（工程力学专业论文）冻土断裂与损伤行为研究.pdf

摘要 摘要 冻土作为寒区工程地基基础，其破坏形式与破坏机理研究是冻土力学重要 研究领域之。本文采用断裂力学方法对其破坏进行研究与分析，以期建立一 种新的破坏准则一广义强度破坏理论。同时对冻土进行损伤量的细微观测试分 析，为采用损伤力学进行冻土破坏杌理分析奠定基础。具体研究内容如下： 论文第一章系统的回顾了冻土力学发展的历史，介绍了其发展现状，如土 体冻结过程的数值模拟、冻土宏观力学特性研究、工程( 应用) 冻土力学以及 细微观冻土力学的研究等。并简要介绍了断裂力学及损伤力学研究的基本理论 及其在材料研究中的应用。 论文第二章为冻土断裂力学的基本理论，包括断裂力学在冻土研究中的工 程适用性、条件适用性、平面应变断裂韧度测试的适用条件等，给出了冻土断 裂韧度k 。、k 。、i i i 型复合断裂测试的基本原理及试验方法，并基于w e i b u l l 脆性破坏理论推导了冻土三点弯曲试样k 。尺寸效应系数，为后面的工作提供 理论基础。 第三章进行冻土断裂韧度石。、足。、i i i 型复合断裂测试及尺寸效应研究， 给出了冻土髟。、冻土足及冻土与混凝土界面丘。的测试结果，并对测试值与 环境温度、含水量、加载速率的关系进行了讨论，给出了相应的数值拟合公式， 对i i i 型复合断裂准则进行了研究，给出了椭圆型断裂准则，最后研究了冻土 k 。尺寸效应系数。 冻土断裂力学在工程中的应用在第四章中给出，在这章中介绍了冻土断裂 破坏的基本准则，以桩基冻拔和挡墙基础的强度与稳定性为例，分别采用现行 1 查堡墨三查兰苎主兰竺笙塞 方法和冻土断裂力学方法进行研究并进行对比，指出冻土断裂力学方法是对原 有方法的补充与完善，表明了冻土断裂力学在工程应用中的有效性。 第五章进行的是冻土损伤力学的测试研究首先介绍了冻土损伤的动态测 试原理与方法，采用附加损伤的概念推导了冻土初始与附加损伤的动态识别模 式，随后对冻土单轴压缩过程进行了动态测试，对在这一过程中的内部结构变 化特征进行了研究。随后对冻土在单轴压缩过程中的损伤特征进行了讨论，对 不同阶段的损伤量给出了计算方法，分别对饱水冻土和来饱水冻土在单轴压缩 过程中的损伤量进行了计算。建立了冻土单轴压缩的损伤型本构表达式，给出 了冻土单轴压缩下的损伤演化方程，并进行了有效应力的计算。 最后对本文工作进行了总结，分别对冻土断裂力学、损伤力学研究的发展 与展望提出了自己的观点与设想，指出将断裂力学、损伤力学引入冻土力学研 究至今还仅仅是初步工作，还需要进行大量的研究工作。 本研究属国家自然科学基金工程地基冻胀破坏机理及冻害预报( 项目 批准号：5 9 5 7 8 0 3 9 ) 和冻土地基广义强度破坏理论及其应用研究( 项目批 准号：5 0 2 7 8 0 1 0 ) 的一部分工作，同时还受到中国科学院兰州寒区早区环境与 工程研究所冻土工程国家重点试验室开放课题( 项目编号：9 8 0 1 和 s k l f s e 2 0 0 3 0 1 ) 的资助。 关键词：冻土线弹性断裂力学；断裂韧度测试：1 3 1 损伤识别模式；单轴压缩 内部结构特征；细观损伤测试；损伤型本构表达 摘要 a b s tr a c t a sb a s e m e n to ff o u n d a t i o no fv a r i o u sb u i l d i n g si nc o l dr e g i o n s ，f r o z e ns o i l p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ef o rb u i l d i n gs a f e t ya n du t i l i t y s t u d yo n c h a r a c t e r i s t i c so f f a i l u r ef o rf r o z e ns o i li so d e m a j o rc o m p o n e n t o ff r o z e ns o i lm e c h a n i c s t o i n v e s t i g a t e t h e c h a r a c t e r i s t i c s ，f r a c t u r e m e c h a n i c sa n dd a m a g em e c h a n i c sh a v e b e e ni n t r o d u