冻土断裂破坏准则及其试验研究_刘晓洲　著_9787030457554

冻土断裂破坏准则及其试验研究

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《冻土断裂破坏准则及其试验研究》主要从断裂力学理论出发，在考虑冻土自身特点的基础上，建立冻土破坏的统一模式，并通过现场原状冻土的Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧度测试及对翼型裂纹试样研究，得到其对试样断裂韧度值影响的规律。此外，针对原状冻土的非线性断裂破坏，充分考虑冻土特有的胶结力作用，提出冻土非线性胶结力断裂破坏模型，然后对表征胶结力裂纹模型的裂纹尖端张开位移表达式及裂纹尖端扩展表达式进行推导计算，再结合有限元法，提出一种新的计算方法，从而为冻土工程应用提供更坚实的理论基础。

第1章绪论
根据工程断裂力学中应力强度因子理论［1］，将断裂韧度引入冻土中，针对冻土这种同时包含固、液、气三相体的极其复杂的材料，断裂力学思维的引入［2］，同时运用试验手段对原状冻土、重塑冻土进行各种模型的线性和非线性测试，能够从断裂力学的角度研究冻土中断裂的发生、发展和破坏的机理，从而在丰富和发展现有冻土力学研究的基础上，扩大冻土力学的研究领域，这必将为冻土工程的设计、施工及工程冻害评价和防治提供新的方法和手段，这已成为冻土力学新的研究课题和方向。
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
冻土是一种温度低于零摄氏度且含有冰的土岩，是由固体矿物颗粒、理想塑性的冰包裹体（胶结冰和冰夹层）、未冻水（薄膜结合水和液态水）、气态成分（水蒸气和空气）组成的典型的非均匀多相颗粒材料。由于冻土各相混合体之间的相互作用，冻土表现出的力学性能也非常复杂。冻土中胶结冰的存在，使得冻土的物理力学性质强烈依赖于温度，这一点与相应的融土不同。冻土变形过程中微结构的扫描电镜及电子计算机X射线断层扫描技术（computed tomography，CT）分析表明，在受载之前，冻土内部已经存在大量的空隙、洞隙和管状空隙，组构单元与矿物颗粒呈无序化分布。在外荷载作用下，土颗粒表现出明显的定向排列趋势，与外荷载作用方向垂直的原生裂缝闭合。随着荷载的增加，新的微裂纹就会萌生和扩展。如果荷载进一步增加，微裂纹将进一步发育和扩展成宏观裂纹，并*终导致冻土材料的破坏。
地球上冻土地区相当广泛，大多集中在俄罗斯、加拿大等高纬度国家，我国也是冻土资源极其丰富的国家之一，其中多年冻土占国土面积的22%左右［3］。主要分布在东北、西北、华北地区，这些地区蕴藏着丰富的森林、矿藏资源，对这些资源的充分合理开发和利用，将对人类的生存和发展起到至关重要的作用。因此，在资源日渐匮乏的今天，冻土的存在及演变已经在人类的生产活动、生存环境和可持续发展中扮演着越来越重要的角色。例如，在工业与民用建筑中，出现了建筑物的冻胀破坏，地基基础由于多年冻土层的消失产生了沉陷，输水涵渠的基础也出现冻胀或融沉破坏；在交通运输工程中，出现了冻胀造成的道路路面裂缝、破碎、积水及路基破坏，冻土退化造成的路面塌陷，以及桥梁桥墩冻拔隆起，机场跑道及停机坪的基础破坏等。特别是在我国实施的西部大开发战略中的青藏铁路和青藏公路建设中，冻土及冻土环境问题是其中的重要环节。这些影响在北方地区的水工建筑物工程中表现得尤为突出，无论哪种水工建筑物总是在水中才发挥作用，可是到了冬季特别是天气突然降温时，由于存在于水工建筑物本身的缝隙以及基础土壤、岩石等缝隙中的大量水分还没来得及蒸发就结冰，导致体积膨胀，造成建筑物冻胀或融沉破坏，此种情况若不及时防护或维修，将对其第二年发挥作用产生重大隐患，甚至给国家和人民带来无法估计的损失，如图1.1和图1.2所示。在农业生产上，冻融现象的反复出现导致这些地区土地的盐渍化，从而给农业生产造成困难；在生态环境方面，人类活动影响及气候变化导致冻土带的退化，*终影响冻土地区的分布和冻土地区生态环境平衡。这些都给人类的生产和生活带来了极大的影响，阻碍了经济发展和社会进步。
图1.1挡墙及渠道冻害破坏
