挪威北海北部在末次冰期存在较大范围的冰盖,其冰盖的加载和卸载会对地表变形和内部应力调整产生重要影响.本文基于Maxwell黏弹性本构关系,根据初应力法自主开发了一套Maxwell黏弹性体有限元程序,它可以考虑重力和构造加载、地球介质弹性的纵向和横向不均匀性以及黏性的分层性,可以计算冰川载荷变化引起的地球表面变形及内部应力状态的变化.利用它研究了挪威北海北部1.1 Ma以来的冰川载荷变化、特别是两万多年以来冰盖的消退引起的地表冰后回弹.结果表明,自2万年以来,冰后回弹效应在冰盖载荷变化的不同阶段呈现明显的时空变化,现今地表垂直变化速率为几个毫米/年,与观测结果一致.下地壳和上地幔的黏弹性松弛效应明显,上地壳的应力状态在现今海岸线两侧存在差异性,水平和垂直正应力变化可达几十兆帕,剪应力变化有一个先增加后迅速减小至零的过程,与古地震、现今地震时空分布及应力测量结果也比较符合,研究结果有助于加深对冰后回弹的动力学过程的认识.

为了研究高温冻土蠕变变形特征以及各影响因素对蠕变的作用,分别在含水量15%、25%及35%,荷载100kPa、200kPa及300kPa,温度-1.5℃、-0.7℃及-0.3℃的条件下开展了室内单轴蠕变试验,分析在无侧限条件下高温冻土在不同温度、荷载及含冰量条件下的蠕变变形特性。结果表明:在当前试验条件下,冻土蠕变变形非常可观,且蠕变曲线都没有出现渐进流阶段;温度是影响冻土蠕变的最重要的外在因素,而含冰量是影响冻土蠕变的关键内在因素;在高含冰量条件下温度及荷载的改变对蠕变速率的影响非常显著,甚至引起量级上的差别。在现有试验条件下,高温冻土蠕变过程可利用Burgers黏弹性模型来较好地描述。

在深入剖析已建立的饱和正冻土水热力耦合模型不足的基础上,结合冻土力学最新研究成果,基于连续介质力学和热力学定律对原模型进行改进以提高其实用性。首先,引入由冻融过程中的动态变量(应变速率)与温变速率构成的黏弹性耗散势,建立了考虑温度影响的冻土骨架的黏弹性本构关系;在此基础上根据多孔多相介质理论,建立了外载及温度共同作用下冻土骨架的质量守恒方程;其次,在考虑冻土骨架(冰)黏弹性耗散和热力耦合耗散以及水分迁移引起的热对流等主要因素的基础上建立了能量守恒方程;最后,综合各方程构建了准饱和正冻土水热力三场耦合控制微分方程,开发了相应的扩展有限元程序3GEXFEM,通过典型室内试验验证了改进后模型的合理性。

为了更好地描述冻土在冲击加载下的动态力学性能及其应力应变关系,将冻土看成是胡克弹簧和Maxwell体的并联组合体,并且引入符合双参数的Weibull分布损伤和Johnson-Cook模型的温度项对所研究的线性黏弹性模型进行了改进。利用分离式霍普金森杆(SHPB)对冻土进行了冲击加载实验,获得了冻土分别在不同温度、相同高应变率以及相同温度、不同高应变率冲击加载下的应力应变曲线,实验表明冻土具有明显的温度效应和应变率效应。对比实验曲线和理论曲线可以看出模型计算结果和实验结果具有很强的一致性,拟合良好,具有较高的工程应用价值。