凍土在衝擊載入下的動態本構關係及其破壞機理

《凍土在衝擊載入下的動態本構關係及其破壞機理》是依託西南交通大學，由朱志武擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：凍土在衝擊載入下的動態本構關係及其破壞機理
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：朱志武
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

傳統的凍土動態力學行為研究大多集中在低頻或小幅值的振動載入方面，儘管對凍土的衝擊載入方面有了一定研究，但對於高應變率下的衝擊動態本構關係及其破壞機理的認識仍相當匱乏。本項目擬以青藏高原原狀凍土為主要研究對象，對凍土的衝擊動態本構關係進行系統研究。首先，建立表征溫度、孔隙流體與顆粒以及顆粒間相互作用的細觀量，利用均勻化方法得到具有細觀量的凍土多尺度動本構模型以及相關的場控制方程；然後，通過衝擊動態實驗，得到凍土在較寬應變率範圍內的應力應變曲線和破壞性態，建立物理參數較少、便於工程套用的凍土動本構模型；最後，採用高效的有限元和無格線數值計算方法，揭示凍土在衝擊載入下的動態力學行為及其破壞機理，確定對系統力學行為起主導作用的關鍵因素。該研究成果可對寒區土木、交通、水利以及國防建設等工程中凍土構築物的設計、穩定和安全評估提供理論基礎，具有廣闊的工程套用前景。

結題摘要

在廣大寒區及季節性凍土地區，凍土構築物在其工作過程中，除了承受正常的設計荷載外，往往還要承受諸如衝擊、爆炸和撞擊等強動荷載。因此，凍土的動態力學行為研究成為一個亟待解決的問題。傳統的凍土動態力學行為研究大多集中在低頻或小幅值的振動載入方面，儘管對凍土的衝擊載入方面有了一定研究，但對於高應變率下的衝擊動態本構關係及其破壞機理的認識仍相當匱乏。 本項目針對已有研究的不足，對凍土的衝擊動態本構關係及其破壞機理進行了系統研究。 實驗研究方面，利用動靜三軸實驗系統、霍普金森實驗裝置等研究典型凍土的動力學行為，得到較寬應變率範圍內的巨觀應力-應變曲線以及破壞性態，系統研究了不同含水量、不同溫度、不同顆粒配比和不同應變率條件下的霍普金森壓桿凍土衝擊動態實驗。實驗結果發現，凍土試樣在較高應變率實驗中表現出明顯的脆性，不同含水量對凍土的衝擊動態力學性能也有顯著影響。 理論研究方面，研究了凍土衝擊動態裂紋損傷的萌生、演化和發展等過程。在衝擊動態載荷作用下，由描述裂紋損傷的演化和發展形式表示凍土的損傷量，進而得到考慮溫度損傷且含裂紋損傷和演化發展的凍土衝擊動態本構方程。所研究的本構方程能夠很好的描述凍土衝擊載入實驗的實驗結果，能夠表達凍土衝擊載入下的溫度損傷和裂紋損傷的發展過程。 根據凍土本身的物理、力學特性，對衝擊動態載入下凍土的溫度損傷進行了研究。確定了有效含冰量的計算方程，建立了等效模量的函式變化關係式，獲得了衝擊動態載入下凍土的等效彈性模量和應變演化規律。 數值模擬研究方面，運用LS-DYNA軟體完成了凍土SHPB實驗的三維數值模擬，對比了數值模擬結果重構的應力應變曲線與實驗結果的相似性。數值模擬結果可體現實驗中凍土的溫度效應、應變率效應，再現凍土的破壞過程，還可以很好地反映應力波在入射桿、透射桿和凍土試樣中的傳播過程。 凍土在高應變率下的本構關係及其破壞機理是寒區土工建築抗震分析的理論基礎，也是凍土動力學研究的核心問題之一，對研究爆炸衝擊、高速撞擊、動態損傷與斷裂等問題都有著極其重要的影響。該研究及其成果可對寒區土木、交通、國防建設等工程中凍土構築物的設計、穩定和安全評估提供理論基礎，為凍土工程套用提供了很好的理論依據和技術支撐。