冻土冲击动态力学行为及其本构关系

冻土的动态力学行为一直是冻土力学研究的重点和难点，也是寒区工程建设亟须解决的问题。本书阐述了不同冲击加载条件下冻土的动态力学性能及其破坏机理，通过宏-微观方法建立了冻土动态本构模型并进行了数值模拟。全书从冻土的物理力学本质出发，以等效夹杂理论、连续介质热力学和冲击动态力学为基础，对冻土的动态力学行为进行了全面深入的讨论，并详细呈现了冻土动态本构模型建立的过程和方法。本书可供冻土工程相关的地质工程、土建、水利、铁道、交通、矿山、爆破等专业学生参考，同时可以作为寒区工程建设和冻土开挖、爆破相关领域的科研人员和工程技术人员的进修读物及参考书籍。

第1章 绪论 1
1.1 冻土研究概述 1
1.2 冻土静态力学行为研究 3
1.3 冻土动态力学行为研究 5
1.4 冻土在高应变率加载下的数值模拟研究 7
第2章 冻土单轴冲击动态力学试验研究 8
2.1 SHPB试验技术 8
2.1.1 SHPB试验系统 8
2.1.2 SHPB试验原理 10
2.2 冻土试样制作 11
2.3 冻土单轴冲击试验结果及其讨论 13
2.3.1 冻土应变率效应 18
2.3.2 冻土温度效应 19
2.4 本章小结 22
第3章 冻土单轴冲击动态本构模型 23
3.1 冻土黏弹性损伤本构模型 23
3.1.1 冻土黏弹性损伤本构模型的引入 23
3.1.2 冻土黏弹性损伤本构模型的结果讨论 25
3.2 冻土Johnson-Cook模型 28
3.2.1 冻土Johnson-Cook模型的引入 28
3.2.2 冻土Johnson-Cook模型的结果及讨论 29
3.3 本章小结 32
第4章 不同粒径下冻土的冲击动态力学试验研究 33
4.1 试验过程 33
4.2 试验结果及讨论 35
4.2.1 冻土应变率效应 36
4.2.2 冻土温度效应 39
4.2.3 冻土粒径效应 43
4.3 本章小结 47
第5章 基于冰体颗粒增强的冻土动态细观本构模型 48
5.1 动态细观本构模型 48
5.1.1 本构模型的描述 48
5.1.2 模型的参数确定 51
5.1.3 本构模型的验证 53
5.2 基于塑性和损伤耦合的冻土动态本构模型 55
5.2.1 本构模型的描述 55
5.2.2 损伤引入 57
5.2.3 本构模型的验证 61
5.3 本章小结 63
第6章 不同含水率下冻土的冲击动态试验研究 64
6.1 试验结果及其讨论 64
6.1.1 冻土应变率效应 64
6.1.2 冻土温度效应 67
6.1.3 初始含水率的影响 69
6.1.4 冻结特征的影响 72
6.2 冻土冲击动态应力-应变曲线中的应变汇聚现象分析 73
6.2.1 冻土冲击动态试验中的应变汇聚现象 73
6.2.2 温度、初始含水率和应变率对应变汇聚现象的影响 74
6.2.3 试验设备性能对应变汇聚现象的影响 75
6.3 本章小结 76
第7章 均匀冻土的冲击动态本构模型 78
7.1 充分冻结均匀冻土中冻结温度与初始含水率的关系 78
7.2 理想状态下的未冻水含量 81
7.3 未充分冻结均匀冻土的本构模型 81
7.4 冲击动态荷载作用下温度损伤的影响 85
7.4.1 冲击动态力学理论框架下的温度损伤关系 85
7.4.2 考虑瞬态温升影响的未冻水含量变化 88
7.4.3 瞬态温升和应变率关系的计算实例及分析 90
7.4.4 温度损伤对等效模量的影响 92
7.5 未充分冻结均匀冻土的动态本构模型 93
7.5.1 冻土的冲击动态本构关系 93
7.5.2 冻土的塑性损伤 94
7.5.3 计算实例及分析 94
7.5.4 塑性-脆性转化对应力-应变曲线的影响 96
7.6 本章小结 97
第8章 未充分冻结冻土的冲击动态力学性能和冻结特征分析 98
8.1 冻结时间与冻结锋面的研究 98
8.1.1 冻结锋面发展情况的理论推导 98
8.1.2 冻结锋面发展情况的计算实例及分析 100
8.2 未充分冻结冻土中连续温度场及冰体颗粒分布 101
8.2.1 冻土中由极限温差函数关系控制的温度场 101
8.2.2 极限温差随冷端温度变化规律的计算实例及分析 103
8.2.3 极限温差控制的温度场影响下冰体颗粒的分布 105
8.2.4 单面冻结冻土中冰体颗粒分布的计算实例及分析 105
8.3 未充分冻结冻土的冲击动态力学性能 107
8.3.1 冲击荷载作用下的温度损伤影响 107
8.3.2 不同冻结特征的模型差异 107
8.3.3 冻结特征对本构关系影响的计算实例及分析 108
8.3.4 冻土冲击动态力学性能的计算实例及分析 110
8.4 本章小结 111
第9章 冻土单轴冲击动态试验数值模拟 113
9.1 SHPB数值模拟方法 113
9.1.1 LS-DYNA有限元软件简介 113
9.1.2 LS-DYNA程序求解步骤 113
9.1.3 显式时间积分法 114
9.1.4 动态接触算法 115
9.2 冻土单轴冲击加载试验 115
9.3 HJC材料模型 118
9.4 动态单轴冲击加载试验数值模拟的建立 119
9.4.1 有限元模型的建立 119
9.4.2 材料参数的选取 120
9.5 数值模拟的结果及分析 123
9.5.1 重构应力-应变曲线 123
9.5.2 均匀性分析 126
9.5.3 冻土内部受力情况研究 127
9.5.4 冻土冲击破坏模式 128
9.6 本章小结 132
第10章 冻土围压冲击动态试验数值模拟 133
10.1 冻土被动围压冲击加载试验 133
10.1.1 应变率效应研究 135
10.1.2 温度效应研究 136
10.1.3 与单轴冲击试验对比 138
10.2 冻土被动围压冲击加载试验数值模拟 139
10.2.1 有限元模型的建立 139
10.2.2 材料参数的选取 140
10.3 数值模拟结果及分析 144
10.3.1 重构应力-应变曲线 144
10.3.2 与单轴冲击试验对比 146
10.3.3 围压套筒分析 147
10.3.4 主动围压对冻土冲击加载试验的影响 148
10.4 本章小结 151
参考文献 152