《凍土斷裂破壞準則及其試驗研究》主要從斷裂力學理論出發，在考慮凍土自身特點的基礎上，建立凍土破壞的統一模式，并通過現場原狀凍土的Ⅰ型、Ⅱ型斷裂韌度測試及對翼型裂紋試樣研究，得到其對試樣斷裂韌度值影響的規律。此外，針對原狀凍土的非線性斷裂破壞，充分考慮凍土特有的膠結力作用，提出凍土非線性膠結力斷裂破壞模型，然后對表征膠結力裂紋模型的裂紋尖端張開位移表達式及裂紋尖端擴展表達式進行推導計算，再結合有限元法，提出一種新的計算方法，從而為凍土工程應用提供更堅實的理論基礎。
《凍土斷裂破壞準則及其試驗研究》可供從事凍土力學及凍土工程方面的科學研究與工程技術人員參考，也可作為相關專業的研究生、本科生的教學參考書。
序
前言
第1章緒論1
1.1研究背景及意義1
1.1.1研究背景1
1.1.2研究目的及意義3
1.2斷裂力學理論及其應用現狀4
1.2.1線彈性斷裂力學理論4
1.2.2彈塑性斷裂力學理論5
1.2.3斷裂力學對復雜材料的應用研究5
1.3凍土力學研究現狀7
1.4凍土斷裂力學研究現狀9
第2章凍土斷裂破壞準則研究11
2.1凍土傳統抗剪強度理論11
2.1.1莫爾-庫侖強度理論11
2.1.2莫爾-庫侖強度理論存在的局限性13
2.2斷裂力學理論對凍土材料的適用性13
2.2.1凍土材料自身的適用性14
2.2.2滿足小范圍屈服的條件17
2.2.3實際工程問題中的適用性18
2.3凍土斷裂破壞準則19
2.4凍土斷裂破壞準則研究的問題23
2.4.1張拉強度破壞問題23
2.4.2剪切強度破壞問題24
2.4.3拉、剪復合型強度破壞問題24
2.4.4壓縮斷裂強度破壞問題24
2.5小結26
第3章凍土彎曲斷裂韌度試驗研究27
3.1原狀凍土現場測試方法27
3.1.1現場取土27
3.1.2試樣初始裂紋的制作28
3.1.3試樣裂紋長度的測量28
3.1.4試驗裝置29
3.2原狀凍土斷裂韌度測試原理29
3.2.1I型斷裂韌度KIC測試原理29
3.2.2II型斷裂韌度KIIC測試原理31
3.2.3復合型斷裂韌度測試原理32
3.3大連地區原狀凍土斷裂韌度測試試驗33
3.3.1土質分析33
3.3.2凍結歷史的確定33
3.3.3I型斷裂韌度KIC測試結果34
3.3.4II型斷裂韌度KIIC測試結果36
3.3.5復合型斷裂韌度測試結果37
3.4沈陽地區原狀凍土斷裂韌度測試試驗37
3.4.1土質分析37
3.4.2凍結歷史的確定38
3.4.3I型斷裂韌度測試結果39
3.4.4II型斷裂韌度KIIC測試結果40
3.4.5復合型斷裂韌度測試結果41
3.5室內重塑凍土斷裂韌度的測試41
3.5.1試驗方法42
3.5.2斷裂韌度試驗43
3.6現場測試與室內測試結果比較49
3.6.1斷裂韌度KIC的比較49
3.6.2斷裂韌度KIIC的比較50
3.7凍土非線性應變能釋放率測試51
3.7.1凍土非線性斷裂韌度（應變能釋放率GC）的測試原理51
3.7.2凍土非線性斷裂韌度測試結果54
3.8凍土非線性斷裂韌度J～IC及J～IIC試驗58
3.8.1凍土非線性斷裂韌度測試原理59
3.8.2試樣制作及試驗裝置62
3.8.3原狀凍土非線性斷裂韌度試驗結果62
3.8.4兩種方法試驗結果的比較分析64
3.9小結65
第4章凍土壓縮斷裂韌度試驗研究66
4.1翼型裂紋壓縮斷裂模型66
4.2試驗原理67
4.2.1壓裂斷裂模型試驗原理(方法一)67
4.2.2壓剪斷裂模型的試驗原理(方法二)68