c e di n t ot h es t u d i e s i nt h ef i r s t p a r t o ft h i s d i s s e r t a t i o n ，t h e o r yo ff r a c t u r e m e c h a n i c so ft h e f r o z e ns o i lh a sb e e n p r e s e n t e d ag e n e r a ls t r e n g t ht h e o r y b a s e do nf r a c t u r e m e c h a n i c sw a sp r o p o s e d ，a n dt h ev a l i d i t yo ft h et h e o r yu s i n gi nf r o z e ns o i lw a s d i s c u s s e d t h ef r a c t u r et o u g h n e s sv a l u e sf o rd i f f e r e n tk i n d so fc r a c k se x t e n s i o n w e r ed e t e r m i n e d ，s u c ha st h ep l a n es t r a i nf r a c t u r et o u g h n e s sf o rm o d eic r a c k i n g ( k ) ，f r a c t u r et o u g h n e s sf o rm o d ei ic r a c k i n go ff r o z e ns o i la n dt h ei n t e r s e c t i o n o ff r o z e ns o i la n dc o n c r e t e t h er e l a t i o n so ff r a c t u r e t o u g h n e s s v e r s u s e n v i r o n m e n tp a r a m e t e r s ( e g t e m p e r a t u r e ，w a t e rc o n t e n t ，l o a d i n gr a t ee t c ) w e r e i n v e s t i g a t e d t h e nac r i t e r i ao fc r a c k i n gp r o p a g a t i o nf o rm i x e dm o d ei - i ia n dt h e s i z ee f f e c t so fs a m p l e sf o rm o d eic r a c ke x t e n s i o nw e r es t u d i e d i nt h ee n do ft h i s p a r t ，s o m ea p p l i c a t i o ne x a m p l e so ff r a c t u r em e c h a n i c sf o rt h ef r o z e ns o i l h a v e b e e ng i v e no u t i nt h es e c o n dp a r t ，c o n t i n u u md a m a g em e c h a n i c sh a sb e e ni n t r o d u c e dt o s t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ef r o z e ns o i l o nb a s eo fa d d i t i o n a ld a m a g ec o n c e p t ， aju d g i n gm o d e lf o ri n i t i a la n da d d i t i o n a ld a m a g ef o rf r o z e ns o i lw a sp r o p o s e d u s i n gc tn d t , t h ei n n e r - s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fs a m p l e so ft h ef r o z e ns o i l u n d e