对土在冻结过程中孔隙水的相态演变过程进行了分析,并在研究显热、潜热物理本质的基础上,将冻土进一步划分为冻结土和冻实土。根据潜热的物理意义指出,随土温从一般地温逐渐降低至较大负温,土的比热应该分段计算,即分为融土阶段、冻结阶段和冻实阶段。在融土阶段,孔隙水始终为液态;在冻结阶段,存在可以进一步冻结为冰的液态水;在冻实阶段,不再存在进一步可能冻结为冰的液态水。因此,冻结土的进一步降温将同时伴有显热释放和潜热释放。而在冻实土中,进一步的降温只伴有显热释放。在此基础上,基于混合物比热容的加权叠加法则,研究了冻土的比热构成,给出了涵盖潜热的冻土比热计算方法。
根据已有冻土试验资料,建立描述冻土粘弹塑性特征的本构模型,给出本构参数的确定方法。首先,推导本构模型的微分列式并根据不同加载条件求解微分方程。其次,设计不同加载条件的冻土试验,以测定应力应变曲线,或应力随时间、或应变随时间曲线。然后,根据以等应变率下的试验曲线为例研究讨论了在不同条件下确定本构参数的方法。包括:在等应变率加载条件下,根据应力应变曲线或应力时间曲线确定本构参数;在等应力加载条件下,根据应力应变曲线或应变时间曲线确定本构参数;在应变率为零时,利用松弛曲线确定本构参数;在应力率为零的条件下,利用蠕变曲线确定本构参数。
借助模型分析,通过等应变率下对不同含水量、不同温度的兰州粉结冻土试样在单轴加载条件进行应力测试,得到应力应变曲线。根据粘弹塑性体模型,结合试验曲线特征,选择应力应变的方程形式。以其中一个组典型的试验结果为例进行拟合数据处理,获得拟合的应力应变曲线,确定方程中的参数。再将方法用于不同情况下的实验曲线处理,得到10%和20%两种含水量;-10oC和-20oC两种试验温度下冻土试样的测试的应力-应变三阶段全过程本构方程。结果表明,由此得到的方程能很好地描述冻土的材料特性。
