冻土动力学越来越成为冻土力学的一个重要分支，是冻土区建筑物抗震、交通基础设施（如铁路、公路）等设计的重要依据，其研究成果对寒区工程有重要意义。本书首先介绍了多年冻土区工程现状和冻土动力学研究进展，其次介绍了动三轴实验、动直剪实验、空心扭剪实验的原理和方法，以及测试冻土动力学参数的共振柱法和波速法，然后通过动三轴实验和动直剪实验结果，总结了冻土动力学动本构关系，分析了温度、围压、含水率、振动次数等影响动力学参数的因素，最后研究了高温冻土的动强度，得到了不同温度、围压、振动次数下土体的动强度参数，并重点分析了温度和振动次数对动强度的影响规律。 本书可供冻土科学研究工作者、工程技术人员以及相关学科的高校师生参考。

第1章 绪论
　　极地、亚极地以及中低纬的高山、高原地区，受大陆性气候条件的影响气温低，形成两年以上处于0℃或0℃以下并含有冰的冻结土层，称为多年冻土。全球多年冻土总面积约为300万km2，占地球大陆面积的25%。北半球冻土分布面积较大，俄罗斯和加拿大是冻土分布*广的国家。我国多年冻土主要分布在东北的北部地区、西北高山区及青藏高原地区。人们在这些多年冻土地区开展了大量水利、交通和油气管线、输电线路等基础设施建设工程，比如，俄罗斯的横跨西伯利亚的铁路，中国的青藏铁路，等等。在这些工程建设过程中，都遇到了与多年冻土力学特性相关的工程技术问题，由此形成了冻土力学这一学科，该学科主要研究涉及工程的冻土的强度与变形特性等的静力学性质，崔托维奇[1]、维亚洛夫[2]等先驱们开展的早期开创性的冻土强度和变形等方面的研究，奠定了冻土力学的基础，之后不同年代的学者们，尤其是中国学者如吴紫汪[3]、陈肖柏等[4]、赖远明等[5]、马巍等[6]都丰富了冻土力学的内涵。
　　我国在多年冻土地区基础设施建设方面积累了丰富经验，但之前的工程建设标准普遍较低，多数是基于静荷载分析，且没有考虑动荷载作用。对于铁路、公路而言，列车和车辆产生的动荷载是一种动力作用，必须考虑其动力学作用机理。随着国民经济的发展，交通运输量逐年增加，路基所承受动荷载作用的频率和幅值也越来越大，因此为了保证冻土区建筑物及基础设施安全运行及维护，必须对冻土在动荷载作用下的行为有明确的了解，才有可能提高冻土地基上的建筑物及基础设施的安全性和稳定性。在国外阿拉斯加、加拿大等地的多年冻土地区也同样存在这样的冻土动力学问题。另外，青藏高原多年冻土地区是地震多发地区，地震荷载作用下基础设施的动力响应与安全评价也是一个事关人民生命财产安全的重要问题。青藏高原地震活动区和多年冻土区的重叠范围很大，了解地震条件下多年冻土地基上建筑物和基础设施的安全性和稳定性，研究冻土区地震反应，对冻土区构筑物建设和维护有着十分重要的工程意义，这就是冻土动力学的研究任务。
　　冻土动力学逐渐成为冻土力学的一个重要分支，它主要研究冻土的动力学特性，包括在动荷载作用下冻土的强度、变形特征及土体稳定性，是冻土区构筑物抗震设计、冻土区交通基础设施如铁路、公路设计的重要依据，其研究成果对寒区工程设计有重要意义。目前冻土动力学的研究基本上汲取了常规土动力学的思路，随着冻土区铁路、公路等的大力发展，形成了一个热门的研究方向。季节性温度状态的变化也会带来应力应变状态的改变，有时这种改变是灾害性的，影响着这些基础设施的服役性能。另外，无论是青藏高原多年冻土，还是东北地区的多年冻土乃至极地多年冻土，其强度和工程性质都受全球气候变化的影响而发生着缓慢变化，这也对冻土地区基础设施有着重要影响。这种温度变化及气候暖化对冻土区构筑物稳定性有很大影响，厘清多年冻土退化与地震灾害及灾害链演化规律，提出应对措施，提升多年冻土区线性工程的长期服役性能，从广义上也属于冻土动力学的研究范畴。
　　1.1 多年冻土区工程现状
　　冻土是指温度低于0℃且含有冰的土或岩，冻土中冰存在的形态多种多样，既有微米级的冰晶，也有米级的冰层[7]。作为一种不稳定的特殊土，冻土的性质不仅取决于土颗粒的尺寸、矿物成分、密度和含水率等，更与温度密切相关[8-9]。冻土性质与温度的关系体现在以下三个方面。