ru n i a x i a l c o m p r e s s i o nw e r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h ep r o c e s s o fd a m a g ei s 1 1 1 大连理工大学博士学位论文 s e p a r a t e di n t ot w or e g i o n s ：e g p l a s t i cd a m a g ea n dc r a c k se x t e n s i o nd a m a g e t h e d e t e r m i n a t i o nm e t h o d so fd a m a g ev a l u e sf o rd i f f e r e n tl e v e l sw e r ep r o p o s e da n d t h ed a m a g ev a l u e sw e r ec a l c u l a t e d s u b s e q u e n t l y ，ac o n s t i t u t i v ei n c l u d i n gd a m a g e v a l u ef o rt h ef r o z e ns o i lw a ss e t u p ，a n dt h ee v o l u t i o ne q u a t i o n sf o rs a t u r a t i o n a n du n s a t u r a t e df r o z e ns o i lw e r eg i v e no u tb a s e do nt h ed a m a g ed i s t i n g u i s h a t l a s t ，a ne f f e c t i v es t r e s sw e r ec a l c u l a t e da n dc o m p a r e dw i t ht h er e a l l ys t r e s su s i n g t h et h e o r ym e n t i o n e da b o v e t h et h i r dp a r ti sad i s c u s s i o na n dp r o s p e c to nt h ef r o z e ns o i l s t u d yu s i n g f r a c t u r em e c h a n i c s t h e o r ya n dc o n t i n u u md a m a g em e c h a n i c s a l lo ft h ew o r ka r es u p p o r t e db yn s fa n ds k l f s a i ( e yw o r d s ：f r a c t o r em e c h a n i c s0 f t e s t i n g ： a j u d g i n gm o d e l0 f i n n e r s t r u c t u r ec h a r a c t e i is t i c ： c o n s t i t u t i v eo ff r o z e ns o i l f r o z e ns o i1 ：f r a c t u r e t o u g h n e s s d a m a g e ： u n i a x i a l c o m p r e s s i o i l d a m a g e d i s t i n g u is h ：d a m a g e 第一章绪论 第一章绪论 1 1冻土力学发展现状 冻土地区( 包括季节性冻土区和永久性冻土区) 占全球陆地面积的7 0 以 上。这些地区有着丰富的矿藏、森林和土地资源，对这些地区的开发与利用直 接关系着人类的生存和发展，而随着人们对这些地区的开发与利用，也同时出 现了许多寒区所特有的技术与应用问题。在农业生产上，由于冻融现象的反复 出现，导致这些地区土地的赫渍化，从而给农业生产造成困难；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的沉 陷，以及输水涵渠的基础冻胀或融沉破坏；在交通运输工程中，出现了由于冻 胀造成道路的路面裂缝、破碎、积水，路基破坏，由于冻土退化造成的路面塌 陷，咀及桥粱桥墩冻拔隆起，机场跑道及停机坪的基础破坏等：在生态环境方 面，则由于人类活动影响及气候变化导致冻土带的退化，最终影响冻土地区的 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，阻碍了这些地区的经济发展和社会进步。