图1.2桥和桩冻害破坏
目前国内外对冻土强度破坏问题的研究，已取得长足的进展，现有强度理论虽然已广泛应用于工程实际，但都还存在明显的不足和局限性。例如，剪切强度理论及蠕变理论，都没有把冻土的冻胀特性反映出来，这就把冻土力学所特有的冻胀问题给忽略了，失去了冻土力学自身的特点；其次是没有把冻土自身客观存在的多种缺陷作为主要参量加以考虑，因为冻土是多相体复合材料，因而存在着大量微裂隙、孔穴以及土颗粒与冰晶之间的薄弱点等多种缺陷，它们的存在制约着冻土的宏观性质和强度特性。现有理论存在的不足致使目前对强度破坏理论的研究还远远不能满足寒区工程建设的需要。另外，冻土力学正面临着前所未有的新挑战，大量的寒区工程的开发（如青藏铁路工程、南水北调工程等）以及气候、环境条件的全球新变化，均给冻土力学提出了一系列亟待解决的新课题。因此，发展学科新的生长点，建立与发展冻土力学的新理论势在必行。有鉴于此，国内外学者相继开展了冻土损伤理论、冻土断裂力学理论以及热力学和分形理论等新理论和新技术的研究，从新的角度研究冻土的非线性本构关系、强度理论和破坏准则，已成为当前国内外冻土力学理论研究的一大趋势。20世纪80年代开始了冻土断裂力学的研究，但到目前为止，还只限于冻土脆性破坏和线弹性断裂问题，如建立了脆性破坏的断裂准则，进行了线弹性断裂韧度的测试研究等。但是冻土从本质上说是非线性的，是非均质的黏弹性（或黏塑性）体，不但具有明显的塑性，而且具有明显的蠕变性，故其变形和破坏过程都具有明显非线性，线弹性断裂研究有局限性，必须研究非线性断裂破坏问题。
也正是在此大背景下，将断裂力学引进冻土力学中来，才能促进冻土科学的创新和发展，同时，冻土科学的创新和发展又会对人类开发利用冻土地区提供理论指导，为人类的生存与发展作出贡献。
1.1.2研究目的及意义
从上述出发点考虑问题，本书的基本目的：基于冻土体的非线性本质，充分考虑冻土特有的黏聚力的作用和冻土自身存在的大量缺陷，利用非线性断裂力学理论原理，对冻土的破坏过程从宏观、细观相结合的角度去研究，建立有关的物理模型和力学理论，建立全新的冻土非线性断裂破坏准则，提出非线性断裂参数计算的半解析有限元法，从而发展冻土非线性断裂破坏的基本理论，增强处理实际工程问题的实用性，以便对因素多、环境差、条件苛刻、要求高的冻土工程做出准确可靠的决策。克服现有强度破坏理论的不足，考虑黏聚力的作用和冻土自身的缺陷，充分体现冻土力学特有的问题；克服线弹性断裂破坏的局限性，充分考虑冻土体的非线性特征；建立非线性断裂模型和破坏准则，引进非线性断裂参量和非线性断裂韧度，提出解析法与有限元法相结合的一种算法，可进行断裂过程计算和非线性断裂参量计算。
冻土非线性断裂破坏准则的研究，实现了两个学科的交叉，发展了冻土力学新的生长点，拓宽了冻土力学的研究内容。因此，有关非线性断裂准则的建立、非线性断裂的测试方法和技术、非线性断裂参量的计算以及非线性断裂准则在工程中的应用等一系列问题，均处于学科前沿课题。面向21世纪的冻土力学和冻土工程科学的发展，建立先进的理论和方法，是本学科发展的必然趋势，对寒区资源开发、生态环境保护、经济可持续发展具有深远意义。
1.2断裂力学理论及其应用现状
从20世纪二三十年代开始，断裂事故在人们的生产生活中频繁发生，给人类社会造成了巨大的损失。全焊接铁桥无任何异常现象时突然断裂倒塌、轮船因断裂造成的事故屡屡出现、飞机在飞行的过程中机翼突然脱落等等，当时人们对上述事件利用传统的材料、力学理论难以给出正确合理的解释，事后研究表明：结构产生破坏的原因是由于材料本身存在着各种缺陷和宏观裂纹，这些缺陷和宏观裂纹的存在明显降低了结构材料本身的实际强度。这种裂纹可能是冶金缺陷，也可能是在加工的过程中、使用过程中产生的，对于大多数结构来说，这种缺陷和裂纹是不可避免的［4］。后来随着现代生产的发展，许多新材料、新产品、新工艺不断出现，为了解决其在工程实际中的断裂问题，断裂力学应运而生。因此，可以说断裂力学是从生产实践中产生和发展起来的一门学科。它是在继承了传统的弹性力学、塑性力学和黏弹性力学等学科理论的同时，克服了传统力学理论中物体的连续性假设，承认物体中是含有缺陷和裂纹的，并从这一前提出发，确定含裂纹体的应力场、位移场分布，以此找出决定裂纹扩展的物理量。同时，通过试验测定出材料抵抗裂纹扩展的能力，并建立两者之间的关系。它补偿了传统理论的不足和不合理之处，成为现代工程结构安全设计方面的有力工具。