4.3試驗設計70
4.3.1試樣制備70
4.3.2試樣初始裂紋的制作70
4.3.3試驗裝置71
4.3.4測試數據71
4.4對試驗原理（一）所得結果的討論75
4.4.1斜裂紋角度對KIC值的影響75
4.4.2試驗溫度對KIC值的影響77
4.4.3試樣加載速率對KIC值的影響78
4.5對試驗原理（二）所得結果的討論79
4.5.1斜裂紋角對KIC和KIIC值的影響79
4.5.2試驗溫度對KIC和KIIC值的影響81
4.5.3試樣加載速率對KIC和KIIC的影響83
4.6兩種方法結果比較84
4.6.1斜裂紋角對KIC值影響的比較84
4.6.2試驗溫度對KIC值影響的比較86
4.6.3試樣加載速率對KIC值影響的比較87
4.7原狀凍土的壓縮試驗89
4.7.1試驗設計89
4.7.2試樣制作89
4.7.3試驗裝置89
4.7.4測試結果90
4.8小結91
第5章凍土非線性斷裂破壞的膠結力裂紋模型及其特征值計算92
5.1凍土微裂紋尺寸的觀測與識別93
5.1.1凍土中微結構的觀測與微裂紋識別93
5.1.2凍土中微裂紋尺寸的確認95
5.2凍土裂紋尖端微裂紋損傷區形貌測試分析98
5.2.1微裂紋損傷區觀測試驗99
5.2.2微裂紋損傷發展過程分析100
5.2.3凍土的微裂紋損傷區的理論計算102
5.2.4微裂紋損傷區轉化當量裂紋尺寸的計算104
5.3凍土張拉破壞的膠結力裂紋模型105
5.4凍土壓縮破壞的膠結力裂紋模型106
5.4.1翼型裂紋試樣的宏觀斷裂過程研究107
5.4.2翼型裂紋壓縮斷裂模型108
5.5膠結力裂紋模型特征值計算110
5.5.1膠結力裂紋模型裂紋尖端位移場解析表達式110
5.5.2裂紋尖張開位移表達式115
5.5.3裂紋擴展位移表達式117
5.6小結120
第6章凍土非線性斷裂破壞數值模擬121
6.1斷裂力學主要的算法研究121
6.1.1數值計算方法121
6.1.2半解析數值方法的研究126
6.2凍土非線性斷裂過程的數值模擬的計算方法127
6.2.1張拉型及壓縮型的破壞過程數值模擬方法127
6.2.2 I-II混合型的數值模擬130
6.3數值算例133
6.3.1三點彎曲梁模型133
6.3.2壓縮模型結果135
6.3.3 I-II復合型斷裂試樣的數值模擬結果137
6.4小結138
第7章結論139
7.1研究的主要結論139
7.2主要創新點141
7.3不足及后續研究建議143
參考文獻146
第1章緒論
根據工程斷裂力學中應力強度因子理論［1］，將斷裂韌度引入凍土中，針對凍土這種同時包含固、液、氣三相體的極其復雜的材料，斷裂力學思維的引入［2］，同時運用試驗手段對原狀凍土、重塑凍土進行各種模型的線性和非線性測試，能夠從斷裂力學的角度研究凍土中斷裂的發生、發展和破壞的機理，從而在豐富和發展現有凍土力學研究的基礎上，擴大凍土力學的研究領域，這必將為凍土工程的設計、施工及工程凍害評價和防治提供新的方法和手段，這已成為凍土力學新的研究課題和方向。
1.1研究背景及意義
1.1.1研究背景