　　**，由于同样质量的冰其体积比水大，当温度降低到冻结点以下时，土中液态水在转变为冰的过程中会发生体积膨胀，再加上可能水分迁移的冻结，进而导致土体发生膨胀而形成冻胀。相反，冻土在升温过程中冰融化为水并排出，土体的体积发生收缩，产生融化下沉。
　　第二，随着土体温度的继续降低，孔隙冰含量随之增加。冰作为一种胶结材料，会将相邻的土颗粒胶结在一起而使得土体的模量和强度增加。
　　第三，除了冻土的力学性质外，土中冰的存在减少了土中的孔隙，起到了隔绝水分的作用，降低了土体的渗透性。而由于冻融过程伴随着土的三相体系和四相体系之间的转变，以及相应的比例变化，土体的导热性、导电性等力学以外的性质也会发生变化。由于人类活动和自然气候的变化，冻土的温度不可避免地会受到影响，其各种性质也体现出随环境温度动态变化的显著特征。
　　冻土按其冻结时间的长短和连续性，可以分为短时冻土、季节性冻土和多年冻土。短时冻土是指存在时间只有数小时、数日的冻土。季节性冻土是指在冬季表层冻结，夏季全部融化的天然土体。多年冻土是指持续两年或两年以上保持冻结状态的天然土体，通常夏季表层融化而深层依旧保持冻结。全球陆地面积约50%为这三种冻土覆盖，多年冻土区域占陆地面积约25%。我国境内的冻土分布也很广泛，季节性冻土和多年冻土分布于长江流域以北的广阔区域，占了国土面积大约75%，而多年冻土区域主要分布在大小兴安岭地区和青藏高原，占国土面积约21.5%，我国各地区多年冻土分布面积如表1-1所示。大小兴安岭地区多年冻土面积约38万km2，为高纬度冻土区，是欧亚大陆多年冻土带的南缘，其分布特征受纬度控制，纬度越高则冻土面积越大越连续，冻土厚度越大，符合高纬度冻土区的特征；青藏高原是全球唯一的大规模高海拔多年冻土区，其冻土的分布受海拔高程的控制，海拔越高的地方冻土面积越大，冻土厚度也越大[10]。
　　表1-1 我国各地区多年冻土分布面积（国家青藏高原科学数据中心[11]）
　　冻土在工程上的不利方面主要在于其力学性质随着季节温度的变化而发生改变[12-13]。对于季节性冻土而言，一年四季冻融循环导致土体的季节性冻胀和融沉，给实际工程带来了周期性的变形，而且由于冻胀和融沉有累积效应，其不利变形往往随着时间推移而愈演愈烈，*终可能导致工程失效。对于多年冻土而言，工程建设不可避免地带来土体热状态的改变，如土体的开挖和填筑、工程本身的传热以及运营中的热源作用，都在一定程度上改变着土体中的温度场分布，从而导致各种建筑物的变形或失效。全球气候暖化也给多年冻土带来退化，引起建筑物的不稳定[14]。
　　我国在多年冻土地区存在着大量的工程建设等国民经济活动。无论在东北的多年冻土地区，还是青藏高原的多年冻土地区，都分布着各种各样的水利、公路、铁路、工业与民用建筑等方面的基础设施。在东北多年冻土区有牙林线、嫩林线等林区铁路，中俄输油管道，国道及地方公路，等等。在青藏高原的多年冻土地区有著名的青藏公路、青藏铁路以及青藏输电线路等重要工程[15]。青藏公路自1954年通车以来，一度是进出藏*主要通道上唯一的运输线，对西藏地区的社会发展、政治稳定、经济繁荣、民族团结和我国的西南边防建设起到了重要作用。2006年建成通车的青藏铁路格拉段全长1142km，东起青海格尔木，西至西藏拉萨，其中多年冻土地段550km，海拔4000m以上的路段960km，铁路*高点海拔5072m翻越了唐古拉山，是世界上在冻土上路程*长、海拔*高的铁路。
