在冻土地层钻探过程中,不合理的作业方案可能引发井壁坍塌、井口沉降等一系列工程问题,而弄清深层冻土力学演化规律是施工设计的基础。为此,用漠河冻土重塑了不同深度冻土的模拟岩样,开展了不同围压、温度条件下的冻土三轴力学试验,分析了不同条件下的冻土应力–应变曲线特征。通过多元回归方法对冻土强度进行了统计分析,进一步构建了冻土强度准则。研究发现:模拟岩样的应力–应变曲线整体呈非线性变形特征,在冻结状态下,温度、围压对土体强度起主要作用;非冻结状态下,其强度由围压和土体深度决定;冻土强度由土体骨架强度和孔隙中冰的胶结强度构成,其骨架强度满足MohrCoulomb强度准则,内聚力、内摩擦角随深度增加而增大;孔隙中冰的胶结强度随环境温度降低而增强,随围压增加呈先增强后减弱的趋势。基于此构建了漠河冻土强度准则,验证结果表明,可以较好地表征漠河冻土融化–冻结状态下的强度分布。

冻土的强度是寒区工程中普遍关心的力学参数.研究表明,温度、含水量、应变速率和围压是影响冻土强度的主要因素,引用前人文献中的试验数据,分析了不同因素对冻土强度的影响规律;研究发现冻土的破坏形式与融土相似,然而其影响因素及机理不同;目前已有的冻土强度准则都是由融土的相关理论发展而来,但是由于涉及影响因素众多,强度准则尚待进一步研究改进.

冻土与融土的主要区别是冰,温度变化影响着孔隙冰含量,进而影响着冻土的物理力学性质.广义非线性强度准则用一个表达式描述了材料在π平面及子午面上的非线性强度特性,其在主应力空间的π平面上的破坏函数为介于SMP准则和Mises准则之间的光滑曲线,子午面上的破坏函数为幂函数曲线.在该准则的框架下,通过国内学者已取得的冻土材料的三轴试验结果,研究冻土子午面上各参数随温度变化的规律,并验证该强度准则对于冻土材料的适用性.

对青藏高原黏土在温度为-0.5～-6.0℃,含水率为30.0%～80.0%条件下,进行了一系列的三轴抗压强度试验,分析了不同加载条件下高含冰量冻土的强度随围压、温度和初始含水率的变化规律。研究发现,其力学性质与初始含水率和温度有密切关系,在温度低于-1℃时存在最不利含水率。同时发现相同温度下,强度随围压变化不大,故可以用Mises准则作为其强度准则。给出了随温度、含水率变化时,高含冰量冻土的Mises准则的表达式。采用塑性功作为硬化参数,得到了高含冰量冻土的弹塑性本构模型。与试验值对比表明,该模型能够比较准确地反映高含冰量冻土的应力应变规律。

在分析冻土形成过程及其组构前提下,从冻土细观结构特征出发,将冻土视为由冰层与干硬土层黏结组成的横观各向同性固体介质。根据复合材料力学理论,求出冻土各向同性面内及面外的弹性模量和泊松比;基于Tsai-Wu准则,预测了横观各向同性冻土的强度。根据实验数据,分析了不同组分对冻土弹性常数及强度的影响。在工程应用中可根据环境温度及土质、系统有无水分补给、温降速度与冻结速率是否同步、冻土受力方向与冻结封面方向的具体情况选用即可,从而大幅降低室内外试验次数。为冻土工程数值计算奠定了基础,为进一步了解冻土力学特性提供了理论依据。

基于莫尔–库仑强度理论且考虑应力叠加原理,并引入2个基本力学概念——平均正应力、偏应力,研究并建立了能够同时考虑地震动正应力、动剪应力和土的自重静正应力、静剪应力联合作用的冻土路基地震破坏判别的应力强度准则。由青藏铁路典型冻土路基剖面的算例判别结果表明,所建立的应力强度准则具有一定的置信度。