凍土是一種溫度低于零攝氏度且含有冰的土巖，是由固體礦物顆粒、理想塑性的冰包裹體（膠結冰和冰夾層）、未凍水（薄膜結合水和液態水）、氣態成分（水蒸氣和空氣）組成的典型的非均勻多相顆粒材料。由于凍土各相混合體之間的相互作用，凍土表現出的力學性能也非常復雜。凍土中膠結冰的存在，使得凍土的物理力學性質強烈依賴于溫度，這一點與相應的融土不同。凍土變形過程中微結構的掃描電鏡及電子計算機X射線斷層掃描技術（computed tomography，CT）分析表明，在受載之前，凍土內部已經存在大量的空隙、洞隙和管狀空隙，組構單元與礦物顆粒呈無序化分布。在外荷載作用下，土顆粒表現出明顯的定向排列趨勢，與外荷載作用方向垂直的原生裂縫閉合。隨著荷載的增加，新的微裂紋就會萌生和擴展。如果荷載進一步增加，微裂紋將進一步發育和擴展成宏觀裂紋，并*終導致凍土材料的破壞。
地球上凍土地區相當廣泛，大多集中在俄羅斯、加拿大等高緯度國家，我國也是凍土資源極其豐富的國家之一，其中多年凍土占國土面積的22%左右［3］。主要分布在東北、西北、華北地區，這些地區蘊藏著豐富的森林、礦藏資源，對這些資源的充分合理開發和利用，將對人類的生存和發展起到至關重要的作用。因此，在資源日漸匱乏的今天，凍土的存在及演變已經在人類的生產活動、生存環境和可持續發展中扮演著越來越重要的角色。例如，在工業與民用建筑中，出現了建筑物的凍脹破壞，地基基礎由于多年凍土層的消失產生了沉陷，輸水涵渠的基礎也出現凍脹或融沉破壞；在交通運輸工程中，出現了凍脹造成的道路路面裂縫、破碎、積水及路基破壞，凍土退化造成的路面塌陷，以及橋梁橋墩凍拔隆起，機場跑道及停機坪的基礎破壞等。特別是在我國實施的西部大開發戰略中的青藏鐵路和青藏公路建設中，凍土及凍土環境問題是其中的重要環節。這些影響在北方地區的水工建筑物工程中表現得尤為突出，無論哪種水工建筑物總是在水中才發揮作用，可是到了冬季特別是天氣突然降溫時，由于存在于水工建筑物本身的縫隙以及基礎土壤、巖石等縫隙中的大量水分還沒來得及蒸發就結冰，導致體積膨脹，造成建筑物凍脹或融沉破壞，此種情況若不及時防護或維修，將對其第二年發揮作用產生重大隱患，甚至給國家和人民帶來無法估計的損失，如圖1.1和圖1.2所示。在農業生產上，凍融現象的反復出現導致這些地區土地的鹽漬化，從而給農業生產造成困難；在生態環境方面，人類活動影響及氣候變化導致凍土帶的退化，*終影響凍土地區的分布和凍土地區生態環境平衡。這些都給人類的生產和生活帶來了極大的影響，阻礙了經濟發展和社會進步。
圖1.1擋墻及渠道凍害破壞
圖1.2橋和樁凍害破壞
目前國內外對凍土強度破壞問題的研究，已取得長足的進展，現有強度理論雖然已廣泛應用于工程實際，但都還存在明顯的不足和局限性。例如，剪切強度理論及蠕變理論，都沒有把凍土的凍脹特性反映出來，這就把凍土力學所特有的凍脹問題給忽略了，失去了凍土力學自身的特點；其次是沒有把凍土自身客觀存在的多種缺陷作為主要參量加以考慮，因為凍土是多相體復合材料，因而存在著大量微裂隙、孔穴以及土顆粒與冰晶之間的薄弱點等多種缺陷，它們的存在制約著凍土的宏觀性質和強度特性。現有理論存在的不足致使目前對強度破壞理論的研究還遠遠不能滿足寒區工程建設的需要。另外，凍土力學正面臨著前所未有的新挑戰，大量的寒區工程的開發（如青藏鐵路工程、南水北調工程等）以及氣候、環境條件的全球新變化，均給凍土力學提出了一系列亟待解決的新課題。因此，發展學科新的生長點，建立與發展凍土力學的新理論勢在必行。有鑒于此，國內外學者相繼開展了凍土損傷理論、凍土斷裂力學理論以及熱力學和分形理論等新理論和新技術的研究，從新的角度研究凍土的非線性本構關系、強度理論和破壞準則，已成為當前國內外凍土力學理論研究的一大趨勢。20世紀80年代開始了凍土斷裂力學的研究，但到目前為止，還只限于凍土脆性破壞和線彈性斷裂問題，如建立了脆性破壞的斷裂準則，進行了線彈性斷裂韌度的測試研究等。但是凍土從本質上說是非線性的，是非均質的黏彈性（或黏塑性）體，不但具有明顯的塑性，而且具有明顯的蠕變性，故其變形和破壞過程都具有明顯非線性，線彈性斷裂研究有局限性，必須研究非線性斷裂破壞問題。