　　铁路、公路等基础设施都在承受着列车或车辆动、静荷载的共同作用，季节性温度状态的变化也会带来应力应变状态的改变[16-17]。全球气候变暖是当今国际社会十分关注的问题，从20世纪40年代以来，青藏高原的气温波动与北半球变化大致相同均持续升高，全球平均气温升高0.5～1.0℃。气候学家通过近100年以来全球气温变化*线证明，整个20世纪全球气候变暖是不争的事实，其中20世纪中叶以来*暖的一年是1998年，甚至被一些学者称为千年来*暖的一年。在全球气候变暖的背景下，青藏高原气候亦随之转暖并影响着高原多年冻土发育和分布，而高原多年冻土厚度、温度及空间分布的变化则是对气候变化的直接响应。人类工程活动中铲除植被、地表开挖、修筑路堤等，都会对冻土地层产生强烈的热侵蚀作用，维持数千年的土体与大气的热交换平衡被打破，由于地-气相互作用直接影响地层温度场，使得冻土温度场发生变化，导致地温平衡状态被破坏。温度处于负温，接近相变温度的冻土称为高温冻土（？1.0～0℃），由于其温度区间处于冻土的剧烈相变区，冻土中冰和未冻水的比例对温度的变化极其敏感，因此，高温冻土的力学性质极不稳定[18-20]，既要保证冻土路基的热稳定，同时还要保持路基的长期稳定，这是多年冻土区路基工程研究的热点问题。
　　当冻土退化过程受到外在因素的影响时，其退化速度会明显高于天然状态，这一点在青藏公路的路基下部表现得尤为明显。青藏公路沿线冻土地温监测结果指出，从20世纪70年代初期到90年代中期，青藏公路沿线的连续多年冻土区年平均地温约升高了0.1～0.3℃；而岛状多年冻土区、融土区及季节性冻土区的年平均气温大约提高了0.3～0.5℃。青藏高原的西大滩地带，1983年的钻探资料显示多年冻土底板埋深约为24～25m，而现在重现钻探的资料显示多年冻土底板埋深为20m，上升了约5m，年平均地温上升约0.2～0.3℃。按照这种发展趋势，预计到2050年以后，整个青藏高原年平均气温会提高2.2～2.6℃，青藏高原冻土将会发生巨大的变化，多年冻土分布下界将升高15～20m，目前小于10m厚的多年冻土层大体上已消融；局部地段变成深埋藏（埋深大于10m）的多年冻土，青藏高原多年冻土总面积明显减小，而目前的岛状多年冻土区大部分将不复存在；同时冻土强度降低，承载力下降，工程稳定性变差，当前不稳定型和过渡型多年冻土将大部分演变为“高温冻土”，冻土退化过程将对冻土路基稳定性产生的破坏作用[21-23]，动荷载作用会加剧不利影响。
　　青藏高原是我国地震强度*大、活动水平*高的区域。从有记载起，自公元前193年至2001年共发生M≥8级地震4次，M≥7级的地震约60次。强地震活动在空间和时间上分布得非常不均匀。20世纪以来青藏高原已经历了6个震级大于6的活跃期，7级以上地震发生在每个活跃期之中，其活动时间一般为7～10年。7级以上地震*短时间间隔1年，*长11年，并有成组及丛集的活动特点。7级以上大震，明显受规模宏大的活动性构造带控制，具有成带分布的特点[24-25]，多年冻土的退化、叠加地震等动力作用势必会给冻土地基上的交通基础设施带来安全隐患。
　　由于我国寒区工程经济活动相对落后，冻土地区构筑物抗震稳定性问题并没有被充分地重视，研究资料极为匮乏。随着近年来我国寒区工程建设的不断发展，冻土区构筑物抗震稳定性成为工程建设必须面对和解决的问题，高温冻土动力特性的研究也在不断深入。
　　1.2 冻土动力学研究进展
　　与冻土静力学相比，冻土动力学特性研究起步较晚。20世纪80年代末期，我国学者才开始研究冻土的动应力、动强度以及冻土动蠕变特性等问题[26-27]。冻土与一般土相比较为特殊，因为它的成分、组构、热物理及力学性质极易受温度和时间的影响。而处于退化边缘的高温冻土（年平均地温？1.0～0℃），由于内部的水分随温度的变化在一定条件下会发生相变使得其性质更为复杂。因此在高温冻土地区，动荷载对于路基稳定性和列车运营速度的影响是很大的，开展高温冻土路基在动荷载作用下的变形分析显得非常必要。
　　冻土力学的研究始于20世纪30年代的苏联，从20世纪60年代开始，以崔托维奇和维亚洛夫为代表，在冻土静力学方面取得了大量的成果。崔托维奇著有《冻土力学》[1]一书，该书提出了解决实际工程问题的方法，系统地论述了冻土力学的基本现状、变形特征、冻土强度等，提出了冻土的瞬时强度、长期强度等概念，以及冻土的流变特性等。维亚洛夫教授长期从事冻土流变方面的研究，奠定了冻土流变学的基础，在其晚年双目失明的情况下出版的《冻土流变学》，是其毕生研究工作的总结，出版的过程也非常感人，由维亚洛夫教授口述，莫斯科大学Roman教授记录成稿。Andersland和Ladanyi在20世纪90年代出版的《冻土工程》详细地介绍了冻土相关的物理、力学概念，给出了测试方法以及地基、基础和边坡、路基等典型寒区工程的设计与施工。莫斯科大学Roman教授在2002年出版的《冻土力学》重点在冻土流变学、冻土破坏动力学以及冻土长期

