第1章 绪论
1.1 冻土研究概述
冻土是一种组成成分较为复杂的材料，其组成成分包括固体颗粒、冰体颗粒、未冻水、气体等[1]。冻土的主要特点包括岩土材料温度低于0℃，以及土体内部含有与土体颗粒胶结的冰体颗粒，由于冰体颗粒的存在，其力学特性明显区别于其他土类。冻土是岩石圈-土壤-大气圈系统在热质交换过程中形成的产物[2]，其力学性能与各相成分之间有着密切的关系：固体颗粒种类复杂，其形状、粒径大小、矿物成分等决定着冻土的工程性质；冰体颗粒的存在影响着各成分之间的黏结状态，在不同温度和荷载下，冰体颗粒与固体颗粒的黏结力会显著改变，同时冰水相变等因素使得冻土具有较强的流变性[3]；未冻水和气体则影响着冻土的导热性、渗透性等物理特性。这一系列因素使得冻土的力学性能变得极为复杂。受到气候变化、地形影响、地质构造等多因素的影响，冻土在冻结状态下存在时间的长短不同，短则数日，多则若干个世纪，根据土体冻结与季节变化的关系，可将冻土划分为季节性冻土与永久性冻土[4]。
在自然界中，冻土覆盖范围十分广泛，约占全球陆地面积的24%，在我国，各类冻土区域更是占据了国土面积的68%[5]。随着人类对土地利用和资源需求的增加，以冻土为特征的寒冷地区开发建设的工程项目越来越多。由于特殊的地质条件，苏联、加拿大、美国等国家*早开始对冻土进行研究。从1904年西伯利亚铁路竣工，到20世纪30年代《冻土力学基础》著作问世，冻土力学得到了长足发展。我国于20世纪60年代起，以青藏公路、青藏铁路、川藏铁路、川藏铁路雅林段、嫩林铁路、中俄原油管道等为代表的冻土工程项目积累了一定的科学资料，印证了冻土力学的发展。
在寒区工程建设过程中，冻土材料的特殊性，如冻土层融化、冻胀等，对工程建设与安全运营都造成了一定影响，因此对冻土性质的研究显得尤为关键。对于冻土系统的研究，可分为冻土力学、冻土工程、冻土物理、冻土环境四方面，研究方法也从简单的室内试验方法逐渐发展为采用电镜扫描技术和电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）技术[6， 7]，冻土研究在不断地发展和完善，但大部分的研究集中在静态或者准静态[8-10]。而在寒区工程如管道、矿井、交通建设等方面，冻土会不可避免地遭受冲击、爆炸等高应变率荷载，这些与速率相关的荷载势必会导致冻土内部结构的变化，冻土的承载能力也将发生明显改变。冻土承受着不同形式的荷载，反映出对冻土各项力学性能深度探究的需求。考虑冻土地基受建筑物等长期荷载作用，需研究其蠕变性能及静态力学性能。考虑冻土路基的振动及冻土的开挖爆破等强动荷载作用，需研究其动态力学性能。此外，在非冻土区，人工冻结法[11， 12]作为一种成熟的施工技术，通过增强地基的强度和稳定性，也广泛应用于地下污染物治理、地源热泵等领域。因此，对于实际工程中的设施建造、结构设计等问题，开展相应的研究来完善理论体系，合理掌握冻土的力学性质，对于提高施工的安全性和有效性、降低经济运行成本，具有十分重要的意义。
2013年，我国正式提出建设“新丝绸之路经济带”和发展“21世纪海上丝绸之路”，即“一带一路”的倡议，“一带一路”区域横跨亚洲、欧洲和非洲大陆，沿线和周边的部分区域是全球冰冻圈集中分布地带之一[13]。随着“一带一路”倡议的深入实施，寒区工程建设将迎来新的浪潮，而随着工程的不断推进，在房屋修建、隧道开挖等实际工程中冻土仍会遭受冲击、爆炸等高应变率荷载，且实际工程中的受压土体基本处于围压、轴压同时发生变化的情况[14]，所以研究围压与高应变率荷载共同作用下冻土的力学特性有更重要的工程意义。在高应变率加载试验研究中，围压可通过两种方式施加，第一种施加方式为被动围压，通常是在冻土试样上加上铝套筒[15]，使试样在受力过程中处于三维受力状态，但这样施加的围压值是不断变化的，即变围压状态，需要在铝套筒内部粘贴应变片来获取围压变化趋势。被动围压的实际意义在于，在路基工程、铁路修建过程中，附加荷载作用于冻土地基之上时，受力土体由于周围建筑物或者土体的约束，围压并不能维持恒定，而是先不同程度地增加，然后趋于稳定。研究被动围压与高应变率荷载共同作用下冻土的力学特性，对寒区工程建设有重要的意义。第二种施加方式为主动围压，即通过油压、液压的方式在冻土四周施加恒定的围压值[16]，又称恒定围压。在地下工程中，由于冻土在地下掩埋时四周受挤压作用，土体在开挖之前会受到恒定的地应力影响，即主动围压影响。
