考虑冻土的非线性断裂力学特征,基于现有J积分测试方法,提出了一种新的冻土非线性断裂韧度的测试方法——修正因子法。在传统方法中J积分可以写成如下表达:J=Je+Jp,其中Je为J积分的线弹性分量,Jp为J积分的塑性分量。Je的计算相对简单;但计算Jp相对困难,原因是其中的参数Up难于确定。为了使计算简单,可将塑性分量改写为Jp=qJe,J积分则改写为J=(1+q)Je,q称为塑性修正因子。该方法通过循环加、卸载试验得到非线性载荷-位移曲线(P-Δ曲线),并由载荷与位移的增量确定修正因子,在获得线弹性分量Je基础上,获得冻土非线性断裂韧度。采用该方法进行了冻土非线性断裂韧度测试,并将测试结果与相关文献结果进行比较,证明了该方法的合理性和有效性。

由于原状冻土处于自然状态下,其本构关系及水分、温度的分布符合实际状态,而且其实际破坏形式往往是非线性的剪切破坏,所以论文采用了非线性冻土断裂实验模型,对自然状态下的原状冻土进行了断裂破坏实验,着重对Ⅱ型断裂(剪切)破坏的四点弯曲直裂纹试样进行了实验研究.实验过程中改造了四点弯曲实验台,采用着色法测量预制裂纹尺寸.实验原理采用基于能量平衡的方法,利用数据采集系统分别测出了原状冻土四点弯曲试样加力点处位移与力的关系曲线以及相应的非线性参数,推导出裂纹扩展非线性能量释放率计算公式,当试样达到承载极限状况时测试出Ⅱ型断裂试样非线性断裂韧度.同时,提出了修正因子计算非线性断裂韧度的方法,将能量方法测试结果与修正因子方法结果进行了对比,二者基本是一致的.以上提出的冻土Ⅱ型断裂非线性断裂韧度测试方法,及获得的非线性断裂韧度测试结果,为非线性理论研究和工程应用提供了依据.

基于能量平衡的原理,采用冻土弯曲断裂试验模型,根据不同深度的冻胀量、冻深与时间变化规律,严格控制试样制作及试验时的温度,对原状冻土进行了断裂韧度测试试验。得出Ⅰ型直裂纹试样的GC和GC*值,从而为原状冻土的非线性断裂破坏问题的研究进行了有意义的尝试,拓宽了思路。

在以往原状冻土现场试验方法的基础上,针对原状冻土的非线性断裂力学特性进行了Ⅰ型和Ⅱ型断裂力学试验。在不同深度的冻胀量、冻深与时间变化规律下严格控制试样制作及试验时的温度,利用动态数据采集系统测出试样加力点处位移与力的关系曲线,并计算出相应的非线性参数。提出了利用非线性修正因子计算原状冻土断裂韧度的方法,并算出Ⅰ型、Ⅱ型直裂纹加卸载试样的非线性断裂韧度,将其与岩石断裂力学中的塑性修正因子方法的计算结果进行了对比,二者基本一致,说明该方法可以用来计算、修正原状冻土非线性断裂韧度,从而为冻土非线性理论的研究拓宽了思路。

冻土是多相体复合材料,土体冻结过程中在内部形成空穴、裂隙等多种缺陷。把这些缺陷简化为冻土中的初始裂纹,应用断裂力学理论和试验方法,研究冻土的非线性断裂过程和特征。结果表明:冻土非线性断裂破坏过程由弹性阶段、微裂纹损伤区形成阶段和软化阶段组成,其中微裂纹损伤区形成阶断是冻土非线性破坏的主要表征。把微裂纹损伤区简化为假想裂纹处理,可称为虚拟裂纹,并考虑冻土中冰晶体胶结力作用,给出冻土非线性断裂破坏的胶结力裂纹模型;讨论胶结力的性质与分布,给出微裂纹损伤区长度确定的方法,为理论分析与数值计算提供依据。同时,还对胶结力裂纹模型涉及的非线性断裂韧度指标δC进行测试,给出相应测试方法和结果。

针对原状冻土没有被扰动、土体内在微细观结构没有发生变化的特点,给出了试样制备与加工、初始裂纹预制及采用着色法测量裂纹尺寸的新方法.通过对当地土质进行分层冻胀量的观测,得出了不同埋深处冻胀量、冻深与时间的关系,并以此来严格控制试样制作及试验时的温度,以保证试验时试样的温度变化与实际相同深度冻土层温度变化一致.利用改造后的试验装置得到原状冻土I型断裂韧度KIc值,说明了该试验方法是可行的.

在讨论冻土脆性破坏特征的基础上,分析了线弹性适用条件及平面应变断裂韧度测试对试样尺寸的要求。在测试方法上,详细说明了试样的制备,条件载荷值Pq的确定以及实验过程的一些细节问题。最后就冻结黄土KⅠc(Kq)测试结果,分析了KⅠc(Kq)与温度、含水量及加载速率的关系