三维复杂循环应力状态下冻土疲劳破坏行为研究取得新进展
发表日期:2024-03-13来源：
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多年冻土区和季冻区边坡、路堤、地基等服役工况处于复杂三维应力状态下，研究三维应力状态冻土体在地震和车辆等动力荷载下的稳定性对寒区工程设施的运营维护和灾害防治具有重大实际意义。冻土的各向异性动力学特征受原生组构各向异性和次生三维应力路径、状态共同影响，在循环荷载下冻土的变形行为和疲劳破坏特性对其所处的三维应力环境具有强烈的依赖性。而传统的冻土力学研究设备无法模拟复杂三维应力环境，使得处于复杂三维应力状态下冻土动力稳定性研究停滞不前。
基于上述科学问题，中国科学院西北生态环境资源研究院科研团队采用冻土空心圆柱设备模拟主应力偏转角、中主应力系数和大主应力幅值恒定的循环应力状态（图1），系统研究了-6 条件下三维应力参数（主应力偏转角和中主应力系数）对冻结青藏粉质粘土变形行为（图2）、应力应变特征（图3）、损伤演化发展规律及疲劳破坏特性的影响。研究结果表明，三维应力参数对冻土的变形行为具有极为显著地影响，并对冻土的疲劳破坏进程具有明显的加速作用（图4）。传统的冻土动力学研究方法所获取的测试结果往往会高估复杂三维应力状态下的冻土抵抗变形和疲劳破坏的能力。该研究成果有助于提升对高路堤边坡下的冻土地基、冻土基坑、边坡，以及在地下工程施工中遇到的人工冻结体等处于复杂三维应力状态下的冻土在地震及车辆等荷载扰动下稳定性的认识。
该成果以The damage and fatigue behaviors of frozen soil under combined cyclic compression (tensile)-shear conditions为题发表在期刊International Journal of Fatigue上。西北研究院刘富荣助理研究员为论文第一作者，周志伟研究员为论文通讯作者，马巍研究员等为论文共同作者。该研究获国家自然科学地区联合基金、国家自然科学青年基金，中国科学院西部之光等项目共同资助。
图1 循环荷载下恒定中主应力系数与主应力偏转角的应力环境模拟（以 =30 ，b=0.5为例）
图2 不同中主应力系数下轴向与扭转剪切向应变随循环加载次数的变化
图3 循环加载过程的全程应力-应变特征
图4 破坏振次与试样破坏时的应变
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