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 多年冻土区工程现状 2
1.2 冻土动力学研究进展 5
1.3 小结 12
参考文献 12
第2章 冻土动力学实验方法与设备 15
2.1 冻土动力测试环境的创建与动荷载形式 15
2.2 冻土动三轴实验原理与方法 17
2.2.1 冻土动三轴实验原理 17
2.2.2 冻土动三轴实验方法 22
2.3 冻土动直剪测试方法 29
2.4 复杂应力状态的模拟-温控空心扭剪实验 50
2.5 冻土动力学参数测试的共振柱法 53
2.6 冻土动力学参数测试的波速法 54
2.7 小结 55
参考文献 55
第3章 冻土动应力-动应变关系 58
3.1 冻土动应力-动应变模型 58
3.1.1 动应力-动应变关系的基本特征 58
3.1.2 Iwan模型 63
3.1.3 Ramberg-Osgood模型 65
3.1.4 Davidenkov模型 66
3.1.5 Hardin-Drnevich模型 67
3.2 动应力-动应变*线及其影响因素 72
3.2.1 基于动三轴实验的应力-应变*线 72
3.2.2 基于动直剪实验的应力-应变*线 77
3.2.3 温度对动应力-动应变*线的影响 81
3.2.4 围压对动应力-动应变*线的影响 82
3.2.5 含水率对动应力-动应变*线的影响 83
3.2.6 振动次数对动应力-动应变*线的影响 84
3.2.7 频率对动应力-动应变*线的影响 85
3.3 动模量及其影响因素 86
3.3.1 温度对*大动剪切模量的影响 89
3.3.2 围压对*大动剪切模量的影响 93
3.3.3 含水率对动弹性模量和动剪切模量的影响 96
3.3.4 振动次数对*大动剪切模量的影响 97
3.3.5 频率对动弹性模量的影响 100
3.3.6 动剪切模量与动剪应变关系*线及其影响因素分析 101
3.3.7 *大动剪切模量的影响因素分析 104
3.4 动阻尼比及其影响因素 108
3.4.1 温度对*大阻尼比的影响 108
3.4.2 围压对*大阻尼比的影响 112
3.4.3 含水率对阻尼比的影响 113
3.4.4 振动次数对*大阻尼比的影响 114
3.4.5 频率对阻尼比的影响 116
3.4.6 阻尼比与动剪应变关系*线及其影响因素分析 116
3.4.7 阻尼比的影响因素分析 118
3.5 参考剪应变及其影响因素 123
3.5.1 温度对参考剪应变的影响 123
3.5.2 围压对参考剪应变的影响 125
3.5.3 振动次数对参考剪应变的影响 127
3.6 小结 128
参考文献 128
第4章 冻土动强度特性 130
4.1 冻土动强度理论 130
4.2 冻土动强度及其影响因素 134
4.2.1 基于动三轴实验的高温冻土动强度研究 134
4.2.2 基于动直剪实验的高温冻土动强度研究 147
4.2.3 基于空心扭剪实验的高温冻土动强度研究 155
4.3 冻土动黏聚力及其影响因素 158
4.3.1 温度对动黏聚力的影响 158
4.3.2 振动次数对动黏聚力的影响 161
4.4 冻土动内摩擦角及其影响因素 164
4.4.1 温度对动内摩擦角的影响 164
4.4.2 振动次数对动内摩擦角的影响 166
4.5 冻结盐渍土动强度准则 168
4.5.1 盐分及围压对动强度的影响 168
4.5.2 盐分及围压对动黏聚力及动内摩擦角的影响 171
4.6 小结 171
参考文献 172