s-1的单轴冲击实验。获得了其相应应变率下的应力应变关系。发现其没有明显的屈服现象,具有显著的应变率效应,其峰值应力与最终应变均随加载应变率增大而增大,并且具有一定的线性关系。引入含损伤的Johnson-Cook模型,描述-17℃冻土的应力应变关系,发现在600～1 200 s-1的加载应变率范围内,该模型具有较好的适用性。

为研究冻土单轴加载下的冲击动态力学性质,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)在-28～-3℃不同负温下对人工冻土进行了应变率范围800～1500s-1的冲击实验。获得了人工冻土在不同温度与不同应变率下的应力应变关系,发现人工冻土具有显著的应变率效应和温度效应,即冻土动强度随应变率增大和温度的降低而增大。单轴高应变率加载下,冻土没有明显的屈服现象,加载后试样完全破坏。

利用分离式霍布金森压杆(SHPB)对4种低温下的冻土进行了4种高应变率的动态压缩实验.实验结果表明: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士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.