冻土科学的形成和发展正是在这 一背景下出现的，它的发展过程恰恰与人类对这些地区的开发利用相一致，可 以说人类对冻土地区的开发与利用推动了冻土科学的产生与发展，反过来，冻 土科学的产生和发展又对人类开发利用冻土地区提供了理论指导，为人类的生 存与发展作出了贡献。 冻土学从内容上可大致分为冻土物理学和冻土力学。冻土物理学主要研究 土体在冻结过程中的各种热学过程及质的迁移问题，以及由于冻融过程造成的 土体沉陷以及土地的盐渍化：而冻土力学则主要研究冻土的材料力学特性以及 查壅堡三丕兰壁圭兰垡堡苎 在冻结过程中冻土与建筑基础之间的相互作用问题，以及由此造成的各种冻害 问题。 前苏联和北欧国家从2 0 世纪3 0 年代初期，北美在2 0 世纪5 0 年代开始进 行冻土力学性质的研究。我国在这方面的研究起步较晚，到2 0 世纪6 0 年代初 才开始进行。冻土力学研究初期侧重于军工应用方面，方法主要是在现场进行 实地观测，取得第一手试验资料，并加以整理和归纳，从而得到近似的经验公 式，如计算冻深和冻胀力的s t e f e n 公式和l i n e a l 公式等。其优点是针对性强， 应用方便简单。但是其最大的不足之处是理论性较差，应用范围窄，不适合于 推广，且参数的针对性太强，不能作为理论依据。2 0 世纪7 0 年代前苏联崔托 维奇所著的冻土力学出版，该书系统的论述了冻土力学的基本原理和冻 土强度特征及变形特征，提供了解决实际问题的手段和方法，标志着冻土力学 的正式形成。从此冻土力学研究进入了一个新的阶段，各种针对冻土理论与方 法的研究层出不穷，并在各种工程实际中进行应用【2 1 。随着国民经济的发展和 寒区工业与民用设施的大量出现，我国在近二十年加大了研究力度，研究水平 已接近世界先进水平，并且在一些研究方面已经走到了世界的前列 ”。 综合起来，冻土力学的研究主要集中在以下几个方面： 1 1 1 冻土冻结过程及冻胀的数值模拟 h a r l a n ，r l 在1 9 7 3 年首先提出了冻土水热耦合的概念并给出了耦合模型 【4j ，在此基础上土体冻结过程的模拟及冻胀力、冻胀量的预测从此成为冻土力 学研究的一个热点分支，如s h e p p a r d 、j a n s s o n 、f u k u d a n a k a g a w a 等人各自 提出了正冻土中热质和水分相互作用的耦合模型【5 。7 】，g u y m o n 等人提出的模型 可求解非塑性土冻融过程问题 8 - 9 。m i l l e r 等人提出了刚性冻胀模型 10 - 1 4 ， k o n r a d ，j m 基于分离势概念提出了冻胀模型，并作了大量的数值模拟计算 15 - 18 。p a d i l l a ，f 提出了考虑盐分影响的冻胀模型 1 9 1 ，s h e n m u 和b r a n k o 墨二苎缝堡 l a d a n y i 提出了考虑水分场、温度场、应力场的水热力三场耦合问题，给出了 简化的数学模型，并采用差分法进行了数值计算 2 0 】。在国内，杨诗秀等人首先 进行了土壤冻结水热耦合迁移模型 2 1 】，安维东等进行了渠道冻结时的数值模拟 f 2 2 ，叶佰生等进行了非饱和土冻结的数值模拟f 23 1 ，安维东等进行了土体冻结 中的水热力耦合初步分析，并给出了一维冻结土的实例1 24 1 ，李洪升等进行了 维冻结土体考虑水热力耦合的三场耦合模型【2 ”，并提出了冻结过程中的水热力 耦合的一般数学模型，给出了有限元模式的数值模拟 26 1 。何平等人给出了饱和 正冻土中的水、热、力三场耦合模型 2 7 - 2 8 ，李宁等建立了考虑冻土骨架、冰、 水、气四相介质的水、热、力与变形耦合的数理方程f 29 1 ，并开发了饱水与准饱 水冻土介质温度场、水分场、变形场三场耦合的有限元分析软件。此外，在正 冻土中的水分迁移和冻胀机理研究方面，国内外学者也作了大量的工作 3 0 - 3 5 1 。 1 1 2 冻土宏观力学性质研究 随着寒区工程建设的快速发展，各种关于冻土宏观力学性质的室内试验研 究发展迅速，并直接服务于工程应用。