到目前为止，针对在实际工程中冻土遭受较多的冲击荷载作用，冻土动态力学性能方面的研究仍不太完善。因其区别于常规土力学的特殊性质，冻土材料往往因环境变化和施工活动的影响，极易改变自身的力学性能。例如，气候环境的变化以及冲击荷载的施加引起的温度改变，会减弱冰体颗粒与其他颗粒物质的胶结能力，进而影响冻土的承载能力，显示出冻土对温度的强敏感性。作为脆性材料，在面临着实际工程中的冲击、爆破等行为的情况下，动荷载的速率效应也对冻土的强度影响极大。同时，在实际工程中，由于长期受环境、天气、地质构造和地形等地理因素的影响，天然冻土的表面和内部常存在大量形状不同、尺寸各异的孔洞和裂隙等初始缺陷，在冲击加载状态下，其破裂与失稳往往始于孔洞、裂隙等缺陷处[17]，并*终造成试样的失稳与破坏。因此，建立合理的冻土动态本构模型来描述和预测冲击荷载下冻土的动态力学行为具有很强的现实意义。
1.2 冻土静态力学行为研究
在寒区工程建设中，静荷载下冻土的强度和变形特性是评价材料适用性的重要指标，也是冻土力学重点关注的领域之一。冻土力学以温度、土质、含水率、应力路径等变量为出发点，深入研究冻土的力学特性，以确保冻土工程建筑物的安全性、稳定性及耐久性[18]。目前国内外学者对其开展了一系列的研究工作，试验手段也从单轴仪、三轴仪、直剪仪，发展到超声波、核磁共振、CT技术等，试验手段的丰富带来的是研究的更加深入，静态与低应变率加载下冻土的力学特性研究也获得了大量成果。
关于静态及准静态下冻土力学行为的探索，已经有了较为系统的研究，包括蠕变特性、单轴压缩特性及多轴应力状态等，其力学特性和理论本构关系基本趋于完善，并为实际工程提供了良好的理论指导。
在以往准静态加载的研究中，学者发现温度、含冰量、围压、应力状态等因素决定着冻土的力学特性表现。赵晓东等[19]发现温度越低，冻土内部固结应力越大，脆性破坏特征越明显，温度的上升会使冻土破坏特征由脆性转变为塑性。肖海斌[20]通过试验发现冻土的单轴抗压强度随着温度的降低而增加，当冻结温度在？3～？7℃时强度逐渐增大，到？10℃之后强度增长率会随着温度的降低而越来越高。Arenson等[21]通过一系列试验发现冻土的抗剪强度会随着含冰量的增加而增长，但由于土基体对冰体颗粒的弱化作用，冻土的抗剪强度会低于纯冰的强度。杜海民等[22， 23]发现含冰量对冻土试样的破坏应变影响存在一个阈值，在阈值之上，破坏应变随着含冰量升高而减小；在阈值之下，破坏应变随温度降低和含冰量的升高而增大。Chamberlain等[24]研究了围压对冻土抗剪强度的影响，发现剪切强度会随着围压的增大而增大，并认为内部颗粒之间的摩擦、未冻水含量以及冰、水相变是影响冻土三轴压缩强度的关键因素。马巍等[7]也借助微观试验研究了围压对冻土强度特性的影响，发现围压的增大明显增强了冻土的塑性性能和应变硬化程度，冻土的强度也会随之增大，孔隙冰的压力融化和微裂纹的生长是围压下冻土强度变化的主要原因。吴超等[14]对不同含水率冻土进行了围压路径下的三轴剪切试验，当含水率大于18.58%时，含冰量与围压路径共同影响着冻土应力-应变曲线的发展趋势；当含水率较小时，如果采用恒定围压条件预测冻土地基的变形，预测值将小于实际值。徐湘田等[25]针对冻土工程中地基冻土受力情况复杂的问题，开展了冻土静力条件下的三轴加卸载试验与单调加载试验，通过对比发现，循环加卸载条件下冻土抵抗变形的能力增强。在低围压下围压增加对冻土损伤有抑制作用，在高围压下由于冰的压融与破裂，围压反而加剧了损伤的发展。