1.2.1线弹性断裂力学理论
早在1920年，英国的物理学家Griffith在对玻璃的断裂研究中便提出来断裂力学概念。Griffith用材料内部有缺陷（裂纹）的观点解释了材料实际强度要小于理论强度的现象，同时当裂纹受力时，如果裂纹扩展所需的表面能小于弹性能的释放值，则裂纹就扩展直至断裂破坏。这一理论在对玻璃的断裂研究中得到证实，可该理论只适用于完全弹性体，即完全脆性材料，所以没得到发展。1921年，Griffith又提出了能量释放理论，即G准则。认为一旦含裂纹的脆性材料物体的能量释放率等于表面能，裂纹就会失稳扩展，导致脆断。Griffith建立的脆性材料断裂理论，为断裂力学奠定了理论基础［5，6］。1948年，Irwin等分别对Griffith理论进行了修正，指出将裂纹尖端区的塑性功计入耗散能后，就能将其应用到金属材料中。1957年，Irwin提出了应力强度因子理论和断裂韧性概念，建立了临界应力强度因子准则，即K准则，从而奠定了线弹性断裂力学的理论基础。线弹性断裂力学（linear elastic fracture mechanics， LEFM）既适用于线弹性材料的断裂分析，又适用于裂纹尖端具有小范围屈服的情况。所谓小范围屈服就是指裂纹尖端附近虽然达到塑性变形状态，但是只要塑性区尺寸远小于研究对象尺寸，而在塑性变形局部区以外的整体仍为弹性变形状态的情况。
1. 能量释放率准则
能量释放率准则可以简单表示为如下形式：
G≤GC（1.1）
其中，G代表能量释放率，其表达式为
式中，A为裂纹面积；Ue为弹性应变能；下标Δ为恒位移条件。G的量纲为N/m，其物理意义为单位厚度上的裂纹扩展力，与荷载、裂纹的几何尺寸、应力状态有关。GC为材料对裂纹临界扩展的抗力，可由试验测定，代表着材料的性质。
当G2. 应力强度因子理论
应力强度因子理论可简单表达为如下形式：
K≤KC（1.3）
式中，K为应力强度因子，表征裂纹尖端附近应力场强弱的**参数，MN/m3/2或MPa m1/2。关于应力强度因子的计算，可以采用有限元法［1］或者查阅相关的应力强度因子手册［7］。KC称为断裂韧度，它表征材料抵抗脆性开裂的能力，是材料的本身性质，可由试验测定［8］。当K1.2.2弹塑性断裂力学理论
对于弹塑性材料，当受到外部荷载作用时，在材料的裂纹尖端附近将产生塑性变形，即所谓的大范围屈服现象，此时，线弹性断裂力学理论不再适用，为此Wells、Rice和Hutchinson、Rosengren等分别建立了J积分原理和弹塑性裂纹尖端HRR奇性场，为弹塑性断裂力学奠定了理论基础［9］。弹塑性断裂在裂纹发生起始扩展（起裂）后还要经过亚临界扩展（稳定扩展）阶段，达到一定长度后才发生失稳扩展破坏。相应的弹塑性断裂准则也分为两类，即以裂纹失稳为依据的非线性能量释放率准则、HRR奇性场阻力曲线准则等和以裂纹起裂为依据的裂纹张开位移（crack opening displacement，COD）准则、J积分准则等。
1.2.3断裂力学对复杂材料的应用研究
由于断裂力学理论的日趋成熟，其应用范围已从金属材料领域拓展到其他材料领域，如岩石、混凝土材料、冰体材料等。因上述材料本身可以看成是一种非均质的复杂材料，故在其内部都不可避免地存在一些微小的裂缝或其他缺陷，这些裂缝或缺陷会在某种应力状态下逐渐扩展成构件的断裂破坏。所以，众多学者将断裂力学理论应用于对其性能的研究之中。岩石断裂力学的研究始于20世纪60年代中期，当时主要集中于Griffith能量平衡理论、断裂应力准则及其修正方面。1967年Bieniawski应用应变能量释放率准则研究了岩石的破坏，发现该准则很好地解释了深层硬岩钻探中岩石的突然破坏机理［10］。Schnidt［11］在1976年首先按照金属材料平面应变断裂韧度测试方

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