冻土的动态拉伸强度和破坏特性在涉及冻土工程高效破碎和安全稳定性分析领域具有重要的参考价值。为研究负温和加载率对冻土动态拉伸性能的影响，利用铝质分离式Hopkinson压杆试验系统开展了冻土的动态巴西圆盘劈裂试验，结合高速摄像系统，分析了温度和加载率对冻土动态拉伸强度、能量耗散和破坏模式的影响，探讨了冻土巴西圆盘的劈裂破坏机理及动态拉伸强度的影响因素。结果表明：冲击荷载作用下，冻结黏土和冻结砂土巴西圆盘试样均遵循中心起裂的破坏模式，试件破坏为沿轴向相对完整的两半；随着冲击气压的增加，两种冻土的加载率均呈线性增大；两种冻土达到动态拉伸峰值应力所需的时间在92～242μs范围内；两种冻土的动态拉伸强度均存在明显的温度效应和加载率效应，动态拉伸强度随温度的降低和加载率的增加而增大；不同负温条件下两种冻土的吸收能与动态拉伸强度均存在较好的线性关系；冲击气压的增加会导致冻土试样的破坏程度加剧，高剪切应力引起的三角破碎区面积逐渐增大。

冻土对温度有极高的敏感性,在温度影响下其物理性质会产生冻结和融化,而冻土区路桥过渡段由冻土路基与钢筋混凝土结构组成,因其刚度、强度及材料的不同而引起差异性沉降和桥梁的变形,一直是影响青藏铁路安全运营的一大危害。因此,对传统路桥过渡段结构提出一种改进方法,并通过室内模型试验和传统的路桥过渡段进行比对分析。结果表明:经改进后的过渡段结构对地基具有良好的冷却效果,具有较强的自然对流换热效应,在荷载的作用下,新型结构差异性沉降有了明显改善,极大地减少了过渡段结构因差异性沉降所带来的铁路运输危害。

针对适用于低温环境下的配合医用CT实时扫描的冻土三轴仪的不足,研制了新的冻土三轴仪,介绍了其组成及其研发过程中需要克服的技术难点。利用该装置可以完成低温环境下试样的三轴加卸载试验,配合医用CT机时可实现整个力学过程的实时动态扫描。进行了冻结兰州黄土三轴加载实时CT扫描试验,试验结果表明,新研制仪器的各项参数均能满足冻土试样在三轴压缩和卸载过程中的实时CT扫描条件,也能够得到的不同载荷条件下的高质量细观结构CT图像,文中对试验结果进行了分析和讨论。该装置的成功研制为建立细观结构和宏观力学性质之间的联系提供一种新的技术手段。

基于室内实验研究了人工冻土(重塑粉质黏土)在三点式和四点式两种加载方式下加载速率对抗折强度的影响规律。结果表明:两种加载方式下,破坏类型均呈明显的脆性破坏特征,加载速率对破坏特征几乎无影响。三点式加载方式下,抗折强度与跨中最大相对挠度均随加载速率的增大而呈线性增大趋势,试验范围内(加载速率30～75 N/s),加载速率提高1 N/s,强度增大0.023 MPa,跨中最大相对挠度增大0.038;而四点式加载方式下加载速率对抗折强度及试件破坏时跨中最大相对挠度均无影响。仅从研究人工冻土抗折强度基本特性出发,采用四点式加载方式确定其抗折强度更为合理。

通过低温动三轴试验,采用分级加载方式逐级施加动荷载,对不同加载频率、围压和负温条件下青藏冻结黏土和兰州黄土的动应变幅值变化特征进行了试验研究。结果表明,同一级荷载作用下,动应变幅值随振次的增加基本不变,可以采用平均值来反映各级加载下的动应变幅值;不同加载频率、围压和温度条件下,动应变幅值随动应力幅值的变化规律相同,即随着动应力幅值的增加,动应变幅值逐渐增大;动应变幅值随加载频率的增加而减小,但减小的速率逐渐降低,动应变幅值最终趋于一稳定值,对于青藏黏土和兰州黄土,该稳定值均随加载级数的增加而增加;随着围压的增加,青藏黏土的动应变幅值变化不大,而兰州黄土的动应变幅值呈逐渐减小的趋势;动应变幅值随温度的降低而减小。动应力幅值对动应变幅值的影响最大,动荷载振动频率的影响次之,温度的影响第三,围压的影响最小。

基于黏弹性理论,将动态弹性模量的最大值定义为冻土的动模量,通过计算滞回曲线中直线斜率的方法来计算冻土的动模量。通过动三轴试验,对不同频率、围压和负温条件下冻土的动模量随动应变幅的变化规律进行了试验研究,结果表明:在不同频率(0.1～20 Hz)、围压(0.3～2 MPa)和负温(-0.2～-2℃)条件下,青藏黏土的动模量取值范围为393～1749 MPa,兰州黄土的动模量取值范围为101～713 MPa;同一级加载下,动模量随着振次的增加基本不变,可以采用平均值来表征该级加载下的动模量;对于青藏黏土和兰州黄土,不同频率条件下,动模量随动应变幅的增加最终趋于一稳定值,该稳定值随加载频率的增加而增大;不同温度和围压条件下,随着动应变幅的增加,动模量先减小再趋于一个稳定值,该稳定值随围压的变化较复杂,随温度的降低而增大。

为研究冻土单轴加载下的冲击动态力学性质,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)在-28～-3℃不同负温下对人工冻土进行了应变率范围800～1500s-1的冲击实验。获得了人工冻土在不同温度与不同应变率下的应力应变关系,发现人工冻土具有显著的应变率效应和温度效应,即冻土动强度随应变率增大和温度的降低而增大。单轴高应变率加载下,冻土没有明显的屈服现象,加载后试样完全破坏。

冻土的力学参数是与加载条件和加载历史以及温度、含水量等多方面因素有关的过程量,在不同的应力环境中表现出不同的力学特性.研究了加载方式、含水量以及温度对不同试样类型的力学性能的影响.结果表明:不同加载方式对两种试样的抗压强度比值有大致相当的影响,而试样含水量与温度的变化对其比值影响甚微;加载方式的不同使试样破坏应变的比值有较大范围变化,且与试样含水量及温度密切相关.

根据人工冻土力学性能的特点和试验规程,研究在同一台试验机上,设计出冻土单轴抗压强度试验和单轴蠕变强度试验的微机控制系统,系统设置了应力控制加载、应变控制加载和蠕变试验三个独立系统,并可以根据人为要求设定试验参数和微机控制试验;系统记录了全部试验数据,设置了查询、报表和图形等输出功能。文中介绍了冻土试验微机控制系统的关键技术,给出了冻土试验实例,对冻土力学性能的研究以及冻土试验机研制有较好的参考价值。