蠕变性能作为冻土在寒区工程中的重要研究内容之一，已有十分全面的试验研究和计算理论。国内外学者系统地研究了冻土在不同温度下的特殊蠕变性质、蠕变过程中的强度衰减规律以及蠕变破坏强度和应变之间的关系等力学特性，并且为工程设计提供了一系列十分可靠的理论指导。Bray[26]通过无约束恒应力蠕变试验，研究了低温条件对重塑冻土蠕变特性的影响。Zhou等[27]通过不同围压和温度条件下的三轴压缩和蠕变试验，研究了冻土随蠕变速率变化的力学行为，并揭示了此加载状态下冻土材料的应力-应变-时间特性。李海鹏等[28]在常应变率下对不同干密度冻土进行了蠕变加载状态下的单轴抗压强度试验，得出了抗压强度与温度、应变率及干密度之间的关系，并以此建立了强度预报方程。蔡聪等[29]开展了不同加载速率下的冻土常规单轴压缩试验，运用加卸载蠕变回弹试验实现了对冻土弹性、塑性变形的解耦。其试验结果表明，加载速率对冻土变形行为影响较大，必须考虑加载速率对冻土变形行为的影响。马巍等[30]认为温度和围压对冻土的蠕变强度影响较大，给出了冻土蠕变强度随时间降低的关系，并得到了冻土蠕变的抛物线屈服准则。朱志武等[31]则通过理论推导，同时结合岩土材料屈服面准则，验证了上述冻土蠕变的抛物线屈服准则，随后又从细观力学出发，根据Lemaitre等[32]的有效应力原理，建立了含损伤的冻土本构模型，并用自行开发的有限元程序对水-热-力三场耦合的冻土渠道路基进行了验证[33]。Xu等[34]也为冻土的蠕变行为提出了一项具有黏滞特性的亚塑性本构模型，较好地描述了冻土蠕变试验的第一、二、三阶段。朱元林等[35]通过大量的冻土单轴蠕变试验，将冻土的应力-应变性状汇总为9种类型，并给出相应的本构方程来描述其应力-应变关系，在工程中应用广泛。
在寒区基础设计中，除了要验算地基承载力，还必须对地基变形进行验算，若要进行变形验算，则必须了解冻土的变形特性。为此学者开展了一系列冻土变形特性试验，旨在建立冻土的应力-应变关系，以预测冻土在静态和低应变率加载下的变形行为。由于冻土在变形过程中有着明显的颗粒重分布和冰水相变，目前冻土的本构模型研究以弹塑性或黏弹塑性理论为主。Ghoreishian Amiri等[36]将总应力分解为流体应力与固体应力，并考虑低温的影响，在双应力状态下建立了冻土的弹塑性本构模型，该模型能正确反映冻土的许多基本特性。Vialov等[37]根据单轴压缩试验结果，认为幂函数可以描述冻土的应力-应变曲线。Liu等[38]从热力学角度出发，考虑固液界面的相互作用，基于理想塑性理论提出了考虑温度与界面影响的冻土弹塑性本构关系，为考虑冻土水-热-力耦合机制提供了理论依据。Lai等[39， 40]提出了偏平面和子午平面内的屈服函数，并且采用非关联流动准则构建了冻土弹塑性本构关系，理论计算结果与试验结果一致性较高。朱志武等[41]认为冻土的体积屈服面与剪切屈服面各自独立，基于Matsuoka-Nakai屈服准则，提出了一个新的反映冻土破坏特征的屈服函数。
随着研究的深入，学者逐渐开始从新的理论出发解释冻土的变形特性。Chang等[42]将冻土视作典型的复合材料，通过均匀化理论提出了冻土的本构模型，并详细探讨了参数的确定方法。Lai等[43]基于能量耗散理论，通过修正的有效应力建立了临界状态强度函数，并考虑了不同加载过程中初始各向异性转动角对硬化屈服面的影响，提出了不同应力路径下的冻土本构模型。此外，还有学者从复合材料细观力学[44]、损伤力学[45]角度对冻土变形特性进行研究与分析。这类对冻土变形特性的深入研究，将为寒区工程的施工建设提供有效的理论依据。
1.3 冻土动态力学行为研究
在寒区开展的工程如管道、矿井、交通建设等，冻土会不可避免地承受冲击、爆炸等高应变率荷载，因此冻土在高应变率加载下的力学特性会显著地影响寒区工程的有效性与可行性。高应变率荷载是指应变率范围为102～
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