也正是在此大背景下，將斷裂力學引進凍土力學中來，才能促進凍土科學的創新和發展，同時，凍土科學的創新和發展又會對人類開發利用凍土地區提供理論指導，為人類的生存與發展作出貢獻。
1.1.2研究目的及意義
從上述出發點考慮問題，本書的基本目的：基于凍土體的非線性本質，充分考慮凍土特有的黏聚力的作用和凍土自身存在的大量缺陷，利用非線性斷裂力學理論原理，對凍土的破壞過程從宏觀、細觀相結合的角度去研究，建立有關的物理模型和力學理論，建立全新的凍土非線性斷裂破壞準則，提出非線性斷裂參數計算的半解析有限元法，從而發展凍土非線性斷裂破壞的基本理論，增強處理實際工程問題的實用性，以便對因素多、環境差、條件苛刻、要求高的凍土工程做出準確可靠的決策。克服現有強度破壞理論的不足，考慮黏聚力的作用和凍土自身的缺陷，充分體現凍土力學特有的問題；克服線彈性斷裂破壞的局限性，充分考慮凍土體的非線性特征；建立非線性斷裂模型和破壞準則，引進非線性斷裂參量和非線性斷裂韌度，提出解析法與有限元法相結合的一種算法，可進行斷裂過程計算和非線性斷裂參量計算。
凍土非線性斷裂破壞準則的研究，實現了兩個學科的交叉，發展了凍土力學新的生長點，拓寬了凍土力學的研究內容。因此，有關非線性斷裂準則的建立、非線性斷裂的測試方法和技術、非線性斷裂參量的計算以及非線性斷裂準則在工程中的應用等一系列問題，均處于學科前沿課題。面向21世紀的凍土力學和凍土工程科學的發展，建立先進的理論和方法，是本學科發展的必然趨勢，對寒區資源開發、生態環境保護、經濟可持續發展具有深遠意義。
1.2斷裂力學理論及其應用現狀
從20世紀二三十年代開始，斷裂事故在人們的生產生活中頻繁發生，給人類社會造成了巨大的損失。全焊接鐵橋無任何異常現象時突然斷裂倒塌、輪船因斷裂造成的事故屢屢出現、飛機在飛行的過程中機翼突然脫落等等，當時人們對上述事件利用傳統的材料、力學理論難以給出正確合理的解釋，事后研究表明：結構產生破壞的原因是由于材料本身存在著各種缺陷和宏觀裂紋，這些缺陷和宏觀裂紋的存在明顯降低了結構材料本身的實際強度。這種裂紋可能是冶金缺陷，也可能是在加工的過程中、使用過程中產生的，對于大多數結構來說，這種缺陷和裂紋是不可避免的［4］。后來隨著現代生產的發展，許多新材料、新產品、新工藝不斷出現，為了解決其在工程實際中的斷裂問題，斷裂力學應運而生。因此，可以說斷裂力學是從生產實踐中產生和發展起來的一門學科。它是在繼承了傳統的彈性力學、塑性力學和黏彈性力學等學科理論的同時，克服了傳統力學理論中物體的連續性假設，承認物體中是含有缺陷和裂紋的，并從這一前提出發，確定含裂紋體的應力場、位移場分布，以此找出決定裂紋擴展的物理量。同時，通過試驗測定出材料抵抗裂紋擴展的能力，并建立兩者之間的關系。它補償了傳統理論的不足和不合理之處，成為現代工程結構安全設計方面的有力工具。
1.2.1線彈性斷裂力學理論