从5 0 年代开始，许多研究人员陆续系 统的对冻土不同土质、不同负温、不同初始含水量、不同加载速率下的强度与 变形特征进行了试验研究，并提出了相应的试验拟合数学模型。吴紫汪、马巍 对不同围压下的冻土三轴抗剪强度特性进行了系统的试验研究，指出在一定范 围内，抗剪强度随围压增大而增大，当围压超过这一范围时，随着围压的增大， 抗剪强度反而减小3 6 1 。b a k e rt ，h w ，f i s h a m ，朱元林，马巍，吴紫汪等对冻 土的单轴和多轴抗压强度进行了大量研究 3 7 - 4 3 1 ，b r a g gr a ，h a y n e sf d ，李洪 升等则对冻土在不同加载速率下的冻土压缩强度进行了试验分析 4 4 - 4 7 1 。朱元 林、沈忠言等对饱水冻土拉伸强度进行了初步研究 4 8 - 5 0 1 ，获得了初步成果。由 于冻土本身的特殊性，冻土蠕变特性表现的非常明显。尤其是在较高的负温下。 国外如g o r o d e t s k i is e ，s a y l e sf h ，v y a l o v ，s s 等人【5 1 彤】，国内吴紫汪，马巍， 查垄里三查堂壁主堂堡堡苎 盛煜等人 3 65 4 1 5 5 1 在这方面都作了大量工作。 从2 0 世纪7 0 年代开始国外c h a m b e r l a i ne ，j o n e ss j 等开始研究冻土在 高围压下的力学性质3 8 5 6 瑚】，到2 0 世纪9 0 年代，随着人工冻结井壁在深厚 表土层中的应用，崔广心、马巍等明确提出了深部冻土的概念，并作了大量的 研究工作 5 9 - 6 4 j 。 在冻土动力学响应研究方面，朱元林、何平等对冻结粉土在往返荷载作用 下的变形特性即不同动载频率下冻土的强度特性进行了试验研究【65 岳”，指出其 蠕变破坏准则与静载下具有相同的形式，破坏应变与围压基本无关。徐学燕等 对冻土动力参数进行了研究6 引，俞祁浩等对冻土冲击强度及尺寸效应进行了试 验研究【6 。 此外，从2 0 世纪9 0 年代中期开始，李洪升等采用断裂力学方法对冻土的 断裂韧性进行了比较系统的研究，获得了不少成果 7 0 - 7 4 】，以期建立一个基于冻 土断裂力学的冻土广义破坏理论，本论文即是该工作的一部分。 1 1 3 工程冻土力学的研究 在冻土宏观力学性质研究取得大量的成果的同时，应用冻土力学郎工程冻 土力学在寒区工程建设的巨大动力推动下锝到了全面的发展，对冻土体给工程 造成直接危害的关于冻胀量、冻胀力、融沉性质为核心的研究课题纷纷展开。 徐绍新等对位于冻土上的建筑物将承受的切向、法向、水平方向的冻胀力的影 响因素及其取值范围进行了系统研究 “，朱林楠等对冻土退化环境下的道路工 程问题提出了严格保护、部分保护和不保护的设计原则”“，李安国对渠道等线 行建筑物的设计冻深进行了研究，提出了确定设计冻深的方法”，刘鸿绪对建 筑物不同基础的冻胀力进行了系统研究与评述”“，李洪升等则提出了基于弹性 的理论地基土冻胀位移分析及计算模式n ”，丁靖康等对冻土区挡土建筑物的设 计和冻胀力计算进行了分析计算”“，童长江等出版了关于建筑物冻胀与防治方 面的专著”“。此外，在工程应用方面，蓑国、加拿大、俄罗斯等国都制定了相 卑 4 第一章绪论 应的技术规范，我国也制定了冻土区工程应用的技术标准”“3 。 1 1 4 细微观冻土力学征研究 为了进一步了解冻土的破坏机理与蠕变机制，马巍等人对冻土蠕变过程的 微结构特征进行了研究i s s - s 6 ，苗天德，张长庆等人在冻土蠕变过程微结构变化 电镜观测的基础上，提出了冻土蠕变的微结构损伤理论，给出了冻土蠕变的损 伤演化方程 8 7 8 9 ，何平等则给出了冻土粘弹塑性损伤的耦合本构模型【9 们。沈 忠言等人对冻土在拉伸过程中微结构的变化特征进行了初步探讨f 9 ，刘增利等 则对冻土在单轴压缩过程中的内部结构特征进行了研究9 2 1 ，为研究冻土破坏的 微观机制打下了基础。此外，在冻土冻结过程微观结构的特征变化，王家澄等 采用电镜复膜技术进行了大量的研究 9 3 】。相信随着冻土细微观机制研究的进一 步深入，并与冻土的宏观力学性质建立起确定性的联系，冻土力学的研究必将 进入一个新的阶段。 综观冻土科学的发展过程，人类从观测与取得基本的观测数据，到今天的 主动预报与控制冻土的影响，从简单的对具体土体类型进行的压缩、剪切特性 研究到今天的宏观力学特性、工程应用研究，并迸一步发展到细微观机理的研 究，并大量应用到人类工农业生产、工业与民用建筑、交通工程、基坑人工开 挖与支护、道路与桥梁工程、人工筑路筑堤工程、人工采矿、隧道工程中，其 中对多学科知识的交叉与利用起了极其重要的作用，可以说，没有对其他学科 的交叉利用，就不会有冻土力学的今天，也不会有冻土力学研究光明的明天。 