科研進展
三維復雜循環(huán)應力狀態(tài)下凍土疲勞破壞行為研究取得新進展
多年凍土區(qū)和季凍區(qū)邊坡、路堤、地基等服役工況處于復雜三維應力狀態(tài)下，研究三維應力狀態(tài)凍土體在地震和車輛等動力荷載下的穩(wěn)定性對寒區(qū)工程設施的運營維護和災害防治具有重大實際意義。凍土的各向異性動力學特征受原生組構(gòu)各向異性和次生三維應力路徑、狀態(tài)共同影響，在循環(huán)荷載下凍土的變形行為和疲勞破壞特性對其所處的三維應力環(huán)境具有強烈的依賴性。而傳統(tǒng)的凍土力學研究設備無法模擬復雜三維應力環(huán)境，使得處于復雜三維應力狀態(tài)下凍土動力穩(wěn)定性研究停滯不前。
基于上述科學問題，中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院科研團隊采用凍土空心圓柱設備模擬主應力偏轉(zhuǎn)角、中主應力系數(shù)和大主應力幅值恒定的循環(huán)應力狀態(tài)（圖1），系統(tǒng)研究了-6 條件下三維應力參數(shù)（主應力偏轉(zhuǎn)角和中主應力系數(shù)）對凍結(jié)青藏粉質(zhì)粘土變形行為（圖2）、應力應變特征（圖3）、損傷演化發(fā)展規(guī)律及疲勞破壞特性的影響。研究結(jié)果表明，三維應力參數(shù)對凍土的變形行為具有極為顯著地影響，并對凍土的疲勞破壞進程具有明顯的加速作用（圖4）。傳統(tǒng)的凍土動力學研究方法所獲取的測試結(jié)果往往會高估復雜三維應力狀態(tài)下的凍土抵抗變形和疲勞破壞的能力。該研究成果有助于提升對高路堤邊坡下的凍土地基、凍土基坑、邊坡，以及在地下工程施工中遇到的人工凍結(jié)體等處于復雜三維應力狀態(tài)下的凍土在地震及車輛等荷載擾動下穩(wěn)定性的認識。
該成果以The damage and fatigue behaviors of frozen soil under combined cyclic compression (tensile)-shear conditions為題發(fā)表在期刊International Journal of Fatigue上。西北研究院劉富榮助理研究員為論文第一作者，周志偉研究員為論文通訊作者，馬巍研究員等為論文共同作者。該研究獲國家自然科學地區(qū)聯(lián)合基金、國家自然科學青年基金，中國科學院西部之光等項目共同資助。
圖1 循環(huán)荷載下恒定中主應力系數(shù)與主應力偏轉(zhuǎn)角的應力環(huán)境模擬（以 =30 ，b=0.5為例）
圖2 不同中主應力系數(shù)下軸向與扭轉(zhuǎn)剪切向應變隨循環(huán)加載次數(shù)的變化
圖3 循環(huán)加載過程的全程應力-應變特征
圖4 破壞振次與試樣破壞時的應變