早在1920年，英國的物理學家Griffith在對玻璃的斷裂研究中便提出來斷裂力學概念。Griffith用材料內部有缺陷（裂紋）的觀點解釋了材料實際強度要小于理論強度的現象，同時當裂紋受力時，如果裂紋擴展所需的表面能小于彈性能的釋放值，則裂紋就擴展直至斷裂破壞。這一理論在對玻璃的斷裂研究中得到證實，可該理論只適用于完全彈性體，即完全脆性材料，所以沒得到發展。1921年，Griffith又提出了能量釋放理論，即G準則。認為一旦含裂紋的脆性材料物體的能量釋放率等于表面能，裂紋就會失穩擴展，導致脆斷。Griffith建立的脆性材料斷裂理論，為斷裂力學奠定了理論基礎［5，6］。1948年，Irwin等分別對Griffith理論進行了修正，指出將裂紋尖端區的塑性功計入耗散能后，就能將其應用到金屬材料中。1957年，Irwin提出了應力強度因子理論和斷裂韌性概念，建立了臨界應力強度因子準則，即K準則，從而奠定了線彈性斷裂力學的理論基礎。線彈性斷裂力學（linear elastic fracture mechanics， LEFM）既適用于線彈性材料的斷裂分析，又適用于裂紋尖端具有小范圍屈服的情況。所謂小范圍屈服就是指裂紋尖端附近雖然達到塑性變形狀態，但是只要塑性區尺寸遠小于研究對象尺寸，而在塑性變形局部區以外的整體仍為彈性變形狀態的情況。
1. 能量釋放率準則
能量釋放率準則可以簡單表示為如下形式：
G≤GC（1.1）
其中，G代表能量釋放率，其表達式為
式中，A為裂紋面積；Ue為彈性應變能；下標Δ為恒位移條件。G的量綱為N/m，其物理意義為單位厚度上的裂紋擴展力，與荷載、裂紋的幾何尺寸、應力狀態有關。GC為材料對裂紋臨界擴展的抗力，可由試驗測定，代表著材料的性質。
當G2. 應力強度因子理論
應力強度因子理論可簡單表達為如下形式：
K≤KC（1.3）
式中，K為應力強度因子，表征裂紋尖端附近應力場強弱的**參數，MN/m3/2或MPa m1/2。關于應力強度因子的計算，可以采用有限元法［1］或者查閱相關的應力強度因子手冊［7］。KC稱為斷裂韌度，它表征材料抵抗脆性開裂的能力，是材料的本身性質，可由試驗測定［8］。當K1.2.2彈塑性斷裂力學理論
對于彈塑性材料，當受到外部荷載作用時，在材料的裂紋尖端附近將產生塑性變形，即所謂的大范圍屈服現象，此時，線彈性斷裂力學理論不再適用，為此Wells、Rice和Hutchinson、Rosengren等分別建立了J積分原理和彈塑性裂紋尖端HRR奇性場，為彈塑性斷裂力學奠定了理論基礎［9］。彈塑性斷裂在裂紋發生起始擴展（起裂）后還要經過亞臨界擴展（穩定擴展）階段，達到一定長度后才發生失穩擴展破壞。相應的彈塑性斷裂準則也分為兩類，即以裂紋失穩為依據的非線性能量釋放率準則、HRR奇性場阻力曲線準則等和以裂紋起裂為依據的裂紋張開位移（crack opening displacement，COD）準則、J積分準則等。
1.2.3斷裂力學對復雜材料的應用研究
由于斷裂力學理論的日趨成熟，其應用范圍已從金屬材料領域拓展到其他材料領域，如巖石、混凝土材料、冰體材料等。因上述材料本身可以看成是一種非均質的復雜材料，故在其內部都不可避免地存在一些微小的裂縫或其他缺陷，這些裂縫或缺陷會在某種應力狀態下逐漸擴展成構件的斷裂破壞。所以，眾多學者將斷裂力學理論應用于對其性能的研究之中。巖石斷裂力學的研究始于20世紀60年代中期，當時主要集中于Griffith能量平衡理論、斷裂應力準則及其修正方面。1967年Bieniawski應用應變能量釋放率準則研究了巖石的破壞，發現該準則很好地解釋了深層硬巖鉆探中巖石的突然破壞機理［10］。Schnidt［11］在1976年首先按照金屬材料平面應變斷裂韌度測試方
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