大连理工大学博士学位论文 1 2 冻土断裂力学研究 1 2 1 断裂力学基本理论 断裂力学是研究各种结构与材料的破坏行为与力学规律的一门学科。它着 重研究力学过程的终极阶段，在固体力学中占有重要地位。断裂力学与传统的 强度理论不同，传统强度理论假设材料是均匀连续介质，而断裂力学则首先认 为材料中有裂纹存在，在此基础上研究裂纹尖端的应力场、位移场以及由于外 载荷引起的应力强度因子，并与材料本身抵抗破坏的能力断裂韧度相比，来确 定材料或结构的安全性。 断裂力学从大的方面分可以分为静态断裂力学和动态断裂力学，分别研究 材料静态断裂过程和裂纹的动态启裂、裂纹扩展过程【9 4 母朝。我们一般所讲的断 裂力学即为静态断裂力学，它又包括线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学两个方 面 9 6 - 9 7 。其中线弹性断裂力学( l i n e a re l a s t i cf r a c t u r em e c h a n i c s ，简称为l e f m ) 主要由两个准则构成，一个为从能量平衡关系建立起来的g r i f f i t h 理论，又称 为能量释放率准则，简称g 准则；另一个为从应力场分布得到的应力强度因子 理论，称之为i r w i n 准则，简称k 准则。线弹性断裂力学适用于线弹性材料的 断裂分析，同时还适用于裂纹尖端具有小范围屈服( 姆j ，) 的情况。弹塑性断 裂力学基本理论也包括两个准则，一个是，积分准则，另一个是裂纹尖端张开 咀位移即c t o d 准则。弹塑性断裂力学理论适用于裂纹尖端产生大范围屈服的 弹塑性( h r r 场) 状态。 一、线弹性断裂力学准则 ( 1 ) 能量释放率准则 该准则可以简单表示为如下形式： g g ， 6 ( 1 2 1 ) 第一章绪论 其中g 代表能量释放率，其表达式为： g = - 等 。 ( 1 2 2 ) 式中a 代表裂纹面积，u 。代表弹性应变能，下标表示恒位移条件。g 的 量纲为m ，其物理意义为单位厚度上的裂纹扩展力，与载荷、裂纹的几何尺 寸、材料性能即应力状态有关。 g ，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g g 。时材料处于稳定状态，不会发生断裂现象。而g = g 。则表示材料 处于开裂的临界状态，处于裂纹开裂的临界点。 ( 2 ) 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 k 。 ( 1 2 3 ) 其中k 称为应力强度因子，是表征裂纹尖端附近应力场强弱程度的唯一参 数，其单位为m n m 或m p ；。关于应力强度因子的计算，可以采用有限 元( f e m ) 方法 9 6 1 或者查阅相关的应力强度因子手册 98 1 。e ，称作断裂韧度， 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 9 9 1 。当 k r ( 2 1 1 ) ( 2 ) 、平面应变条件：这就要求试样厚度b 足够大，对厚度的具体要求至 少应大于裂纹尖端塑性区尺寸r 一个数量级，按a s t m 标准要求，为： r i b 蔓o 0 4 ( 2 1 2 ) 经i r w i n 修正后的塑性区尺寸，为 r = 廿：盯等 仁t 司 式中：d 。为材料的屈服强度，对冻土取抗拉强度仃，将式( 2 1 3 ) 代入( 2 1 ，2 ) 则有 b 禚0 ( 甜 ， 0 4 石i 口，j 其中：v 为泊松比，且温度对冻土泊松比y 有重要影响，当冻土温度接近零度时， 呕趋近于0 。5 ，而当温度较低时，y 接近固体材料的数值，如温度为- 1 0 c 时， v = 0 2 8 。则在1 0 c 对，有： 毋1 5 0 k 。盯，) 2 ( 3 ) 、应力水平条件：满足小范围屈服，对应力水平要求为o r o r 0 5 。按 照这个要求，将g r i f f i t h 板的应力强度因子k = 仃册代入式( 2 1 3 ) ，则有 恻功，槲 眨， 捌3 亿， 第二章冻土断裂力学基本理论 通过以上分析可以看出，冻土& ( 如) 不仅与试样尺寸、裂