复杂循环应力路径下冻土力学特性及模型研究获新进展
发表日期:2025-03-13来源：冰冻圈科学与冻土工程全国重点实验室
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冻土是由土壤颗粒、冰、液态水和气体组成的四相复合体，其力学性质显著依赖于温度、应力状态及环境条件等多种因素。在循环动荷载作用下，冻土内部结构会逐渐破坏，导致累积塑性应变不断增加，进而引发冻土工程基础设施等一系列病害，严重威胁其长期服役性能。然而，传统的循环荷载下冻土累积塑性应变研究集中于单向循环荷载作用下的力学响应，忽视了实际工程中冻土所承受的复杂动荷载特性，例如交通、地震和波浪荷载等引起的应力路径变化。这些复杂动力荷载不仅导致主应力方向的变化，还伴随着应力幅值的耦合变化，而传统研究方法难以真实反映冻土在现场条件下经历的复杂应力路径，限制了其工程适用性和预测精度。
基于上述科学问题，为揭示复杂循环应力路径对冻土累积塑性应变的影响，中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程全国重点实验室研究团队利用国内首台FHCA-300冻土空心圆柱仪，模拟了五种典型循环应力路径：三轴循环（TCSP）、圆形循环（CCSP）、定向循环（DCSP）、椭圆形循环（ECSP）和心形循环（HCSP），分别对应单向振动、波浪、地震、交通荷载。试验在-1.5 ℃、-6 ℃和-15 ℃三种温度下进行，通过控制轴向力、扭矩和围压，量化了不同应力路径对冻土变形的影响，并建立了考虑应力路径依赖性的冻土累积塑性应变预测模型。
研究结果表明，冻土的累积塑性应变具有较为强烈的应力依赖性，不同循环应力路基影响显著。按破坏性程度从高到低排序为：定向循环（DCSP）＞椭圆形循环（ECSP）＞心形循环（HCSP）＞圆形循环（CCSP）＞三轴循环（TCSP）。其中，在-1.5 ℃时，定向循环（DCSP）下轴向累积塑性应变达11.86%，比三轴循环（TCSP）下高4.71%。温度升高会显著加剧冻土变形，同一应力路径下，-1.5 ℃时的应变远高于-15 ℃。
研究团队还提出了一种基于最大剪切应力（qₘₐₓ）和主应力轴方向角（α）的量化模型，该模型通过动态积分主应力轴角的影响，显著提高了复杂应力路径下冻土变形的预测精度，较传统模型（如Monismith模型：
）误差大幅降低。
该研究成果以Effect of complex cyclic stress path dependency on cumulative plastic strain for frozen soil: laboratory simulation and model prediction为题，发表于Acta Geotechnica期刊上。西北研究院博士生王亚鹏为论文第一作者，陈敦副研究员为通讯作者，马巍、李国玉、周志伟、穆彦虎研究员为共同作者。该研究得到了国家自然科学基金和科技部基础资源调查专项等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1007/s11440-025-02531-z.
复杂循环应力路径的加载参数变化与模拟
改进预测模型与其他经典模型在复杂循环应力路径下的累积塑性应变
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